3Dスキャナとは
3Dスキャナとは、3Dスキャンを行う際に用いる装置です。
3Dスキャンは、実世界の物体や環境から、形状に関するデータを収集し、デジタル3Dモデルを構築する技術を指します。類似した用語に3Dプリンタがあり、互いに逆向きの変換を行うものです。3Dスキャナはモノをデジタルデータに変換する装置ですが、3Dプリンタはデジタルデータからモノへと変換するための装置です。
3Dスキャナの使用用途
3Dスキャナは、製造業で多く使用されています。まず品質検査のツールとして有用です。工業製品の検査では、さまざまな測定器具による寸法測定が必要ですが、複数の測定器具を用いるにはそれぞれの器具を扱うためのスキルや、測定作業に多くの時間がかかります。
3Dスキャナで検査対象物を3Dデータ化すれば、複雑な部位でもデジタルデータ上で寸法計測が可能です。また、設計した3Dモデルとの比較もできます。品質検査以外では、リバースエンジニアリングで3Dスキャナが用いられています。
リバースエンジニアリングは実際の製品から3Dデータが得られるので、さまざまな解析に用いられます。設計データが入手できない競合他社製品も3Dデータ化することによって、構造解析などを行い、自社製品との比較も可能です。
製造業以外では、歴史的な遺産や文化財のデジタルアーカイブに用いられます。貴重な石碑なども3Dデータ化として保存しておくことができます。さらに、アニメーション、映画、ビデオゲームの制作などのエンターテイメント用途も、3Dスキャナが活躍している業界です。
3Dスキャナの原理
3Dスキャナにはまず接触式と非接触式があり、非接触式には複数の方式があります。ここでは代表的な3つの方式の原理を説明します。
1. 接触式3Dスキャナ
接触式3Dスキャナは、プローブと呼ばれる探針を対象物に接触させることによって、形状を座標データに変換します。対象物に直接接触するので測定精度は高いものの、比較的長い測定時間が必要です。さらに、プローブが入り込めない形状があることもデメリットですが、非接触では測れない対象物には、接触式3Dスキャナが使われています。
2. レーザー光線方式
レーザー光線方式は非接触式3Dスキャナであり、レーザー光を対象物に照射して計測します。レーザー光線式には大きく「三角法方式」「タイムオブフライト (TOF) 方式」「位相差方式」の3つの方式があります。
三角法方式は高精度で、狭い範囲の計測に向いており、タイムオブフライト方式は逆に広範囲の測定に適した方式です。位相差方式はフェイズシフト方式とも呼ばれ、比較的短時間に多くの点群データが得られますが、ノイズとして乱反射したレーザーによるデータが多くなる傾向があります。
3. パターン光投影方式
パターン光投影方式も非接触3Dスキャナに用いられる原理です。スキャナから縞模様のパターン光を対象物に投影し、形状によって変化する反射光から3Dデータを得る方式です。光源がレーザー光ではなくLEDのため人体にも使え、色情報も得られるため、比較的多く使われています。
3Dスキャナのその他情報
3Dスキャナの精度
3Dスキャナは対象の3Dスキャンデータを作成しますが、必ずしも完全に対象を再現できるわけではありません。3Dスキャナで誤差が発生する箇所として、対象の点群の位置、点群同士の距離があげられます。
製品には精度表示がされているため、許容できる誤差範囲によって製品を選ぶことが大切です。当然、高精度の製品は価格も高くなりますが製品によっては、複数回測定を行って誤差の補正ができるものもあります。
また、3Dスキャナで作成したポリゴンデータを手動で結合し、精度を上げることもできます。ポリゴンデータとは、面の要素で作られたデータのことです。この作業には、物体に合わせて最適な精度向上方法を知っている必要があり、経験が重要になります。
参考文献
https://www.cadjapan.com/topics/feature/column_engineer/2011/0519.html
https://www.cadjapan.com/topics/feature/reverse_engineering/2015/151007_3dscanner.html