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3Dスキャナーとは？原理や仕組み、活用事例をわかりやすく解説

 

近年、3Dプリンターが多くの業界で普及する中で、3Dスキャナーも次第に注目を集めています。しかし、3Dプリンターと比較して、3Dスキャナーの情報は十分に広まっていないのが現状です。

そこで、この記事では3Dスキャナーの基本原理や仕組み、対象物の3Dスキャンから点群データへ変換されるまでの流れを動画と画像を用いてわかりやすく解説します。さらに、取得した点群データのさまざまな活用事例についても紹介します。

最後まで読むことで、3Dスキャナーに関する理解が深まると思いますので、是非最後までご覧ください。

3Dスキャナーの基本原理とは？｜3Dプリンターとの関係性

まず初めに、3Dスキャナーの基本原理について、3Dプリンターと比較しながら解説してから、接触式と非接触式3Dスキャナーの特徴やメリット・デメリットについてご紹介します。

3Dスキャナーは「モノからデータへの変換装置」であり、3Dプリンターは「データからモノへの変換装置」を指します。3Dスキャナーは対象物にレーザーを照射し、立体的な形状を取得してデジタルデータ（3Dデータ）に変換するデジタル工作機器です。

3Dスキャナーと3Dプリンターの関係
3Dスキャナーと3Dプリンターの関係

3Dスキャナーには、対象物に直接センサーを接触させて測定するものや、対象物に接触せずに測定するハンディタイプなど、様々な種類があります。測定方法は各方式で異なりますが、対象物をスキャンして3Dデータを取得するという仕組みは共通しています。

接触式と非接触式：3Dスキャナーの種類

3Dスキャナーは、主に接触式3Dスキャナーと非接触式3Dスキャナーの2つのカテゴリーに分類されます。それぞれのカテゴリーには、さらに複数の3Dスキャナーが存在し、それぞれ独自の特徴があります。以下の表は、それぞれの種類の3Dスキャナーとその特徴をまとめたものです。

 

タイプ カテゴリー 特徴
接触式3Dスキャナー アーム式 可動式のアームにセンサーやプローブが取り付けられており、精密な測定が可能で、品質管理や検査業務に利用されています。
CMM 固定式の測定機で、高い精度で測定が可能。大型で高価なため、主に製造業や品質管理の分野で利用されています。
非接触式3Dスキャナー 据え置きタイプ 定点での計測に適しており、精度が高いが、位置や角度が変えられないデメリットがあります。
ハンディタイプ 狭い場所や構造物の裏側など測定が困難な場所でも使用できる、手振れが起こり、据え置きタイプと比べると精度が劣る。

接触式3Dスキャナー

接触式3Dスキャナーは、「アーム式」と「CMM」、この2種類に大別されます。

アーム式：アーム式3Dスキャナーは、可動式のアームにセンサーまたはプローブが取り付けられており、アームを操作して対象物に接触させることで、物体の表面上の三次元座標を測定します。精密な測定が可能であり、製造業や品質管理で広く利用されています。

 

CMM：CMMは固定式の機械で、センサーまたはプローブが取り付けられた移動可能なアームを使用して対象物に接触させ、物体の三次元座標を計測します。アーム式に比べて大型で高価ですが、非常に高い精度で測定が可能で、製造業や品質管理で広く使われています。対象物に直接センサーやプローブ(測定機の先端部)を接触させて形状や寸法を取得します。

非接触式3Dスキャナーと比べて精度が高い一方で、プローブが入り込めない複雑な形状や狭いエリアの測定が困難です。それゆえ、大きな対象物や複雑な形状の物体は測定することが難しいことがあります。

 

非接触式3Dスキャナー

ハンディタイプの3Dスキャナー

非接触式3Dスキャナーは、様々な種類があるのですが、ここでは使用方法や形状に関する「据え置きタイプ」と「ハンディータイプ」の2種類に分類されます。

据え置きタイプ：据え置きタイプは人物や人の流れを定点で計測する時に用いられています。その他にも、アパレル業界では全身を3Dスキャンしてその人に合った洋服を提供するサービスに利用されています。特徴としては、ハンディタイプと比較して精度が高いメリットがある反面、固定の位置で計測するため位置や角度が変えられないデメリットもあります。

 

ハンディタイプ ：ハンディ型3Dスキャナーはレーザーや光を使って物体の表面をスキャンし、そのスキャンデータを三次元の点群データに変換します。据え置きタイプと異なり、狭い場所や構造物の裏側など測定が困難な場合でも小回りが効くため、構造物の隅々まで計測できるのがメリットです。デメリットとして、手持ちで測定するため、手振れが起こり、据え置きタイプと比べると精度が劣ることが挙げられます。

【動画解説】3Dスキャンから点群データへ変換されるまでの流れ

 ここでは、ハンディー型3Dスキャナーを使って、人物をスキャンして点群データへ変換されるまでの流れを動画と画像を使って解説します。

動画の概要

 

上記のYouTube動画は、カラーモジュール搭載のハンディー型3Dスキャナー「IREAL 2E」で人物をスキャンして、点群データへ変換する流れを解説した動画です。完成した人物の3Dデータは目の中のカラコンの柄まで捉えることができました。この動画を参考に、対象物をどのようにスキャンし、点群データを取得するのか把握してもらえばと思います。

3Dスキャンから点群データへの変換作業

スキャン前、スキャン時、スキャン後に行う作業は以下の通りです。

スキャン前

  • 3DスキャナーとPCを接続する
  • キャリブレーションを行う

スキャン作業時

  • 人物を3Dスキャンして、点群データを取得する

スキャン作業後

  • 点群データをポリゴンデータに変換する(メッシュ処理) まず初めに、スキャン前に行う作業から解説していきます。

まず初めに、スキャン前に行う作業から解説していきます。

スキャン前

1.3DスキャナーとPCを接続する

3Dスキャナー「IREAL 2E」とPCを接続ケーブルに繋ぎます。

2.キャリブレーションを行う

赤枠の中にある3Dスキャナーに合わせる

正確な形状を測るために、IREAL 2E本体のキャリブレーション作業を行います。キャリブレーションを行うには、スキャンソフト(IREAL 3D)を立ち上げる必要があります。この専用ソフトを立ち上げるには、必ずドングルキーをPCのUSBポートに挿してください。

作業スペースに校正パネルを置き、IREAL 2Eを上記画像の赤枠の中にある青色の3Dスキャナーに合わせます。

 

キャリブレーションが終われば、IREAL 2Eで人物をスキャンしていきます。

 

スキャン作業時

3.人物を3Dスキャンして、点群データを取得する

IREAL2Eで人物をスキャンしている様子

 

測定対象物とカメラの最適距離を確認し、IREAL 2Eでスキャンしていきます。スキャンが進むと、スキャンソフトが自動的に合成してくれます。実際にスキャンした人物の点群データは以下の画像です。※スキャン時はLED照明と赤外線レーザーを使用しているため、人の顔に向けても問題ありません。

 

スキャン後

4.点群データをポリゴンデータに変換する(メッシュ処理)

点群の状態では、CGソフトやCADソフトなどでは使いにくいため、ポリゴンデータに変換(メッシュ処理)を行います。

以下の画像のように点群を三角パッチで繋いだものがポリゴンデータとなり、三角形の集まりとなります。そして、このポリゴンデータに色を付けると、カラコンの柄まで捉えた人物の3Dデータが完成しました。3Dデータの完成具合については、ぜひ動画で確認してみてください。

メッシュ処理したポリゴンデータ

3Dスキャナーの活用方法について

3Dスキャナーを使って取得した点群データは、以下のような三次元測定用途で活用できます。

  • 品質検査
  • リバースエンジニアリング
  • 文化財等のデジタルアーカイブ作成
  • 寸法および形状測定
  • 3Dプリンティング
  • CGモデリング

ここでは、製造業でよく利用されている品質検査、リバースエンジニアリング、および寸法および形状測定について、それぞれの方法について解説します。また、SCANTECHが実施している三次元測定サービスについてもご紹介いたします。

品質検査

品質検査
湾曲した形状をスキャンしている様子

 

対象物をスキャンした3Dデータと設計図(CADデータ)を照らし合わせて断面検査や外観検査を行ったり、形状比較するために用いられています。製造業では、これまで断面検査や外観検査は目視検査が主流で、計測もノギスなどの測定器具を使って手作業で行っていました。

しかし、見逃しが発生したり、湾曲した構造物の場合だと目視や計測が困難でした。そこで、最近では3Dスキャナーを用いて外観検査を行い、不具合がないか確認されるようになっています。3Dスキャナーを用いて検査をすると、2次元図面を作成する必要がないため、作業工数が削減され、検査にかける時間が大幅に減りました。

 

リバースエンジニアリング

自動車の構造をスキャンしている様子

 

リバースエンジニアリングは、実際の製品を解析・分析・分解し、構造や仕組みなどの情報を取得するプロセスです。

リバースエンジニアリングに3Dスキャナーを用いることで、時間とコストの削減、製品開発の効率化が実現できます。また、ハンディー型3Dスキャナーの普及により、測定が手軽に行えるようになり、リバースエンジニアリングの手法が製造業を中心に広く活用されています。

リバースエンジニアリングの適用例として、製品のリデザイン(既存製品の見た目や性能を改善し、新しい製品を開発すること)や解析・加工・設計などが挙げられます。また、設計図がない古い機器や部品の修復や再生産、競合他社の製品性能の比較検討などにも活用されています。

 

デジタルアーカイブ

文化財　デジタルアーカイブ
文化財をスキャンしている様子

 

3Dスキャナーを活用したデジタルアーカイブは、歴史的・文化的な遺産や美術品、文化財などの対象物を高精度にスキャンし、デジタルデータとして保存・活用する技術です。この手法により、貴重な資料や作品を保管し、次の世代に伝承することができます。さらに、研究や教育、展示など様々な目的で活用することも可能です。

デジタルアーカイブの活用例としては、博物館や美術館での展示物のデジタル化や、歴史的建造物の保存と維持が挙げられます。また、遺跡や古代遺物の研究、修復のための前処理としても活用されています。

3Dスキャナーを活用したデジタルアーカイブは文化遺産や歴史的資料の保護・普及に貢献しており、3Dスキャン技術の進歩により、より高精度なデータの取得が可能となってきているので、今後もデジタルアーカイブの重要性は増していくでしょう。

 

以上が、3Dスキャナーを用いた三次元測定用途の一例です。SCANTECHでは上記で挙げた品質検査・リバースエンジニアリング・デジタルアーカイブなどの三次元測定サービスを提供しています。ご利用いただくと、当社の技術スタッフが現地まで出張し、ハンディー型3Dスキャナーを用いて、対象物をスキャンします。スキャン作業だけではなく、スキャンデータの後処理(メッシュ処理)作業も行っていますので、興味のある方は是非ご利用ください。

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3Dスキャナーに関するよくある質問

最後に、3Dスキャナーに関してお客様からよく頂くご質問をご紹介します。

3Dスキャナーのデータはどのような形式で出力されますか？

3Dスキャナーは対象物をスキャンすることで、点群データが得られます。点群データは、主に以下の形式に出力されます。

  • STL
  • OBJ
  • PTX
  • PLY
  • ASC

これらの点群データは、さらに専用のソフトウェアやモデリングソフトを使用して、ポリゴンメッシュ(面データ)に変換される事が多いです。この変換により、対象物の形状をよりリアルに再現できます。最終的な用途やソフトウェアの互換性に応じて、適切なファイル形式を選択することが重要です。

3Dスキャナーの活用方法は？

寸法測定や形状測定、スキャンデータからCADモデル化するリバースエンジニアリング、その他にもCGモデリングや文化財などのデジタルアーカイブ、メタバースなど様々な分野で3Dスキャナーが活用されています。

まとめ

この記事では、3Dスキャナーの原理、3Dスキャン作業の流れ、3Dスキャナーの三次元測定用途について解説いたしました。今後、3Dスキャン技術の進歩と、ハンディー型3Dスキャナーの普及により、モノづくりの現場で、3Dスキャナーはますます活用されるでしょう。

SCANTECHでは、大阪・東京の二拠点でショールーム見学を実施しています。実際にSCANTECH製品のハンディー型3Dスキャナーを触ったり、対象物をスキャンすることができます。
また、「SIMSCAN」「TRACKSCAN」「KSCAN-MAGIC」この3機種のいずれかの導入を検討されている方を対象に、無料出張デモサービスも実施しています。ご利用いただくと、当社の技術スタッフが現地まで出張し、測定物をスキャンします。導入を検討されている方は是非、ご利用ください。

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