3Dスキャン

3D スキャンは、現実世界の物体または環境を分析して、その形状と外観 (色など) の 3 次元データを収集するプロセスです。収集されたデータは、デジタル3D モデルの構築に使用できます。

3D スキャナーはさまざまな技術をベースにしており、それぞれに限界、利点、コストがあります。デジタル化できるオブジェクトの種類には、依然として多くの制限があります。たとえば、光学技術では、暗い、光沢のある、反射する、または透明なオブジェクトを扱う際に多くの問題が発生する場合があります。たとえば、産業用コンピューター断層撮影スキャン、構造化光 3D スキャナー、LiDAR、およびTime Of Flight 3D スキャナーを使用すると、破壊テストを行わずにデジタル3D モデルを構築できます。

収集された3Dデータは、さまざまな用途に役立ちます。これらのデバイスは、映画やビデオゲームの制作、仮想現実などのエンターテインメント業界で広く使用されています。この技術の他の一般的な用途には、拡張現実、^[1] モーションキャプチャ、^{[2] [3]} ジェスチャー認識、^[4] ロボットマッピング、^[5] 工業デザイン、矯正器具と義肢、^[6] リバースエンジニアリングとプロトタイピング、品質管理/検査、文化遺産のデジタル化などがあります。 ^[7]

3D スキャナーの目的は通常、3D モデルを作成することです。この 3D モデルは、対象物の表面にある幾何学的サンプルのポリゴン メッシュまたはポイント クラウドで構成されます。これらのポイントを使用して、対象物の形状を推定できます (再構築と呼ばれるプロセス)。各ポイントで色情報が収集されると、対象物の表面の色やテクスチャも特定できます。

3D スキャナーはカメラといくつかの共通点があります。ほとんどのカメラと同様に、3D スキャナーの視野は円錐状で、カメラと同様に、遮られていない表面に関する情報のみを収集できます。カメラが視野内の表面の色情報を収集するのに対し、3D スキャナーは視野内の表面の距離情報を収集します。3D スキャナーによって生成される「画像」は、画像内の各点における表面までの距離を表します。これにより、画像内の各点の 3 次元位置を特定できます。

状況によっては、1 回のスキャンでは対象の完全なモデルが作成されないことがあります。異なる方向からの複数のスキャンは、通常、対象のすべての側面に関する情報を取得するのに役立ちます。これらのスキャンは、共通の参照システムに取り込まれ、通常アライメントまたは登録と呼ばれるプロセスを経て、完全な 3D モデルを作成するためにマージされる必要があります。単一の範囲マップからモデル全体までのこのプロセス全体は、通常、3D スキャン パイプラインとして知られています。^{[8] [9] [10] [11] [12]}

3Dオブジェクトの形状をデジタルで取得するためのさまざまな技術があります。これらの技術は、光学、音響、レーザースキャン、^[13]レーダー、熱、^[14]地震、^{[15] [16]}など、ほとんどまたはすべての種類のセンサーで機能します。 3Dスキャン技術は、接触型と非接触型の2つのカテゴリに分けられます。非接触ソリューションは、アクティブとパッシブの2つの主要なカテゴリにさらに分けられます。これらのカテゴリのそれぞれに該当するさまざまな技術があります。

接触型 3D スキャナーは、部品を物理的にプローブ (接触) し、プローブが部品の周囲を移動するときにセンサーの位置を記録することによって機能します。

接触型 3D スキャナーには主に 2 つのタイプがあります。

• 座標測定機 (CMM) は、従来、3 つの垂直移動軸と Z 軸に取り付けられたタッチ プローブを備えています。タッチ プローブが部品の周囲を移動すると、各軸のセンサーが位置を記録して XYZ 座標を生成します。最新の CMM は 5 軸システムで、2 つの追加軸はピボット センサー ヘッドによって提供されます。CMM は、ミクロン単位の精度を実現する最も正確な 3D 測定形式です。精度の次に CMM の最大の利点は、自律 (CNC) モードまたは手動プローブ システムとして実行できることです。CMM の欠点は、初期費用と操作に必要な技術知識です。
• 多関節アームは、通常、各関節に極性センサーを備えた複数のセグメントを備えています。CMM と同様に、多関節アームが部品の周りを移動すると、センサーがその位置を記録し、複雑な計算と各関節の手首の回転角度およびヒンジ角度を使用して、アームの端の位置が計算されます。通常、CMM ほど正確ではありませんが、多関節アームは高い精度を実現し、安価で、若干使いやすいです。通常、CNC オプションはありません。

最新の CMM と多関節アームには、タッチプローブの代わりに非接触型レーザースキャナーを取り付けることもできます。

アクティブ スキャナーは、何らかの放射線または光を放射し、その反射または物体を通過する放射線を検出して、物体または環境を調査します。使用される放射の種類には、光、超音波、X 線などがあります。

飛行時間型 3D レーザー スキャナーは、レーザー光を使用して対象をプローブするアクティブ スキャナーです。このタイプのスキャナーの心臓部は、飛行時間型レーザー距離計です。レーザー距離計は、光パルスの往復時間を計測して表面までの距離を検出します。レーザーを使用して光パルスを放射し、反射光が検出器に届くまでの時間を測定します。光の速度はわかっ ているので、往復時間によって光の移動距離が決まり、これはスキャナーと表面の間の距離の 2 倍になります。往復時間が の場合、距離は に等しくなります。飛行時間型 3D レーザー スキャナーの精度は、時間をどれだけ正確に測定できるかによって決まります。光が 1 ミリメートル移動するのにかかる時間は、約 3.3ピコ秒です。 ${\displaystyle c}$${\displaystyle t}$${\displaystyle \textstyle c\!\cdot \!t/2}$${\displaystyle t}$

レーザー距離計は、視野方向の 1 点の距離のみを検出します。したがって、スキャナーは、距離計の視野方向を変更してさまざまな点をスキャンすることにより、視野全体を 1 点ずつスキャンします。レーザー距離計の視野方向は、距離計自体を回転させる、または回転ミラー システムを使用することによって変更できます。後者の方法は、ミラーがはるかに軽量であるため、はるかに高速かつ正確に回転できるため、一般的に使用されています。一般的な飛行時間型 3D レーザー スキャナーは、1 秒あたり 10,000 ～ 100,000 点の距離を測定できます。

飛行時間型デバイスは2D構成でも利用可能であり、これは飛行時間型カメラと呼ばれます。^[17]

三角測量ベースの 3D レーザー スキャナーも、レーザー光を使用して環境をプローブするアクティブ スキャナーです。飛行時間型 3D レーザー スキャナーとは異なり、三角測量レーザーは対象物にレーザーを照射し、カメラを使用してレーザー ドットの位置を探します。レーザーが表面に当たる距離に応じて、レーザー ドットはカメラの視野内のさまざまな場所に表示されます。この手法は、レーザー ドット、カメラ、およびレーザー エミッターが三角形を形成するため、三角測量と呼ばれます。三角形の 1 辺の長さ、カメラとレーザー エミッター間の距離は既知です。レーザー エミッターの角の角度も既知です。カメラの角の角度は、カメラの視野内のレーザー ドットの位置を調べることで判断できます。これらの 3 つの情報によって、三角形の形状とサイズが完全に決まり、三角形のレーザー ドットの角の位置がわかります。^[18]ほとんどの場合、取得プロセスを高速化するために、単一のレーザー ドットではなくレーザー ストライプがオブジェクト全体にスキャンされます。距離を測定するために三角測量法が使われるようになったのは古代に遡ります。

飛行時間型距離計は、数キロメートルの長距離にわたって動作することができます。そのため、これらのスキャナーは、建物や地形などの大きな構造物をスキャンするのに適しています。欠点は、光の速度が速いため、往復時間の測定が難しく、距離測定の精度がミリメートルのオーダーと比較的低いことです。

一方、三角測量距離計は、適度な大きさの装置の場合、通常、測定範囲が数メートルに制限されますが、精度は比較的高いです。三角測量距離計の精度は、数十マイクロメートルのオーダーです。

飛行時間型スキャナの精度は、レーザーが物体の端に当たると失われる場合があります。これは、スキャナに返される情報が 1 つのレーザー パルスに対して 2 つの異なる場所からのものだからです。物体の端に当たった点のスキャナの位置に対する座標は、平均に基づいて計算されるため、その点が間違った場所に置かれます。物体に対して高解像度スキャンを使用すると、ビームが端に当たる可能性が高くなり、結果のデータには物体の端のすぐ後ろにノイズが表示されます。ビーム幅の狭いスキャナを使用すると、この問題は解決できますが、距離が長くなるにつれてビーム幅が広がるため、範囲によって制限されます。ソフトウェアも、レーザー ビームが当たる最初の物体が 2 番目の物体を打ち消すように判断することで役立ちます。

1 秒あたり 10,000 サンプル ポイントの速度では、低解像度のスキャンは 1 秒未満で済みますが、数百万のサンプルを必要とする高解像度のスキャンは、一部の飛行時間型スキャナでは数分かかることがあります。これにより生じる問題は、動きによる歪みです。各ポイントは異なる時間にサンプリングされるため、対象物またはスキャナの動きによって、収集されたデータが歪みます。したがって、通常は対象物とスキャナの両方を安定したプラットフォームに取り付け、振動を最小限に抑える必要があります。これらのスキャナを使用して、動いている物体をスキャンするのは非常に困難です。

最近では、小さな振動による歪み^[19]や動きや回転による歪みを補正する研究が行われています。^[20]

短距離レーザースキャナーは通常、1メートルを超える被写界深度をカバーできません。^[21]一定時間同じ位置でスキャンすると、温度変化によりスキャナーの位置にわずかな動きが生じることがあります。スキャナーが三脚に設置されており、スキャナーの片側に強い日光が当たると、三脚のその側が膨張し、スキャンデータが片側から反対側にかけてゆっくりと歪みます。一部のレーザースキャナーには、スキャン処理中のスキャナーの動きを相殺するためのレベル補正装置が組み込まれています。

コノスコピックシステムでは、レーザービームが表面に投影され、同じ光線経路に沿った即時反射がコノスコピック結晶を通過し、CCDに投影されます。その結果、回折パターンが生成され、これを周波数分析して測定対象の表面までの距離を決定できます。コノスコピックホログラフィーの主な利点は、測定に必要な光線経路が1つだけであるため、たとえば細かくドリルで穴を開けた深さを測定できることです。^[22]

ハンドヘルド レーザー スキャナーは、上記の三角測量メカニズムを使用して 3D 画像を作成します。ハンドヘルド デバイスからレーザー ドットまたはラインがオブジェクトに投影され、センサー (通常は電荷結合デバイスまたは位置感知デバイス) が表面までの距離を測定します。データは内部座標系に関連して収集されるため、スキャナーが動いている場所でデータを収集するには、スキャナーの位置を特定する必要があります。スキャナーの位置は、スキャン対象の表面の参照フィーチャ (通常は粘着性の反射タブですが、研究では自然の特徴も使用されています) ^{[23] [24]}を使用するか、外部追跡方法を使用して特定できます。外部追跡は、多くの場合、レーザー トラッカー(センサーの位置を提供する) と統合カメラ (スキャナーの方向を決定する)、または3 台以上のカメラを使用した写真測量ソリューションの形をとり、スキャナーの完全な6 自由度を提供します。どちらの手法でも、スキャナーに取り付けられた赤外線 発光ダイオードを使用する傾向があり、カメラはこれをフィルターを通して視認し、周囲の照明に対する耐性を提供します。^[25]

データはコンピュータによって収集され、3 次元空間内のデータ ポイントとして記録されます。処理によって、このデータは三角形メッシュに変換され、その後、多くの場合、非均一な有理 B スプラインサーフェスとしてコンピュータ支援設計モデルに変換されます。ハンドヘルド レーザー スキャナは、このデータをパッシブな可視光センサー (表面のテクスチャと色をキャプチャする) と組み合わせて、完全な 3D モデルを構築 (または「リバース エンジニアリング」) できます。

構造化光 3D スキャナーは、被写体に光のパターンを投影し、被写体上のパターンの変形を調べます。パターンは、LCD プロジェクターまたはその他の安定した光源を使用して被写体に投影されます。パターン プロジェクターからわずかにオフセットされたカメラがパターンの形状を調べ、視野内のすべての点の距離を計算します。

構造化光スキャンは今でも非常に活発な研究分野であり、毎年多くの研究論文が発表されています。完全マップは、対応問題を解決し、エラー検出とエラー修正を可能にする構造化光パターンとして有用であることが証明されています。^[26]

構造化光 3D スキャナーの利点は、速度と精度です。構造化光スキャナーは、一度に 1 点ずつスキャンするのではなく、複数の点または視野全体を一度にスキャンします。視野全体をほんの一瞬でスキャンすることで、動きによる歪みの問題が軽減または解消されます。既存のシステムの中には、移動する物体をリアルタイムでスキャンできるものもあります。

デジタルフリンジ投影と位相シフト技術（ある種の構造化光法）を使用したリアルタイムスキャナが開発され、動的に変形可能なオブジェクト（顔の表情など）の高密度の詳細を毎秒40フレームでキャプチャ、再構築、レンダリングできるようになりました。^[27]最近、別のスキャナが開発されました。このシステムにはさまざまなパターンを適用でき、キャプチャとデータ処理のフレームレートは毎秒120フレームを実現します。また、動いている2つの手など、孤立した表面をスキャンすることもできます。^[28]バイナリデフォーカス技術を利用することで、毎秒数百^[29]から数千フレームに達する速度のブレークスルーが達成されました。 ^[30]

変調光 3D スキャナーは、対象物に連続的に変化する光を照射します。通常、光源は正弦波パターンで振幅を単純に循環させます。カメラは反射光を検出し、パターンのシフト量によって光の移動距離を決定します。変調光により、スキャナーはレーザー以外の光源からの光を無視できるため、干渉は発生しません。

コンピュータ断層撮影(CT) は、大量の 2 次元 X 線画像から物体内部の 3 次元画像を生成する医療用画像処理方法です。同様に、磁気共鳴画像法も、コンピュータ断層撮影 (CT) よりも身体のさまざまな軟部組織間のコントラストがはるかに高い別の医療用画像処理技術であり、神経 (脳)、筋骨格、心臓血管、腫瘍 (がん) の画像処理に特に役立ちます。これらの技術は、直接視覚化、操作、または等値面抽出アルゴリズムによって従来の 3D 表面に変換できる個別の 3D ボリューム表現を生成します。

産業用コンピューター断層撮影、マイクロ断層撮影、MRI は医療で最も一般的ですが、非破壊材料試験、リバースエンジニアリング、生物標本や古生物学的標本の調査など、物体やその内部のデジタル表現を取得する他の分野でも使用されています。

パッシブ 3D イメージング ソリューションは、それ自体ではいかなる種類の放射線も放出しませんが、反射された周囲の放射線を検出します。このタイプのソリューションのほとんどは、容易に入手できる周囲の放射線である可視光を検出します。赤外線などの他の種類の放射線も使用できます。パッシブ方式は、ほとんどの場合、特別なハードウェアは必要なく、シンプルなデジタル カメラのみで済むため、非常に安価です。

• 立体視システムでは通常、わずかに離れた2台のビデオカメラが同じシーンを撮影します。各カメラが捉えた画像のわずかな違いを分析することで、画像内の各点の距離を判定することができます。この方法は、人間の立体視と同じ原理に基づいています。^[31]
• 測光システムでは通常、1 台のカメラを使用しますが、さまざまな照明条件下で複数の画像を撮影します。これらの技術では、画像形成モデルを反転して、各ピクセルの表面の向きを復元しようとします。
• シルエット技法では、コントラストのはっきりした背景を背景に、3 次元のオブジェクトの周囲を撮影した一連の写真から作成されたアウトラインを使用します。これらのシルエットは押し出され、交差されて、オブジェクトの視覚的な外殻近似を形成します。これらのアプローチでは、オブジェクトの一部の凹面 (ボウルの内部など) を検出できません。

写真測量は、写真画像の分析に基づいて、物理的なオブジェクトの 3D 形状に関する信頼性の高い情報を提供します。結果として得られる 3D データは通常、3D ポイント クラウド、3D メッシュ、または 3D ポイントとして提供されます。^[32]最新の写真測量ソフトウェア アプリケーションは、3D 再構築のために大量のデジタル画像を自動的に分析しますが、再構築パイプラインの重要なステップである画像内のカメラの 3D 位置をソフトウェアが自動的に決定できない場合は、手動による操作が必要になることがあります。PhotoModeler 、Geodetic Systems、Autodesk ReCap、RealityCapture、Agisoft Metashapeなど、さまざまなソフトウェアパッケージが利用可能です(写真測量ソフトウェアの比較を参照)。

• 近距離写真測量では、通常、固定焦点距離レンズを備えたDSLRなどの手持ちカメラを使用して、3D再構築のためにオブジェクトの画像をキャプチャします。^{[33]被写体には、}建物のファサード、車両、彫刻、岩、靴などの小さなオブジェクトが含まれます。
• カメラアレイは、複数のカメラを同期させて被写体を複数の視点から同時に撮影し、3Dオブジェクトを再構築することで、人やペットなどの生きた物体の3Dポイントクラウドまたはメッシュを生成するために使用できます。^[34]
• 広角写真測量は、360 度カメラなどの広角レンズカメラを使用して、建物の内部や密閉された空間を撮影するために使用できます。
• 航空写真測量は、衛星、商用航空機、またはUAV ドローンによって取得された航空画像を使用して、建物、構造物、地形の画像を収集し、ポイント クラウドまたはメッシュに 3D 再構築します。

ライダーデータと高解像度画像から半自動で建物を抽出することも可能である。この方法でも、場所や物体に向かって物理的に移動することなくモデリングを行うことができる。^[35]航空機搭載ライダーデータからデジタルサーフェスモデル（DSM）を生成し、地面より高い物体をDSMから自動的に検出することができる。建物に関する一般的な知識に基づいて、サイズ、高さ、形状情報などの幾何学的特性を使用して、建物を他の物体から分離する。抽出された建物の輪郭は、直交アルゴリズムを使用して簡略化され、地図品質が向上する。流域分析を実行して、建物の屋根の尾根線を抽出することができる。尾根線と傾斜情報を使用して、建物をタイプごとに分類する。次に、3つのパラメトリック建物モデル（平屋、切妻、寄棟）を使用して建物を再構築する。^[36]

LiDARやその他の地上レーザースキャン技術^[37]は、高さや距離の情報を収集する最も高速で自動化された方法を提供します。建物の高さ測定のためのLIDARまたはレーザーは非常に有望になりつつあります。^[38]航空機搭載LIDARと地上レーザースキャン技術の両方の商用アプリケーションは、建物の高さ抽出のための高速で正確な方法であることが証明されています。建物抽出タスクは、建物の位置、地面の標高、方向、建物のサイズ、屋上の高さなどを決定するために必要です。ほとんどの建物は、一般的な多面体で十分な詳細まで記述されています。つまり、その境界は平面と直線の集合で表すことができます。建物のフットプリントをポリゴンとして表現するなどのさらなる処理は、GISデータベースへのデータ保存に使用されます。

Fruh 氏と Zakhor 氏は、レーザー スキャンと地上レベルおよび鳥瞰図から撮影した画像を使用して、テクスチャ付きの 3D 都市モデルを自動的に作成する方法を紹介します。この方法では、詳細なファサード モデルを補完的な空中モデルに登録してマージします。空中モデリング プロセスでは、地形プロファイルと建物の上部を含む、エリア全体の鳥瞰図を含む 0.5 メートル解像度のモデルが生成されます。地上ベースのモデリング プロセスでは、建物ファサードの詳細なモデルが生成されます。空中レーザー スキャンから取得した DSM を使用して、取得車両の位置を特定し、モンテ カルロ ローカリゼーション (MCL) によって地上ベースのファサードを空中モデルに登録します。最後に、2 つのモデルを異なる解像度でマージして 3D モデルを取得します。

Haala、Brenner、Anders は、航空機搭載レーザー高度計を使用して、高さデータと既存の建物の平面図を組み合わせました。建物の平面図は、地図や計画によるアナログ形式、または 2D GIS によるデジタル形式ですでに取得されていました。このプロジェクトは、これらの異なるタイプの情報を統合して自動データ キャプチャを可能にするために実施されました。その後、このプロジェクトでは、地上画像のマッピングなどのテクスチャ処理によって仮想現実の都市モデルが生成されます。このプロジェクトでは、3D 都市 GIS を迅速に取得できることが実証されました。平面図は、3D 建物再建のためのもう 1 つの非常に重要な情報源であることが証明されました。自動手順の結果と比較して、これらの平面図には人間の解釈によって明確にされた集約情報が含まれているため、より信頼性が高いことが証明されました。このため、平面図により、再建プロジェクトのコストを大幅に削減できます。建物再建に使用できる既存の平面図データの例としては、デジタル地籍図があります。これは、すべての農業地域の境界や既存の建物の平面図を含む、資産の分配に関する情報を提供します。さらに、通りの名前や建物の用途（ガレージ、住宅、オフィスビル、工業ビル、教会など）などの情報がテキスト シンボルの形式で提供されます。現在、デジタル地籍地図は、主に既存の地図や計画をデジタル化して作成された、エリアをカバーするデータベースとして構築されています。

• 地上レーザースキャン装置 (パルスまたは位相装置) + 処理ソフトウェアの価格は、通常 150,000 ユーロから始まります。精度の低い装置 (Trimble VX など) の価格は約 75,000 ユーロです。
• 地上LIDARシステムのコストは約30万ユーロです。
• RC ヘリコプターに搭載された通常の静止カメラを使用するシステム (写真測量) も可能ですが、費用は約 25,000 ユーロです。バルーンに静止カメラを使用するシステムはさらに安価 (約 2,500 ユーロ) ですが、追加の手動処理が必要です。手動処理には、写真を撮る毎日の作業に約 1 か月の労力がかかるため、長期的には依然として高価なソリューションです。
• 衛星画像の入手も費用のかかる作業です。高解像度のステレオ画像（0.5m解像度）は約11,000ユーロかかります。画像衛星にはQuikbird、Ikonosなどがあります。高解像度のモノスコピック画像は約5,500ユーロかかります。やや解像度の低い画像（例：CORONA衛星、解像度2m）は2枚あたり約1,000ユーロかかります。Google Earthの画像は解像度が低すぎるため、正確な3Dモデルを作成できないことに注意してください。^[39]

3D スキャナーと 3D イメージングによって生成された点群は、建築および建設業界での測定と視覚化に直接使用できます。

ただし、ほとんどのアプリケーションでは、代わりにポリゴン 3D モデル、NURBSサーフェス モデル、または編集可能なフィーチャベースの CAD モデル (ソリッド モデルとも呼ばれます) が使用されます。

• ポリゴン メッシュモデル: 形状のポリゴン表現では、曲面は多数の小さなファセット平面としてモデル化されます (球体をミラー ボールとしてモデル化することを考えてください)。ポリゴン モデル (メッシュ モデルとも呼ばれます) は、視覚化や一部のCAM (機械加工など) に役立ちますが、一般的に「重い」(つまり、非常に大きなデータ セット) であり、この形式では比較的編集しにくいです。ポリゴン モデルへの再構築には、連続した表面を作成するために、隣接する点を見つけて直線で接続することが含まれます。この目的には、無料および有料の多くのアプリケーションが利用できます (例: GigaMesh、MeshLab、PointCab、kubit PointCloud for AutoCAD、Reconstructor、imagemodel、PolyWorks、Rapidform、Geomagic、Imageware、Rhino 3Dなど)。
• サーフェス モデル: モデリングの次の高度なレベルは、曲面パッチのキルトを使用して形状をモデル化することです。これらは、NURBS、TSplines、または曲線トポロジの他の曲線表現である可能性があります。NURBS を使用すると、球形が真の数学的球になります。一部のアプリケーションでは手動でパッチ レイアウトを行うことができますが、クラス最高のアプリケーションでは、自動パッチ レイアウトと手動レイアウトの両方を提供しています。これらのパッチには、CAD にエクスポートしたときに軽量で操作しやすいという利点があります。サーフェス モデルはある程度編集可能ですが、押したり引いたりして表面を変形させる彫刻的な意味でのみ編集可能です。この表現は、有機的で芸術的な形状のモデリングに適しています。サーフェス モデラーのプロバイダーには、Rapidform、Geomagic、Rhino 3D、Maya、T Splines などがあります。
• ソリッド CAD モデル: エンジニアリング/製造の観点から見ると、デジタル化された形状の究極の表現は、編集可能なパラメトリック CAD モデルです。CAD では、球体はパラメトリック フィーチャによって記述され、値 (中心点や半径など) を変更することで簡単に編集できます。

これらの CAD モデルは、単にオブジェクトの外形や形状を記述するだけでなく、「設計意図」(重要な機能と他の機能との関係) も具体化します。形状だけでは明らかでない設計意図の例としては、ブレーキ ドラムのラグ ボルトが挙げられます。このボルトは、ドラムの中心の穴と同心円上になければなりません。この知識によって、CAD モデルを作成する順序と方法が決定されます。この関係を認識している設計者は、ラグ ボルトを外径ではなく中心を基準にして設計します。CAD モデルを作成するモデラーは、完全な CAD モデルに形状と設計意図の両方を含める必要があります。

ベンダーは、パラメトリック CAD モデルを取得するためのさまざまなアプローチを提供しています。NURBS サーフェスをエクスポートし、CAD 設計者に CAD でのモデル完成を任せるベンダーもあります (例: Geomagic、Imageware、Rhino 3D )。スキャン データを使用して編集可能で検証可能なフィーチャ ベースのモデルを作成し、完全なフィーチャ ツリーをそのまま CAD にインポートして、形状と設計意図の両方を捉えた完全なネイティブ CAD モデルを作成するベンダーもあります (例: Geomagic、Rapidform )。たとえば、市場では SolidWorks などの定評のある CAD プログラム用のさまざまなプラグインが提供されています。Xtract3D、DezignWorks、Geomagic for SolidWorks を使用すると、3D スキャンをSolidWorks内で直接操作できます。さらに他の CAD アプリケーションは、CAD 環境内で限られたポイントまたはポリゴン モデルを操作できるほど堅牢です (例: CATIA、AutoCAD、Revit )。

CT、産業用 CT、MRI、またはマイクロ CTスキャナーは、ポイント クラウドではなく、一連の 2D スライス (それぞれ「断層画像」と呼ばれます) を生成し、それらを「積み重ねて」3D 表現を生成します。必要な出力に応じて、これを行う方法はいくつかあります。

• ボリューム レンダリング: オブジェクトのさまざまな部分には、通常、異なるしきい値またはグレースケールの密度があります。これにより、3 次元モデルを構築して画面に表示できます。さまざまなしきい値から複数のモデルを構築できるため、オブジェクトの各コンポーネントを異なる色で表すことができます。ボリューム レンダリングは通常、スキャンされたオブジェクトの視覚化にのみ使用されます。
• 画像セグメンテーション: 異なる構造が同様のしきい値/グレースケール値を持つ場合、ボリューム レンダリング パラメータを調整するだけではそれらを分離できなくなる可能性があります。このソリューションはセグメンテーションと呼ばれ、画像から不要な構造を削除できる手動または自動の手順です。画像セグメンテーション ソフトウェアでは通常、セグメント化された構造を CAD または STL 形式でエクスポートして、さらに操作することができます。
• 画像ベースのメッシュ作成: 3D 画像データを計算解析 (CFD や FEA など) に使用する場合、CAD からデータを単純にセグメント化してメッシュを作成するだけでは時間がかかり、画像データに特有の複雑なトポロジーでは事実上扱いにくくなります。このソリューションは画像ベースのメッシュ作成と呼ばれ、スキャン データの正確でリアルな幾何学的記述を生成する自動プロセスです。

レーザースキャンとは、レーザー技術を使用して表面をサンプリングまたはスキャンする一般的な方法です。使用されるレーザーの出力とスキャンプロセスの結果が主として異なるいくつかのアプリケーション領域があります。スキャンされた表面に影響を与える必要がない場合、たとえばデジタル化のみが必要な場合、低レーザー出力が使用されます。共焦点または3Dレーザースキャンは、スキャンされた表面に関する情報を取得する方法です。別の低出力アプリケーションでは、太陽電池の平坦度計測に構造化光投影システムを使用し、 ^[40] 1 時間あたり 2000 枚を超えるウェーハ全体の応力計算を可能にします。 ^[41]

産業用途のレーザー スキャン装置に使用されるレーザー出力は、通常 1W 未満です。出力レベルは通常 200 mW 以下ですが、それ以上になることもあります。

3D データの取得とオブジェクトの再構築は、ステレオ画像ペアを使用して実行できます。ステレオ写真測量法または重なり合った画像のブロックに基づく写真測量は、2D 画像を使用した 3D マッピングとオブジェクトの再構築の主なアプローチです。近距離写真測量法も成熟しており、カメラまたはデジタルカメラを使用して、建物などのオブジェクトの近景画像をキャプチャし、航空写真測量法とまったく同じ理論を使用して再構築することができます。これを実行できるソフトウェアの例としては、Vexcel FotoG 5があります。 ^{[42] [43]このソフトウェアは現在、Vexcel} GeoSynthに置き換えられています。^[44]同様のソフトウェアプログラムには、Microsoft Photosynthもあります。^{[45] [46]}

Sisi Zlatanovaは、2D 空中ステレオ画像から 3D の位相構造データを取得する半自動的な方法を発表しました。^[47]このプロセスでは、3D オブジェクトを自動的に再構築するために必要な多数のポイントを手動でデジタル化します。再構築された各オブジェクトは、ステレオ モデルにワイヤー フレーム グラフィックスを重ね合わせることで検証されます。位相構造化された 3D データはデータベースに保存され、オブジェクトの視覚化にも使用されます。2D 画像を使用して 3D データを取得するために使用される著名なソフトウェアには、たとえばAgisoft Metashape、^[48] RealityCapture、^[49]および ENSAIS Engineering College TIPHON (Traitement d'Image et PHOtogrammétrie Numérique) があります。^[50]

フランツ・ロッテンシュタイナーは、半自動の建物抽出方法と、地形情報システム内の地形やその他の地形データと一緒に建物モデルを保存する概念を開発した。彼のアプローチは、ハイブリッドモデリングスキームを適用した写真測量プロセスに建物パラメータ推定を統合することに基づいていた。建物は、個別に再構築された一連の単純なプリミティブに分解され、その後ブール演算子によって結合される。プリミティブと複合建物モデルの両方の内部データ構造は、境界表現方法に基づいている^{[51] [52]}

^{張氏による[53]}の複数画像から表面を再構築するアプローチでは、複数の画像が使用されます。中心的なアイデアは、3Dステレオデータと2Dキャリブレーション済み画像の両方の統合を検討することです。このアプローチは、複数の画像の幾何学的精査を通過した堅牢で正確な特徴点のみが空間で再構築されるという事実に基づいています。密度の不足とステレオデータの避けられない穴は、複数の画像からの情報を使用して埋める必要があります。アイデアは、最初にステレオポイントから小さな表面パッチを作成し、次にベストファースト戦略を使用して、画像からその近傍の信頼できるパッチのみを表面全体に徐々に伝播することです。したがって、問題は、画像からの特定のステレオポイントセットを通過する最適なローカル表面パッチを検索することに帰着します。

マルチスペクトル画像は3D建物検出にも使用されます。このプロセスでは、最初と最後のパルスデータと正規化された植生指数の差が使用されます。^[54]

また、投影や影、あるいはそれらの組み合わせを使用して、単一の画像から物体の寸法や物体間の寸法を取得する新しい測定技術も採用されています。この技術は、処理時間が速く、ステレオ測定よりもはるかに低コストであることから注目を集めています。^{[引用が必要]}

3Dスキャン技術は欧州宇宙機関の宇宙岩石のスキャンに使用されている。^{[55] [56]}

• ロボット制御：例えばレーザースキャナはロボットの「目」として機能する可能性がある。^{[57] [58]}
• 橋梁、工場、記念碑の竣工図
• 史跡の記録^[59]
• 敷地のモデリングとレイアウト
• 品質管理
• 数量調査
• ペイロード監視^[60]
• 高速道路の再設計
• 地震、船舶/トラックの衝突、火災などの極端な負荷にさらされることによって生じる構造変化を検出するために、既存の形状/状態のベンチマークを確立します。
• GIS（地理情報システム）マップ^[61]とジオマティクスを作成する。
• 鉱山やカルスト地形における地下レーザースキャン^[62]
• 法医学的文書^[63]

• 複雑な部品や形状を扱う際の精度の向上、
• 複数のソースからの部品を使用した製品設計の調整、
• 古いCDスキャンを最新の技術で更新する
• 紛失した部品や古くなった部品の交換、
• 自動車製造工場などの現状設計サービスを可能にすることでコスト削減を実現
• ウェブ共有スキャンで「プラントをエンジニアに届ける」
• 旅費の節約。

3Dスキャナーは、映画、ビデオゲーム、レジャー目的でデジタル3Dモデルを作成するためにエンターテイメント業界で使用されています。 ^[64]バーチャルシネマトグラフィーでは頻繁に使用されています。モデルと同等のものが現実世界に存在する場合、3Dモデリングソフトウェアを使用して手動でモデルを作成するよりも、現実世界のオブジェクトをスキャンする方がはるかに高速です。多くの場合、アーティストはコンピューター上で直接デジタルモデルを作成するのではなく、欲しいものの物理モデルを彫刻し、それをデジタル形式にスキャンします。

3Dスキャナーは、カメラを使用して3Dオブジェクトを正確に表現するために進化しています。^[65] 2010年以降、人物の3Dポートレート（3Dフィギュアまたは3Dセルフィー）を作成する企業が登場しています。

マドリードのレストランチェーン80 Degreesの拡張現実メニュー^[66]

3Dレーザースキャンは世界中の法執行機関で使用されています。3Dモデルは現場での記録に使用されます。^[67]

• 犯罪現場
• 弾丸の軌道
• 血痕パターン分析
• 事故再現
• 爆撃
• 飛行機墜落事故など

機械部品のリバースエンジニアリングには、再現するオブジェクトの正確なデジタルモデルが必要です。正確なデジタルモデルは、点の集合ではなく、ポリゴンメッシュ、平面または曲面のNURBSサーフェスの集合、または機械部品に最適な CAD ソリッドモデルで表現できます。3D スキャナーは、自由形状または徐々に形状が変化する部品や角柱形状をデジタル化するために使用できますが、座標測定機は通常、非常に角柱形状のモデルの単純な寸法を決定するためにのみ使用されます。これらのデータポイントは、通常は専用のリバースエンジニアリングソフトウェアを使用して処理され、使用可能なデジタルモデルが作成されます。

土地や建物を3Dモデルにスキャンすると、購入者は物件にいなくても、どこからでも遠隔で物件を​​見学したり検査したりすることができます。^{[68] 3D}スキャンによるバーチャル不動産ツアーを提供している会社が少なくとも1社あります。^[69]典型的なバーチャルツアーは、ドールハウスビュー、 ^[70]内部ビュー、およびフロアプラン で構成されます。

興味のある場所の環境をキャプチャして3Dモデルに変換することができます。このモデルは、VRインターフェースまたは従来の「2D」インターフェースを介して一般の人が探索できます。これにより、ユーザーは移動に不便な場所を探索できます。^[71]バンクーバーiTech予備中学校の歴史学の学生グループは、100を超える遺物を3Dスキャンして仮想博物館を作成しました。^[72]

文書化と分析の目的で、歴史的な遺跡や遺物をスキャンする研究プロジェクトは数多く行われてきました。^[73]得られたモデルは、さまざまな分析アプローチに使用できます。^{[74] [75]}

3Dスキャンと3Dプリント技術を組み合わせて使用​​することで、伝統的な石膏鋳造技術を使用せずに実物の複製が可能になります。伝統的な石膏鋳造技術は、多くの場合、貴重または繊細な文化遺産の遺物に対して実行するには侵襲性が高すぎる可能性があります。^[76]典型的な応用シナリオの例として、ガーゴイルモデルを3Dスキャナーを使用してデジタルで取得し、生成された3DデータをMeshLabを使用して処理しました。結果として得られたデジタル3Dモデルは、ラピッドプロトタイピングマシンに送られ、元のオブジェクトの実際の樹脂レプリカが作成されました。

博物館や考古学遺物の3Dモデルの作成^{[77] [78] [79]}

1999年、2つの異なる研究グループがミケランジェロの彫像のスキャンを開始した。スタンフォード大学のマーク・レヴォイ率いるグループ^[80]は、サイバーウェア社製のカスタムレーザー三角測量スキャナを使用して、フィレンツェのミケランジェロの彫像、特にダビデ像、プリジョーニ像、メディチ礼拝堂の4体の彫像をスキャンした。スキャンでは、ミケランジェロの彫刻の跡が確認できるほど詳細な、0.25mmあたり1サンプルのデータポイント密度が得られた。これらの詳細なスキャンでは、大量のデータ（最大32ギガバイト）が生成され、スキャンからのデータ処理には5か月かかった。ほぼ同じ時期に、H.ラッシュマイヤーとF.ベルナルディーニ率いるIBMの研究グループがフィレンツェのピエタをスキャンし、幾何学的および色彩的詳細の両方を取得した。スタンフォードのスキャンキャンペーンの成果であるデジタルモデルは、2004年に行われた彫像の修復に徹底的に使用された。^[81]

2002年、デイビッド・ルーブケらはトーマス・ジェファーソンのモンティチェロをスキャンした。^[82]市販の飛行時間型レーザースキャナであるDeltaSphere 3000が使用された。スキャナのデータは後にデジタル写真のカラーデータと組み合わされ、2003年にニューオーリンズ美術館でバーチャルモンティチェロとジェファーソンズキャビネットの展示が作成された。バーチャルモンティチェロの展示はジェファーソンの図書館を覗く窓をシミュレートした。この展示は壁のリアプロジェクションディスプレイと鑑賞者用のステレオグラスで構成されていた。このグラスは偏光プロジェクターと組み合わせることで3D効果を生み出した。グラスの位置追跡ハードウェアにより鑑賞者が動き回るとディスプレイが適応し、ディスプレイが実際には壁に開いた穴からジェファーソンの図書館を覗いているかのような錯覚を生み出した。ジェファーソンズキャビネットの展示はジェファーソンズキャビネットのバリアステレオグラム（基本的には角度によって異なって見える非アクティブホログラム）だった。

楔形文字板の最初の3Dモデルは2000年にドイツで取得されました。^[83] 2003年にいわゆるデジタルハンムラビプロジェクトは、解像度0.025 mm（0.00098インチ）の規則的なグリッドパターンを使用したレーザー三角測量スキャナーで楔形文字板を取得しました。^[84] 2009年にハイデルベルク大学が高解像度の3Dスキャナーを使用して板を取得し、3Dモデルから楔形文字を視覚化して抽出するGigaMeshソフトウェアフレームワークの開発が始まりました。 ^[85]これは、イエナのヒルプレヒトコレクションの約2,000の3Dデジタル化された板を処理して、オープンアクセスのベンチマークデータセット^[86]と、 CC BYライセンスの下で自由に利用できる板の3Dモデルの注釈付きコレクション^[87]を作成するために使用されました。^[88]

2009年にCyArkが実施した、ユネスコ世界遺産に登録されているウガンダの歴史的なカスビ墓所での3Dスキャンプロジェクトでは、ライカHDS 4500を使用して、ウガンダのカバカス（王）の墓所と複合施設の主要な建物であるムジブ・アザーラ・ムパンガの詳細な建築モデルを作成しました。2010年3月16日の火災でムジブ・アザーラ・ムパンガの建物の大部分が焼失したため、再建作業では3Dスキャンミッションで作成されたデータセットに大きく依存することになりそうです。^[89]

2005 年、ガブリエーレ・グイディらは、前世紀に作られたローマの模型「古代ローマのプラスチック」^[90]をスキャンしました。スキャン対象物が大きく、細部まで細かく描かれていたため、三角測量法も飛行時間法もこのプロジェクトの要件を満たしませんでした。しかし、変調光スキャナは、模型と同じ大きさの物体をスキャンする能力と必要な精度の両方を提供できることがわかりました。変調光スキャナは、模型の一部をスキャンするために使用された三角測量スキャナによって補完されました。

ペトリーエジプト考古学博物館の3Dエンカウンタープロジェクトは、3Dレーザースキャンを使用して遺物の高品質の3D画像ライブラリを作成し、壊れやすいエジプトの遺物のデジタル移動展示を可能にすることを目指しています。イングリッシュヘリテージは、考古学データと状態データを取得するために幅広いアプリケーションで3Dレーザースキャンの使用を調査し、リバプールの国立保存センターも委託を受けて、ポータブルオブジェクトと考古学遺跡の現場スキャンを含む3Dレーザースキャンを制作しました。^[91]スミソニアン協会には、スキャンしようとしている3Dオブジェクトの種類の幅広さで知られるスミソニアンX 3Dと呼ばれるプロジェクトがあります。これらには、昆虫や花などの小さなオブジェクトから、アメリアイアハートの飛行服などの人間サイズのもの、ガンボートフィラデルフィアなどの部屋サイズのオブジェクト、インドネシアのリャンブアなどの歴史的遺跡までが含まれます。また注目すべきは、これらのスキャンから得られたデータは無料で一般に公開されており、いくつかのデータ形式でダウンロードできるということです。

3Dスキャナーは、矯正器具や歯科治療において患者の3D形状をキャプチャするために使用されています。これは、面倒な石膏型に徐々に取って代わりつつあります。その後、CAD/CAMソフトウェアを使用して、矯正器具、義肢^[92]、または歯科インプラントを設計および製造します。

多くのチェアサイド歯科 CAD/CAM システムおよび歯科技工所 CAD/CAM システムは、3D スキャナー技術を使用して、歯科準備物 (生体内または生体外) の 3D 表面をキャプチャし、CAD ソフトウェアを使用してデジタルで修復物を作成し、最終的に CAM 技術 (CNC ミリング マシン、3D プリンターなど) を使用して最終的な修復物を作成します。チェアサイド システムは、生体内での準備物の 3D スキャンを容易にし、修復物 (クラウン、オンレー、インレー、ベニアなど) を作成するように設計されています。

解剖学や生物学の教育のための3Dモデル^{[93] [94]}と教育用脳神経外科シミュレーションのための死体モデル^[95]の作成。

現実世界のオブジェクトのデジタル化は、さまざまなアプリケーション領域で極めて重要です。この方法は、特に工業品質保証において、幾何学的寸法の精度を測定するために使用されます。組み立てなどの工業プロセスは複雑で、高度に自動化されており、通常は CAD (コンピュータ支援設計) データに基づいています。問題は、品質保証にも同程度の自動化が必要であることです。たとえば、現代の自動車を組み立てるのは非常に複雑な作業です。自動車は多くの部品で構成されており、生産ラインの最後でそれらを組み立てる必要があるためです。このプロセスの最適なパフォーマンスは、品質保証システムによって保証されます。特に金属部品の形状をチェックして、寸法が正しいこと、互いに適合していること、最終的に確実に機能することを保証する必要があります。

高度に自動化されたプロセスでは、得られた幾何学的測定値が目的の物体を製造する機械に転送されます。機械的な不確実性や摩耗により、結果がデジタル公称値と異なる場合があります。これらの偏差を自動的に捕捉して評価するには、製造された部品もデジタル化する必要があります。この目的のために、3Dスキャナーを使用して物体の表面から点サンプルを生成し、最終的に公称データと比較します。^[96]

3D データを CAD モデルと比較するプロセスは CAD 比較と呼ばれ、金型やツールの摩耗パターンの判定、最終ビルドの精度の判定、ギャップとフラッシュの分析、非常に複雑な彫刻面の分析などの用途に役立つ手法です。現在、レーザー三角測量スキャナ、構造化光、接触スキャンが産業用途で使用されている主な技術であり、接触スキャンは最も遅いものの、全体的に最も正確なオプションです。それでも、3D スキャン技術は従来のタッチプローブ測定と比較して明確な利点があります。白色光またはレーザースキャナは、参照点やスプレーなしで細かい詳細や自由曲面をキャプチャし、オブジェクト全体を正確にデジタル化します。部品を損傷するリスクなしに、表面全体を記録的な速度でカバーします。グラフィック比較チャートは、オブジェクト全体の幾何学的偏差を示し、潜在的な原因に対するより深い洞察を提供します。^{[97] [98]}

データが収集された後、画像やセンサーから取得された（場合によってはすでに処理された）データを再構築する必要があります。これは同じプログラムで行うことができますが、場合によっては、3Dデータをエクスポートして別のプログラムにインポートし、さらに精製したり、追加データを追加したりする必要があります。このような追加データは、GPS位置データである可能性があります。再構築後、データはローカル（GIS）マップ^{[99] [100]または}Google EarthやApple Mapsなどの世界地図に直接実装される場合があります。

画像やセンサーから取得した（場合によってはすでに処理済みの）データをインポートするソフトウェアパッケージがいくつかある。注目すべきソフトウェアパッケージには以下のものがある：^[101]

• クロン
• 3DFゼファー
• カノマ
• ライカ写真測量スイート
• メッシュラボ
• MountainsMap SEM (顕微鏡アプリケーションのみ)
• フォトモデラー
• スケッチアップ
• トムヴィズ

• 3Dコンピュータグラフィックスソフトウェア
• 3Dプリント
• 3D再構築
• 3Dセルフィー
• 角度感知ピクセル
• 深度マップ
• デジタル化
• エピポーラ幾何学
• 全身スキャナー
• 画像スキャナ
• 画像再構成
• ライトフィールドカメラ
• 写真測量
• レンジイメージング
• リモートセンシング
• レプリケーター
• 構造化光3Dスキャナー
• シングバース