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【Learning Vol-29】3Dモデルの作成：写真測量と3Dスキャン
■概要：
3Dモデルを作成するプロセスは、その作業に適したツールを選択することから始まりますが、この選択は、主に3Dモデルを何のために必要とするのか、言い換えれば、どのように使用する予定なのかを中心に展開されます。最もポピュラーなツールには、3Dスキャンと写真測量があり、この記事では、特定のプロジェクトにどちらを選ぶべきか、また、どのような場合にこれらを組み合わせることができるかをご案内します。
3Dスキャナ
写真測量法を使用して作成された 3D モデル (左) と 3D スキャンを使用して作成された 3D モデル (右)。
手始めに、3Dスキャンの仕組みについて触れ、市販されている主な3Dスキャナーの種類を紹介します。これは後ほど、この技術を写真測量と比較する際に役立ちます。
3Dスキャンは、物理的な物体、より正確にはその形状や色に関する情報をデジタルの世界に取り込む技術です。物体のデジタルレプリカをコンピュータに取り込めば、無数の可能性が開けます。検査、測定、修正、シミュレーションやストレステスト、共有、共同作業、AR/VR環境へのインポートなど、何でもできます。
Artec Leo 3D スキャナーを使用して、航空機部品をサブミリ単位で正確にキャプチャします。
Key point ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
3Dスキャンは、工業、医療、自動車、CGI、航空宇宙、考古学などの分野で、
対象物の検査、測定、デジタル化にますます利用されるようになっている。━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
ある物体の正確なデジタル・レプリカを手に入れるにはどうすればいいのでしょう？簡単に言えば、3Dスキャナーです。3Dスキャニング・ツールの状況は、過去数十年の間に急速に変化してきました。伝統的な、試行錯誤を重ねた技術が進化し、新しい技術が一から開発されたからです。現在、最も広く使われている3Dスキャンツールは、構造光スキャナーとレーザー三角測量スキャナーです。
構造光とレーザー三角測量3Dスキャナー
これらの装置の仕組みは非常によく似ている。スキャナーは対象物の表面に光を投射し、スキャナーのカメラは投射された光線が表面で反射してどのように歪むかを記録する。ここでの違いは、構造化光スキャナーはグリッドを形成する白色光または青色光のビームを照射し、レーザー三角測量スキャナーは単純な線を照射することである。
スキャン中、3Dスキャナーは対象物表面の何百万もの点の情報を収集し、スキャナーのソフトウェアは前述の歪みを分析し、すべての点を相対的に配置することで、対象物の形状をデジタル環境で再構築する。
構造化光源方式とレーザー三角測量方式の両方で、3D点データセットは点群と呼ばれ、これを3Dメッシュモデルに変換することができます。このメッシュを作成するために使用されるプログラムによって、そのトポロジーは三角形または2次曲面で構成されますが、いずれにせよ、モデルは何百万ものこれらの結合で構成されます。変換は、リバースエンジニアリング、CAD、AR/VRアプリケーションなど、上述の目的のために、対象物のデジタルレプリカを使用してさらなる作業を容易にするために行われる。
プロフェッショナルな 3D スキャナーとソフトウェアを使用すると、現実世界のほぼすべてのオブジェクトをデジタル形式で驚異的な精度で再構築できます。
構造光とレーザー3Dスキャン技術は、数ミリから数メートルの比較的小さな対象物をスキャンする必要がある場合に特に効果的です。この方法では、対象物のスキャンとスキャナーによって収集されたデータの処理が高速で行われ、最終的な3Dモデルは高精度でオリジナルに非常に忠実なものとなります。
飛行時間型3Dスキャン技術
対象物のサイズ（高さまたは長さ）が数十メートルを超える場合、パルスベースレーザー3Dスキャニング技術とも呼ばれる飛行時間（TOF）技術に基づく3Dスキャナーを選択することをお勧めします。構造光スキャナーやレーザー三角測量スキャナーとは異なり、TOFスキャナーと対象物との距離は数メートルから数百メートル、あるいは千メートルにも及びます。
Key point ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
構造光、飛行時間、レーザー三角測量3Dスキャナーは、現在の写真測量では実現できない
レベルの多用途性とリアルタイムのフィードバックを提供します。━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
この技術はどのように機能するのか？スキャナーはレーザーパルスを照射する。レーザーパルスが表面から反射して戻ってくると、それらはスキャナーのレシーバーに拾われ、スキャナーは各パルスが戻ってくるのにかかった時間（1秒の何分の1）を計算する。跳ね返ってきた何百万ものパルスの情報を収集し記録することで、スキャナーは表面の画像を形成する。精度は、使用する溶液やデジタル化する領域によって異なる。固定された三脚に取り付けた3Dスキャナーで建物をスキャンする場合は、サブミリメートル精度のスキャンを提供することが期待されます。地形の広い範囲をマッピングする必要があり、飛行機やUAVからスキャンする場合は、公差が数センチメートルに達する可能性があります。
3Dスキャナーの長所と短所
この記事の最初の部分から結論づけられるように、構造化光源、レーザー三角測量、TOF 3Dスキャナーは、比較的小さな対象物や広い面積の正確なデジタルレプリカが必要な場合に、頼りになるツールです。質の高い3Dスキャニングソリューションが提供する空間データの正確さこそが、精度の誤差が取り返しのつかない結果や大惨事につながる可能性のある分野において、3Dスキャナーを不可欠なツールにしているのです。3Dスキャナーは、工業設計やエンジニアリングの分野で信頼されており、著名な専門家が電子機器の開発、配管の安定動作の確保、大量生産される機械部品の品質管理など、幅広い目的で使用しています。
医療分野では、3Dスキャナーの用途は、完璧にフィットして何年も使えるカスタマイズされた補綴装置やインプラントの設計から、整形手術の術前・術後の結果の評価までさまざまです。芸術、エンターテイメント、科学、博物館の分野では、3Dスキャナーは、俳優のデジタルダブレットの作成、発掘現場や博物館の収蔵庫にある100万年前の化石のデジタル化、解剖学、古生物学、さらには宇宙探査などの分野の研究の進展に役立っています。最後になりましたが、ますます多くの法人類学者が、犯罪現場を記録する最速かつ最も正確な方法として3Dスキャンに注目しています。
Artec Eva は、高性能カスタム補綴装置の作成に広く使用されています。
このような多目的な用途に加え、3Dスキャナーはその使いやすさが特徴です。例えば、ハンドヘルドスキャナーは軽量で、対象物の周りを歩き回りながら表面のあらゆる部分をキャプチャできます。最先端の3Dスキャナーは、オールインワン・ソリューションです。タッチスクリーンが内蔵されているので、ラップトップやタブレットがなくても、スキャナーのディスプレイでスキャニングの進捗状況をリアルタイムで確認できます。ラップトップやタブレットがないということは、ケーブルやワイヤーに邪魔されることなく、対象物の周りを自由に動き回れるということでもあります。
また、これらのスクリーンから提供されるリアルタイムのフィードバックは、ユーザーにとって非常に貴重なものである。写真測量の長所と短所についてはいずれ詳しく説明しますが、スクリーン内蔵の3Dスキャンにはこのような利点があります。
Key point ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
今日の最先端のハンドヘルド3Dスキャナーは、リアルタイムでフィードバックが
得られるディスプレイを備えています。━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
さらに、冒頭で述べたように、3Dスキャナーは対象物の形状をキャプチャし、3Dスキャンの世界で知られているように、色、またはテクスチャをキャプチャできるものもあります。精度は3Dスキャンの紛れもない切り札ですが、写真測量が提供できる鮮明さによって、これらの結果はさらに向上します。
写真測量
写真測量は、表面の複数の写真を組み合わせることによって、表面の3D画像を提供する技術です。上記のプロフェッショナルな3Dスキャン技術とは異なり、フォトグラメトリーには3Dスキャナーは必要ありません。写真を生成するのに必要なのは…そう、カメラです。特殊な機材である必要もないので、手持ちのスマートフォンからドローンまで、あらゆるもので撮影した写真を使ってプロセスを完了させることができる。主にカメラの焦点距離、レンズの歪みと解像度、対象物を撮影する際のカメラの位置と角度、カメラの十分な視野と隣接するエリアの写真間の重なりなど、多くの要素が考慮されます。
写真測量ソフトウェア
無料アプリを除外すると、それらは必ずしも質の高い結果をもたらすとは限らず、サポートは限定的か全くなく、処理/編集ツールの選択肢も乏しい： Reality CaptureとAgisoftだ。前者は、より柔軟で直感的なワークフローを特徴としており、オリジナルデータを修正する必要がある場合に、多くの経路から選択することができる。Reality Captureは無料でダウンロードでき、3Dモデルを作成することができます。
RealityCapture の写真測量プロジェクト。
そして、それがあなたのニーズにとって十分に良さそうであるかどうかを確認し、良さそうであれば、有料で3Dモデルをダウンロードするよう提案されます。これに加えて、RealityCaptureは主な競合製品よりも最大10倍速く計算を実行します。一方、Agisoftの利点のひとつは、揺るぎないサポートと広範なユーザーコミュニティです。豊富なトレーニング資料や3Dモデルの素晴らしいギャラリーへのアクセスも提供されています。多くのユーザーは、AgisoftはRealityCaptureに比べてより高い精度を保証すると信じています。
写真測量の長所と短所
写真測量の大きな利点のひとつは、写真測量に使用するカメラが手頃な価格で手に入ることだ。最近のスマートフォンには16MPのカメラが搭載されており、写真測量に十分な色解像度の画像を撮影することができる。3Dスキャニングと同様、写真測量は非接触で対象物をデジタル化する方法である。写真測量のハードウェア・デバイスは、プロ用カメラであれスマートフォンであれ、軽量で持ち運びが可能で、使用するためのトレーニングも必要ありません。3Dスキャンとは異なり、スキャンする対象物の大きさに応じて適切なツール（カメラ）を選ぶ必要はありません。カメラは小さな対象物にも大きな対象物にも使用できます。
フォトグラメトリを使用すると、周囲のオブジェクトの写真を撮影し、本物のような 3D モデルに変換できます。画像ソース: 3dscanexpert.com
当然ながら、撮影のクオリティが高ければ高いほど、そこから作られる最終的な3Dモデルのクオリティも高くなります。隙間のない3Dモデルを作成するために重要な役割を果たす重要な要素は、撮影したショットが対象物の表面積全体をカバーしているかどうかです。より良い結果を目指すなら、何十枚、何百枚、あるいは何千枚ものショットを手動で撮影しなければならないことを覚悟しなければならない。3Dスキャナーが瞬時に自動で3Dデータを取り込むのと比べてみてください。このことは、写真測量のもう一つの限界を示唆しています。大半の場合、モデルが何分も、あるいは何時間もじっとしていることができない限り、人物の3Dモデルを作成するのには実用的ではありません。
同様に、写真測量は、特にブースベースのセットアップを使用することを計画している場合、ロケでの展開がより難しくなります。例えば、畑の真ん中のような離れた場所でスキャンする場合、そこでかさばるブースを使うのは非常に厄介です。また、同じ場所にいない人をスキャンする場合、複雑なマルチカメラを配置するよりも、3Dスキャナーを発送する方がはるかに簡単です。
また、3Dにする必要がある対象物を撮影する際、均等に光が当たるようにしたいかもしれません。そうでないと、撮影後に明るさの修正・調整に何日も費やすことになるかもしれない。特に、晴れた日に野外で対象物を撮影する場合はそうです。日光が当たっている側は、影の側よりも明るく見えます。
ですから、写真撮影は曇りの日を選ぶのが理想的です。もし、加工段階で表面の一部がうまく写らない場合は、最初の撮影現場に戻り、ライティングも含めて最初の撮影時の状況を再現する必要がある。元のデータベースに新しい写真を追加できればラッキーだ。しかし、被写体やシーン全体をもう一度撮影し直す必要があるかもしれない。
人工光源に投資し、これとカメラに偏光フィルターを装備することで、フォトグラメトリーの制限をいくつか回避することができます。このような交差偏光セットアップにより、写真撮影時に反射で見えなくなる対象物の量が減り、より詳細なフォトグラメトリーモデルが得られる。このプロセスの欠点は、偏光ギアを手に入れなければならず、撮影セッションが高価になることだ。偏光板が同じ素材で作られていない場合、モデルの外観を歪ませる色ずれが発生する可能性があります。
Meshroom の写真測量プロジェクト。
結局のところ、正確な直線測定が可能な3Dスキャンとは異なり、写真測量では対象物のスケールやプロポーションが歪んでしまう可能性が高い。これは、この技術が入力画像の品質に依存しているためで、照明から解像度、モーションブラーに至るまで、さまざまな問題に影響される可能性があります。最終的なモデルは抽象的な単位で組み立てられるため、リバースエンジニアリングや品質検査など、高い精度が求められる用途には使用できない。
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可搬性、変化しやすい条件に対する脆弱性、写真測量機器の精度などの制限から、
3Dスキャニングよりも特定の用途には適していない。
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2つの世界の長所を組み合わせるには？
多くの場合、3Dモデルは可能な限り正確で、実物に忠実な色でレンダリングする必要があります。そこで、3Dスキャンを写真と組み合わせることが考えられます。
そのような例の1つに、国家元首のバラク・オバマ大統領（当時）の史上初の3D肖像画の作成があります。このプロジェクトでは、構造化光スキャナ（Artec Eva）が写真測量との相乗効果で使用されました。ご存知の通り、写真測量は、人物の3Dモデルを作成する必要がある場合、常にタイトなスケジュールに追われている大統領の場合、使いにくいものです。ここでの回避策は、大統領を囲む特別な足場に取り付けられた80台ものカメラで同時に撮影することだった。こうすることで、すべての色、陰影、色相を可能な限り短時間で拾い上げ、Artec Evaは頭部の形状を極めて正確に捉えることができました。
史上初の国家元首の 3D 肖像画を Artec Evas でスキャンしているバラク・オバマ氏。背景には写真測量装置が設置されています。画像ソース：whitehouse.gov
もう一つの例は、車全体のデジタル化です。このプロジェクトでは、車の形状（車体と内装の両方）をキャプチャするために、テザーレスのArtec Leoが使用されました。工業デザイナーやエンジニアにとっては、形状に関する正確な情報で十分でしょう。しかし、ビデオゲーム開発のような業界では、車の空力プロファイルの正確さよりも鮮やかな色が大きな役割を果たすことが多いため、ゲーム開発者は3Dメッシュモデルにカラーカメラのショットを重ね合わせたいと思うかもしれません。こうすることで、ビデオゲームに組み込んだときに、クルマがまったく本物そっくりに見え、はるかに優れたユーザー体験が可能になります。
ソフトウェア面では、Artec Studioが3Dスキャンと写真測量をこれまで以上に簡単に組み合わせることができるようになったことも注目に値します。スキャンデータの取り込みと処理機能に加えて、このプログラムには写真登録アルゴリズムが搭載されており、ユーザーは高解像度写真のテクスチャをモデルに適用することができます。多くの場合、これは色の鮮明さを向上させ、スキャンをよりリアルに見せるのに役立ちます。
ジャングルにインスパイアされた複雑な模様が特徴的な椅子をデジタル化するために、Artec Studioの3Dスキャンと写真測量の共同機能が使用されました。写真とArtec Leoのスキャンデータを組み合わせてテクスチャファイルを作成し、Artec Leoのテクスチャリングアルゴリズムを使って3Dメッシュにマッピングしました。この鮮明で色鮮やかな椅子のモデルの他に、Artec Space Spiderで撮影された完璧な3Dスキャンデータにナイキのスニーカーの140枚の高解像度画像を巻き付けるのにも、この機能が使用されました。
フルカラー 3D の見事な Nike スニーカー。
その結果、30分余りで、ナイキ カイリー7のバスケットボールシューズを驚くほどリアルにスキャンすることができた。この有名なシューズのモデルには、ナイキの360度トラクションインソールが高度なテクスチャで再現されており、折り目がつかないようにスニーカーを逆さまにしてスキャンした。別のプロジェクトでは、このアルゴリズムは小さな虫のモデルに微細なテクスチャを追加するのに十分な精度を証明し、写実的に見えるようにした。これらの取り組みはいずれも、Artecのハードウェアとソフトウェアを組み合わせることで、高水準のディテールをキャプチャできることを示しています。
Key point ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
Artec Studioで3Dスキャンと写真測量データを組み合わせることで、
驚くほどリアルなテクスチャを持つモデルを生成することができます。
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まとめ
ビデオゲーム開発者の間では、美しいビジュアルを作成できる写真測量が依然として人気があります。しかし、3Dスキャニングは、現実世界の物体や人物をデジタル化する、より高速で多用途な方法として、この分野で成長を続けています。ハンドヘルド3Dスキャンは、医療などの分野でも支持を集め続けています。患者の四肢を迅速かつ正確に測定することで、カスタムメイドの、よりフィットする装具の作成が可能になりつつあります。
このように、精度を最優先し、対象物を高解像度で素早くキャプチャし、さらに3DモデルをCADアプリケーションで使用する予定がある場合は、プロ仕様の3Dスキャナーと3Dスキャンソフトウェアを購入する必要があります。
予算が無制限で、仕事を急がないという前提であれば、3Dスキャンと写真測量を組み合わせて、現実世界のオブジェクトをデジタル複製に変換するのが理想的です。こうすることで、非常に正確なジオメトリと、鮮やかな色彩を持つリアルで詳細なテクスチャの両方を備えたモデルになります。
