構造化光3Dスキャナー

縞模様を生成する主要な方法として、レーザー干渉法と投影法の2つが確立されている。

レーザー干渉法は、 2つの幅広の平面レーザービーム面を利用します。これらのビームが干渉することで、規則的で等間隔の線状パターンが生成されます。ビーム間の角度を変えることで、異なるサイズのパターンが得られます。この方法により、被写界深度に制限のない非常に微細なパターンを正確かつ容易に生成できます。欠点としては、実装コストが高いこと、理想的なビーム形状を実現するのが難しいこと、スペックルノイズや物体からの反射光による自己干渉など、レーザー特有の影響が生じる可能性があることが挙げられます。また、グレイコードのように個々のストライプを変調する手段は通常ありません。

投影方式は非干渉光を使用し、基本的にはビデオプロジェクターと同様の仕組みで動作します。パターンは通常、デジタル空間光変調器に光を通すことで生成されます。この変調器は、現在最も普及している3つのデジタル投影技術、すなわち透過型液晶、シリコン基板反射型液晶（LCOS）、またはデジタル光処理（DLP、可動マイクロミラー）変調器のいずれかに基づいています。これらの変調器は、この用途においてそれぞれ異なる長所と短所を持っています。ただし、他の投影方式も使用可能であり、実際に使用されています。

デジタルディスプレイプロジェクターによって生成されるパターンには、ディスプレイの画素境界に起因する小さな不連続性があります。しかし、十分に小さな境界であれば、わずかな焦点ずれによって均一化されるため、実際には無視できます。

一般的な測定装置は、プロジェクター1台とカメラ少なくとも1台で構成される。多くの用途において、プロジェクターの両側にカメラを2台設置することが有効であることが確立されている。

不可視（または知覚不能）構造化光は、投影されたパターンが混乱を招くような他のコンピュータビジョンタスクに干渉することなく構造化光を使用します。例としては、赤外線を使用したり、2つの完全に反対のパターンを交互に非常に高いフレームレートで使用したりする方法があります。^{[ 2 ]}

光学系や遠近法による幾何学的歪みは、専用の校正パターンや表面を用いて測定機器を校正することで補正する必要があります。プロジェクターやカメラの結像特性を記述するために、数学モデルが使用されます。このモデルは、基本的にピンホールカメラの単純な幾何学的特性に基づいており、プロジェクターやカメラレンズの幾何学的歪みや光学収差も考慮する必要があります。カメラのパラメータや空間におけるカメラの向きは、写真測量によるバンドル調整を用いた一連の校正測定によって決定できます。

観察された縞模様には、奥行きに関するいくつかの手がかりが含まれています。個々の縞の変位は、直接3D座標に変換できます。そのためには、個々の縞を識別する必要があり、これは例えば、縞をトレースしたり、数えたりすることによって実現できます（パターン認識法）。別の一般的な方法としては、交互に縞模様を投影し、物体に当たった個々の縞の数を識別するバイナリグレイコードシーケンスを生成する方法があります。物体の表面に沿って縞の幅が変化することも、重要な奥行きの手がかりとなります。縞の幅は、表面部分の傾斜、つまり標高の1階微分によって決まります。縞の周波数と位相も同様の手がかりを提供し、フーリエ変換によって解析できます。最後に、最近では、同じ目的でウェーブレット変換が議論されています。

多くの実用的な実装では、形状を完全かつ明確に再構成するために、パターン認識、グレイコード、フーリエ変換を組み合わせた一連の測定値が取得される。

フリンジ投影の分野に属する別の方法として、カメラの被写界深度を利用した方法が実証されている。^{[ 3 ]}

また、投影されたパターンを主にシーンへの構造挿入手段として使用し、本質的には写真測量的な取得を行うことも可能である。

干渉縞投影法の光学分解能は、使用する縞の幅とその光学品質に依存する。また、光の波長によっても制限される。

ストライプ幅を極端に狭めると、被写界深度、カメラ解像度、ディスプレイ解像度の制限により非効率的になります。そのため、位相シフト法が広く用いられています。この方法では、わずかにずらしたストライプで、少なくとも3枚、通常は約10枚の画像を撮影します。この方法の最初の理論的考察は、正弦波状の強度変調を持つストライプに基づいていましたが、LCDやDLPディスプレイから出力されるような「矩形」変調ストライプにも適用可能です。位相シフトにより、例えばストライプピッチの1/10程度の表面ディテールを解像することができます。

現在の光学ストライプパターンプロファイリングでは、光の波長までの詳細解像度、つまり実際には1マイクロメートル以下、あるいはより大きなストライプパターンではストライプ幅の約1/10までの解像度を実現できます。レベル精度に関しては、取得したカメラ画像の複数のピクセルを補間することで、1/50ピクセルまでの信頼性の高い高さ解像度と精度が得られます。

適切な大きさの縞模様と装置を用いることで、任意の大きさの物体を測定することが可能です。数メートルもの大きさの物体を対象とした実用的な応用例も報告されています。

一般的な精度数値は以下のとおりです。

• 幅2フィート（0.61m ）の表面の平面度、 10マイクロメートル（0.00039インチ）まで。  
• モーター燃焼室の形状を2マイクロメートル（7.9 × 10 ⁻⁵インチ） （高さ）の精度で制御でき、体積測定による計量よりも10倍優れた体積精度を実現しました。 
• 大きさ2インチ（51mm）の物体の形状を約1マイクロメートル（3.9 × 10⁻⁵インチ）まで測定^可能  
• 刃先半径は、例えば10マイクロメートル（0.00039インチ）から±0.4μmまで。 

この方法では一度に1つの視点からしか形状を測定できないため、完全な3D形状は、異なる角度からの複数の測定値を組み合わせる必要があります。これは、対象物にマーカーポイントを取り付け、後からこれらのマーカーを一致させることで実現できます。このプロセスは、ロボット検査セルの電動ターンテーブルやCNC位置決め装置に対象物を取り付けることで自動化できます。マーカーは、対象物自体ではなく、位置決め装置に取り付けることも可能です。

収集された3Dデータは、既存の部品（リバースエンジニアリング）、手作りのサンプルや彫刻、自然物や工芸品からCAD（コンピュータ支援設計）データやモデルを取得するために使用できます。

すべての光学的方法と同様に、反射面や透明な面は困難を引き起こします。反射により、光はカメラから遠ざかるか、カメラの光学系に直接反射されます。どちらの場合も、カメラのダイナミックレンジを超える可能性があります。透明または半透明の表面も大きな困難を引き起こします。このような場合、測定目的のためだけに表面に薄い不透明なラッカーを塗布するのが一般的な方法です。最近の方法では、光源（プロジェクターなど）とスキャン対象物の間に1次元拡散板を挿入することで、反射率が高く鏡面反射する物体を処理します。^{[ 4 ]}完全に透明で鏡面反射する物体を処理するための代替光学技術が提案されています。^{[ 5 ]}

二重反射や相互反射によってストライプパターンに不要な光が重なり、適切な検出が不可能になることがあります。そのため、反射性の空洞や凹面物体は扱いが困難です。また、表面下散乱現象のため、皮膚、大理石、ワックス、植物、人体組織などの半透明材料も扱いが困難です。近年、コンピュータビジョン分野では、照明パターンを再設計することで、このような光学的に複雑なシーンを扱おうとする取り組みが行われています。^{[ 6 ]}これらの手法は、鏡面反射率の高い金属の凹面や半透明のワックスキャンドルなど、従来は扱いが困難だった物体に対して有望な3Dスキャン結果を示しています。^{[ 7 ]}

ほとんどの構造化光方式では、1枚の画像につき複数のパターンを撮影する必要があるが、例えば以下のような多くの用途向けに高速実装が利用可能である。

• 製造工程における部品のインライン精密検査。
• 医療分野への応用例としては、人体の形状や皮膚の微細構造をリアルタイムで計測することなどが挙げられる。

映画への応用例としては、例えば3次元テレビのための空間シーンデータの取得などが提案されている。