執筆：Oliver Bürkler、レーザースキャニング担当ディレクター
世界の建設市場は毎年10％以上の成長が見込まれています。建設現場の進捗状況を正確かつ効率的にスキャン・分類するためには、新しい技術が不可欠です。
この3部構成のシリーズの記事１で概説したように、今回はFlash Technologyを搭載したHybrid Reality Capture（FAROの特許取得済み）についてです。これは、360°パノラマ画像と高速スキャンを統合し、データ精度をほとんど損なうことなく30秒未満でフルカラーのスキャンを生成する技術であり、この継続的な取り組みにおける変革的なツールです。この3部構成の記事２では、Flash Technologyの基盤となるソフトウェアの一部と、FARO Focus Core、Premium、およびPremium Maxレーザースキャナーと併用した場合の動作について説明します。
すべては当社独自のスマートアップスケーリングアルゴリズムに基づいています。出力には、RICHO Theta Z1 360°カメラと Focus Core、Premium、Premium Maxレーザースキャナーで取得されたすべての画像と点群が含まれており、従来の方法で同じ解像度のスキャンを行うよりも鮮明に見えるフルカラースキャンが実現します。
2023年4月に市場にリリースされたFlash Technology採用のHybrid Reality Captureは、FARO Streamモバイルアプリからアクセス可能なFocusスキャナーのスキャンモードとして機能します。
また重要な点として、FlashはFocus CoreおよびPremiumユーザー向けには1年間のサブスクリプションが、Premium Maxには永久ライセンスが付属しています。
iOSおよびAndroidプラットフォームで無料で利用できる FARO Streamを使用すると、ユーザーは次のようなメリットを享受できます。
- すべてのFAROスキャナーすなわち、Focusレーザースキャナー、Orbisモバイルスキャナー、および将来のスキャナーを制御します。
- 取得したスキャンデータを現場で直接事前登録することにより、データの完全性を確信することができ、オフサイトでの登録エラーを減らすことができます。
- 画像やファイルを添付してスキャンし、注釈として補足データを取得します。
- スキャンしたデータをSphere XGに直接アップロードして、即座に関係者とプロジェクトを共有します。
Focus Scanner Flashスキャンは、SaaSクラウドベースの情報プラットフォームであるFARO Sphere XGを通じてデータにアクセスでき、現状・進捗状況のモニタリングや事前の計画立案のニーズの一環として、建物、インフラ、通路、鉱山、森林などの広範囲3Dリアリティキャプチャスキャンを行う企業や機関に最適です。
Flash Technology の機能（アップスケーリングと外挿）
Focus製品ラインのFlash Technologyの中心となるのは、画像のアップスケーリングまたは補間（内挿）と呼ばれるプロセスです。Upscale.mediaの定義によるアップスケーリングとは、低解像度の画像から開始し、より高いレベルで視覚的な品質を向上させます。
これは、2つのフレーム間を補間するアルゴリズムによって行われます。完全なデータセット（つまり可能な限りのデータポイント）にアクセスできないため、ソフトウェアができることは、数式に基づく推定が限度です。重要なのは、このデータ不足は決して失敗ではないということです。むしろ、これは科学やエンジニアリングで直面するありふれた変数であり、中間値が不明であっても、他の既知のデータポイントに基づき、高い精度で確率的にそれを決定できるのです。
ソフトウェアエンジニアは歴史的に、ユーザーが画像を拡大してピクセルを追加できるツールを構築する方法として、補間やアップスケーリングを採用することがあります。サイズ変更ツールは、実際の値に忠実な拡大画像を作成するために、元の画像のデータを使用して新しい値を補間し、元のデータポイントの間にピクセルを追加できるようにします。ソフトウェアエンジニアは、ビデオゲームのキャラクターの動きをコーディングする際にも補間を使うことがあります。
Hybrid Reality Captureもこれと同じ原理で機能します。低解像度の 3D スキャンはより短時間で取得できますが、データ量が少なくなります。しかし、360°パノラマ画像から取得したデータによって、こうしたデータのギャップが補強されます。この際に、画像のアップスケーリングが役立ちます。Flash Technologyでは、カメラからの画像ポイントに3Dポイントがなく、そのポイントの近隣を検索する場合、ソフトウェアは当該画像ポイントの3次元座標があるかどうかを判断します。そして、隣接するポイント間をスマートに補間して、カラー化されたピクセルの新しい3Dポイントを作成します。視野角が平らすぎる場合、フラッシュテクノロジーはその間の補間点を作成しません。
次のステップでは、2台のカメラの入射角と視差がそのポイントをサポートしているかどうかを確認します。サポートされている場合、ソフトウェアはそれを保持し、画像の生成を続けます。
知識を深める
- 入射角— 光線が表面の一点に当たる角度です。その表面の一点から90°の角度で真上に伸びる直線を法線と呼びます。法線と光線との間の角度は、入射角と呼ばれます。法線（0度）から光線までの角度を計測します。
- 視差 — 物体からの同一直線上にない2つの異なる点から見た物体の見かけの変位または見かけの方向の差です。この現象を視覚化する最も簡単な方法は、物体を見つめながら交互に目を閉じることです。見ている画像は、どちらの目で見ているかによって位置が変わって見えます。物体の位置が変わったのではなく、その位置に対するあなたの認識が変わったのです。
Focus Core、Premium、Premium MaxのFlash Technologyが非常に直感的で使いやすいのは、このような計算式の挿入、入射角と視差に関連するすべての計測、どのデータポイントを受け入れるか拒否するか、実際のデータとアップスケールされたデータの内訳が、内部で完了しているからです。ユーザーの視点から見えるのは、完全にカラー化されたハイブリッドパノラマ画像または3Dレーザースキャン合成画像だけです。
その他の利点は次のとおりです。
- 最適化されたスキャン操作 — ユーザーが「スタート」ボタンを押すと、スキャナーが回転を開始するタイミング、画像を取得するタイミングなど、速度効率を最大化するためにスキャナーが何をどのような順序で行うかを調整する機能です。したがって、たとえば、パノラマ画像は常に最初に撮影され、その後にスキャンが行われます。
- モバイル機器へのストリーミングの最適化 — モバイル機器での点群の転送と利用を最適化して、現場での登録を可能な限り迅速に行うことで、現場での時間を効率的に使用できるようにします。
- 粗い傾斜計の読み取り — スキャンの水平度を計測する方法です。従来、このステップにかかる時間は10秒程度でした。しかし、Flash Technologyでは、必要なデータを取得するのに1秒しかかかりません。1秒間の傾斜計の計測値は、10秒間の計測値よりも精度が劣りますが、そのデータは、既存および予測される新規顧客のユースケースのほとんどに対して十分な精度となっています。
また、Hybrid Reality Captureの画像ではスキャンされないデータも必然的に存在しますが、そのわずかなスキャンデータの欠如でさえ、すべての状況で一様ではないことに留意する必要があります。たとえば、完全な垂直線では、Flash Technologyは完全な解像度を備えています。これらの線の間の間隔は広くなります。度数で表すと、Focus Core、Premium、Premium Maxレーザースキャナーのミラーは360°で毎秒100回転します。つまり、フォーカススキャナーは1秒間に100回、スキャナーの前と後ろに垂直線を生成します。その後、スキャナーが10秒間回転してスキャンします。さらに、その10秒間で2,000本の線、つまり水平方向に360°あたり2,000ステップが作成されます。
ここで強調しなければならないのは、アップスケールされているのは3D点群であり、画像そのものではないということです。Flash Technology は上記のデータを取得し、処理の後、水平方向に4,000ステップにアップスケールします。直感に反するように聞こえるかもしれませんが、これこそがFlash Technologyが市場開発をリードしている部分です。スキャンプロセス全体を通じて、PanoCamからの画像は1枚の写真あたり2,300万点のままで、アップスケールされるのは背景の点群データです。
したがって、ユーザーにとっては、表示される画像が同じままであるため、視覚的な影響はまったく生じません。アップスケーリングの前は、低解像度スキャンでは写真の4ピクセルおきに1つの3次元座標しか生成しませんでした。アップスケールすると、写真のほぼすべてのピクセルに3次元座標が存在するようになります。
Flash Technology が他と異なる点と、その理想的なユースケースは何ですか？
3次元計測およびレーザースキャンビジネスに長年携わってきた顧客であれば、Flash Technologyの機能強化に関するFocusのカタログをざっと見るだけでも、製品の特長が明確になるはずです。しかし、経験の浅い顧客や潜在的な新規購入者にとっては、曖昧さが残る可能性があります。特に、他のレーザースキャン企業が写真画像を3Dスキャンで補強している場合はなおさらです。
ここでの違いはいくつかありますが、最も重要なのは、Flash Technologyがスキャナーの独立したスキャンモードとして機能し、必要に応じてオンとオフを切り替えることができることです。
もう一つの特長は色です。歴史的に、カラー化されたスキャンは、特に何百ものスキャンを必要とする大規模なプロジェクトでは、コストと時間のかかる作業でした。しばらくの間、製品採用に対するこの障壁が非常に高かったため、一部の顧客はカラースキャンを完全に放棄し、代わりになお満足のいく成果物を実行しながらカラー化せずに管理することを選択しました。Flash Technology を使用すると、カラースキャンの実行に1秒しかかかりません。このため、Hybrid Reality Captureによってこの機能への関心が再び高まり、カラースキャンが経済的かつ時間的に賢明な決定となる可能性が高くなります。これは、カラースキャンが開発されて以来初めてと言えるでしょう。
また、他社が高解像度写真、ビデオ、360°画像取得を導入する中、Flash Technologyは、市場を全体的により視覚的な体験へとシフトさせるのに貢献しているという特長もあります。
まとめ：Hybrid Reality Captureは、まったく異なるカテゴリの画像取得であり、パノラマ画像と3D点群の関係性を考慮した革新的な方法です。ある意味では、プロセスが逆転したのです。写真画像から始めて、次に3D点群をアップスケールしてデータを拡張するものは他にありません。これこそが、前例のないスキャン速度を実現する上で不可欠な要素でした。
*出典執筆者について
Oliver Bürklerは、FARO Technologies, Inc.のレーザースキャニング担当ディレクターです。ドイツのミュンヘン専門大学で精密工学と経営管理・エンジニアリングの修士号を取得しています。Bürkler は、FARO 3Dレーザースキャナー製品マネージャーチームの一員として、20年以上にわたり、FAROの3Dドキュメント化ハードウェアと新しいイノベーションの開発に注力しています。