精巧な彫刻、クラシックカーのパーツ、お気に入りのコーヒーマグなど、現実世界の物体がコンピューター画面上でデジタルモデルとして完璧に再現される様子に、驚いたことはありませんか？まるで魔法のようですね。目の前にある実物を、3Dスキャナーがなんとデジタル設計図へと変換してくれるのです。

「 3Dスキャナーはどのように機能するのか？」という根本的な疑問こそ、私たちが探求したいテーマです。難しい専門用語は一旦忘れて、これらのデバイスがあらゆる曲線、輪郭、ディテールを捉え、実体のあるオブジェクトを編集可能な仮想アセットに変換する、魅力的なプロセスを解説します。物理世界とデジタル世界のギャップを埋める独創的なテクノロジーの探求に、ぜひご期待ください！

3Dスキャンの基礎を3分で学ぶ – 3Dスキャン、ポイントクラウド、メッシュとは何か

そもそも3Dスキャンとは一体何でしょうか？物体や環境の形状、そして多くの場合は外観（色や質感など）を正確に捉える非破壊技術です。3次元のデジタル写真を作成するようなものだと想像してみてください。

物理的なオブジェクトからデジタル モデルに至るまでには、次の 2 つの主要な出力形式が関係します。

生データ：点群

3Dスキャナー（メッシュ生成をサポートする一部の産業用3Dスキャナーを除く）は、物体を「認識」した時点で、完璧なソリッドモデルを即座に作成するわけではありません。その代わりに、物体の表面上の微小な点を三次元空間で表現する、数百万点もの個別の測定値を取得します。

この生データは、スキャナーポイントクラウドと呼ばれるものを形成します。広大な点群を想像してみてください。それぞれの点には正確なX、Y、Z座標が与えられています。この点群はスキャンされた物体のあらゆる幾何学的情報を保持しており、構造化されていないとはいえ、非常に詳細な表現を提供します。

表面の構築：メッシュ

ポイントクラウドは生の空間データを提供しますが、ほとんどのアプリケーションですぐに使用できる3Dモデルではありません。この離散的な点の集合を、ソリッドで使用可能なデジタルオブジェクトに変換するには、専用のソフトウェアを使用してこれらの点を連結し、メッシュを形成します。

メッシュとは、本質的には相互接続された頂点（点）、エッジ（頂点を結ぶ線）、面（通常は三角形または四角形）のネットワークであり、これらが組み合わさってオブジェクトの連続した表面を定義します。このメッシュ作成プロセスにより、 水密または非水密のメッシュが作成されます。 (ウォータータイトモデルは 3D 印刷用であり、非ウォータータイトモデルは将来の編集用です)、簡単に操作したり、テクスチャを適用したり、 3D 印刷などのプロセス用に準備したりできる編集可能な 3D モデルです。

3Dスキャンとイメージングプロセス

したがって、基本的な 3D スキャンとイメージングのプロセスは、明確な進行として視覚化できます。

物理オブジェクト→ポイントクラウド表現→最終メッシュモデル

この変革は非接触計測の本質であり、物理的な世界をデジタルの世界に持ち込むための基盤を築きます。

3Dデータ取得方法による3Dスキャナの種類

私たちの目が光の条件や焦点に応じて世界をさまざまな方法で認識するのと同じように、3D スキャナーはさまざまな方法を使用して物体の形状をキャプチャします。

これらの方法は、オブジェクトとのやり取り方法に基づいて、接触スキャンと非接触スキャンの 2 つの主なカテゴリに分類されます。

出典: https://www.einscan.com/applications/3d-scanning-101-all-you-should-know-about-3d-scanning-2/

接触スキャン：タッチベースのアプローチ

名前の通り、接触スキャンでは物体の表面に物理的に触れて寸法を測定します。これらのシステムでは通常、プローブまたはスタイラスが物体上を移動し、接触点ごとに正確な座標を記録します。

接触型スキャナーは、特に定義されたポイントに対して優れた精度を提供しますが、速度が遅くなり、繊細なオブジェクトや変形しやすいオブジェクトには適さない場合があります。

非接触スキャン：触れずに測定

非接触スキャン方式は、対象物との物理的な接触なしにデータを取得します。幅広い材質や用途に対応します。この広範なカテゴリはさらに以下のように分類されます。

受動的な非接触方式

パッシブ方式は、光や音などのエネルギーを自ら放出しません。代わりに、周囲の光や物体が放出する既存のエネルギーを利用します。従来の能動的な意味での「スキャナー」ではありませんが、3D再構成や3Dモデルの作成には不可欠です。パッシブ非接触方式も「Shape from X」から派生していますが、現在の焦点ではありません。

能動的な非接触方式

アクティブ型3Dスキャナーは、独自のエネルギー（光、レーザー、音、X線）を放出し、そのエネルギーが物体とどのように相互作用するかを分析して形状を決定します。これらは最も一般的で汎用性の高い3Dスキャン技術です。

一般的なプロジェクトで使用される3Dスキャナーでは、光学式アクティブスキャナーが主な役割を果たします。次のセクションでは、このタイプの3Dスキャナーについて詳しく説明します。

3Dスキャナに使用されている技術を知る – アクティブオプティカル

アクティブ光学式3Dスキャナーは、レーザー、構造化パターン、パルスビームなどの光を用いて物体を照射し、その形状を捉える点が特徴です。この光が物体表面とどのように相互作用し、カメラによってどのように観測されるかが、3Dデータ取得の基礎となります。

1.        レーザー光3Dスキャン：点または線による精度

最も古く、現在でも非常に効果的な能動光学的方法の 1 つは、レーザー光を利用する方法です。

原理

レーザースキャナーは通常、物体の表面に単一のレーザー点またはレーザー線を投影します。レーザー光源から一定のオフセットで配置されたカメラが、この点または線の位置を観測します。

カメラとレーザーは一定の距離（「ベースライン」）で離れているため、物体表面におけるレーザーの軌跡の歪みやずれは、三角法の原理を用いてその点までの正確な距離、つまり三角測量によって算出されます。レーザーが物体上を移動したり、物体が回転したりすると、数百万もの測量が収集され、スキャナーの点群が形成されます。

アプリケーション

レーザースキャナーは、その高い精度と複雑な細部まで捉える能力で知られています。品質管理、リバースエンジニアリング、工業部品の検査、さらには文化遺産の保存など、精度が極めて重要となる分野で広く利用されています。

2.        構造化光3Dスキャン

おそらく、デスクトップに収まるオブジェクトや素早いキャプチャが必要なオブジェクトなどの汎用スキャンで最も一般的で多用途なアクティブ光学方式は、 構造化光 3D スキャンです。

原理

単一のレーザーポイントとは異なり、構造化光3Dスキャナーは、物体の表面に既知の光パターンを投影します。このパターンは、単純な平行線から複雑なグリッド、ランダムなドット配列まで、あらゆる形状が可能です。

カメラは、投影されたパターンが物体の輪郭に当たった際にどのように変形または歪むかを捉えます。レーザー三角測量と同様に、システムはこれらの歪みを分析して表面の深さと形状を計算し、非常に詳細な3D再構成データを作成します。

構造化光における光のパターン/技術

• 位相シフト：波のように位相が変化する一連のパターンを投影します。これらの位相シフトがどのように歪むかを分析することで、これらのスキャナーは、非常に高い精度と、多くの場合マイクロメートル単位の高密度な点群データを実現します。

• マルチライン：複数の平行線を同時に対象物に投影します。シングルラインスキャンに比べて高速なデータキャプチャが可能で、ハンディタイプの3Dスキャナーで3Dプリントや広い範囲の高速スキャンを行う際に効果的です。

• スペックル（またはランダムドット／コード化ライト） ：対象物にランダムなドットパターン、または固有の「コード化」された光パターンを投影します。これにより非常に高速なキャプチャレートが可能になり、各キャプチャフレームには三角測量に必要な固有の情報が含まれるため、動きのある手持ちスキャンに適しています。

これらの複雑な光のパターンの投影は、高度なディスプレイ技術に依存しています。

• デジタル光処理 (DLP) : プロジェクターによく使用される DLP チップには、個別に傾けることができる数百万個の小さなミラーが含まれており、構造化光スキャンに必要な正確な光パターンを作成して投影します。

• 回折光学素子 (DOE) : 複雑なデジタル投影を必要とせずに、単一の光線をグリッドやドットの配列などの特定のパターンに分割または成形できる光学部品です。

• VCSEL (垂直共振器面発光レーザー) : レーザーの一種である VCSEL アレイは、その効率性、コンパクトなサイズ、複数のレーザー ビームを同時に放射する機能により、特にスペックル パターン用の構造化光システムでますます使用されています。

3.         白色光と青色光

構造化光スキャンでは、「白色光」スキャナーと「青色光」スキャナーという言葉をよく耳にするでしょう。

• 白色光: 従来の構造化光スキャナーでは、多くの場合、広帯域スペクトルの白色光が使用されます。

• 青色光：多くの最新の構造化光スキャナは青色光を使用しています。これは、青色光は波長が短いため、特に暗い表面や読み取りが難しい表面において、より高い解像度とより正確なデータ取得が可能となるためです。また、青色光は周囲光からの干渉を低減するため、さまざまな環境下での精度向上にも役立ちます。

4.        飛行時間型（ToF）3Dスキャン

ToF スキャナーは光パルス (多くの場合は赤外線) を放射し、その光パルスがスキャナーから移動して物体の表面に当たり、スキャナーのセンサーに戻るまでの正確な時間を測定します。

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