3D造形のための3Dスキャナー:実際にできること

3Dスキャナーで実際にできること

3Dスキャナーは実物の形状を取り込み、モデリングソフトで使ったり、そのままスライサーに渡したりできるデジタルメッシュに変換します。最も一般的な用途は、図面のない機械部品、たとえば壊れた家具のつまみや生産終了したブラケットのリバースエンジニアリング、既存の物体をそのまま複製すること、そしてデジタルスカルプティング用にフィギュアや胸像を取り込むことです。スキャナーを使えば、ノギスで何時間も測って手作業でモデリングする手間が省けます。特に、点を1つずつ再現するのが面倒な有機的な形状や不規則な形状で有効です。

顔、手、壊れやすい物体をデジタルで型取りするのもよくある用途ですが、その結果は表面を取り込んだものであり、認証された工学的な測定値ではないことを受け入れる必要があります。スキャンは、専門家が作成した寸法入りの図面と同じ法的・技術的な重みを持ちません。実際に機械的な応力がかかる機能的な交換部品では、スキャンしたメッシュは、そのまま使えるデータというより、CADソフトで手を加える出発点として使うのが大半です。

製品ページには載っていない限界

構造化光方式でもレーザー方式でも、光学式スキャン技術はすべて、物体で反射する光に依存しているため、非常に光沢のある面、非常に暗い面、透明な面で問題が起こります。Revopointによると、同社の上位モデルは「光沢があり、暗く、特徴のない」と表現される表面を取り込める点が売りですが、この主張は、裏を返せば、同ブランドのより手頃なモデルは同じ表面に対してより苦戦することを示唆しています。

Revopointを含む複数のスキャナーメーカーが販売しているスキャン用スプレーやマットパウダーは、反射する物体や透明な物体の表面を薄いマットな層で一時的にコーティングしてスキャンできるようにするもので、まれな回避策ではなく、日常的に行われている方法です。スペック表の精度の数値は、多くの場合10分の1ミリや100分の1ミリ単位で示されますが、これは有利な表面での実験室の測定値であり、通常の室内照明の下で任意の物体をスキャンしたときに実際に得られる精度ではありません。

3Dスキャン技術の概要

構造化光方式は、格子状またはパターン状の光を物体に投影し、そのパターンの歪み方から形状を計算します。大きな面を素早く取り込め、相対精度も良好ですが、反射する表面には弱いままです。レーザースキャンは、近年のモデルでは青色ラインのものが多く、1本または複数のレーザーラインを物体に走査させるもので、一般により高い精度を狙います。その代わり、取り込み速度はモデルとそのグレードによって犠牲になります。

フォトグラメトリには専用のスキャナーはまったく必要ありません。複数の角度から撮影した一連の通常の写真から、再構築ソフトで処理して3Dモデルを再構築します。機材の面では最も手軽な方法で、普通のスマートフォンがあれば足りますが、処理時間の面では最も負担が大きく、照明のムラや撮影中に被写体が動くことにも最も敏感です。

スマートフォンでのスキャン：フォトグラメトリーの手順

Prusaのブログによると、フォトグラメトリは通常のスマートフォンのカメラで問題なく行え、一眼レフが主に役立つのは照明条件が悪い場合です。推奨されている方法は、物体の周りを移動しながら20〜50枚の写真を撮ることで、連続するショット間で約60〜80%を重ね、被写体を動かさず、強い影が出ない拡散光で撮影します。

その後、写真は再構築ソフトで処理されます。Prusaは無料の選択肢としてColmapを挙げており、点群が生成され、それがメッシュに変換されて、Meshlabのようなソフトでクリーンアップされます。非常に光沢のある面や透明な面では、専用スキャナーと同じ問題が起こります。Prusaのブログは、再構築ソフトが実際に扱えるテクスチャを作るために、マットなテープやパウダーで覆うことを勧めています。

スキャンから造形可能なファイルまで：メッシュの清掃と修復

専用スキャナーでもフォトグラメトリの再構築でも、生のスキャンデータがそのまま造形できることはほとんどありません。取り込めなかった部分にメッシュの穴が空いていたり、取り込み時のノイズによる浮遊ゴミが残っていたり、スキャン中に物体が面の上に置かれていた場合に底面が平らでなかったりします。これらの問題は、ファイルをスライサーに渡す前に修正する必要があります。そうしないと、スライスに失敗するか、使えないパーツができあがります。

Autodeskの無料ソフトであるMeshmixerは、3Dプリントを念頭に作られた穴埋めやスムージングのツールを備えているため、このクリーンアップで引き続き定番です。習得が難しいBlenderは、ジオメトリの修正、ポリゴン数の削減、スキャンデータとCADで設計したパーツの組み合わせなどで、より細かい制御ができます。このクリーンアップの工程は、特に複雑な形状や非常に細かいディテールを持つ物体では、スキャン自体より時間がかかることがよくあります。

スキャンの前に、対象物にマーカーを貼る必要がありますか？

CR-Scan Raptorのようなレーザースキャナーでは、Crealityのドキュメントによると、ブルーレーザーモードでは、取り込んだデータどうしを位置合わせするために、物体やスキャン用マットに貼った反射マーカーが必要です。マーカーがないと、物体またはスキャナーが動いた時点で、ソフトが位置追跡を見失います。マーカーのサイズは小さい物体向けの3mmと大きい物体向けの6mmの2種類があり、整然とした格子状ではなく、ランダムに貼ります。

同じスキャナーには、顔、体、彫刻向けのマーカー不要の赤外線モードもあり、マーカーをまったく使いませんが、Crealityのドキュメントによると、170〜1000mmという特定の作業距離内に収める必要があります。精度（マーカーを使うレーザーモード）と手軽さ（マーカー不要の赤外線モード）のこのトレードオフは、このスキャナーだけでなく、デュアル技術を備えたほとんどのスキャナーに共通しています。

パソコンのハードウェアはスキャン品質に影響しますか？

Crealityによると、レーザースキャナーのスキャン速度はコンピューターの性能に直接左右されます。SSDと専用グラフィックスカードを使うとリアルタイム処理が目に見えて速くなり、低速な機械式ドライブでは、高速スキャン中にフレームが落ちることがあります。ソフトは点群のリアルタイムな品質マップを表示し、取り込みが十分な箇所は青に、まだデータが不足している箇所は黄色になるので、抜けはスキャンが終わった後ではなく、スキャン中に分かります。

点群統合の解像度も、あまり極端にしないほうがよい設定です。0.02mmのような非常に細かい値にすると、ディテールが増えるどころか、モデルの一部が消えてしまうことがあります。同じドキュメントによると、25cm未満のほとんどの物体には、0.1〜0.15mmの解像度で十分です。ソフトが提供する最も低い値をいきなり狙うよりも、中間的な設定から始めて詳細を詰めていくほうが確実です。

スキャナーを使わない方法：計測してモデリングする

円筒形の交換部品、平らなブラケット、アダプターのように、形状が規則的な単純なパーツなら、ノギスで測ってCADソフトで直接モデリングするほうが、スキャンしてからメッシュのクリーンアップに時間をかけるより、速く正確なことがよくあります。3Dプリント向け無料CADのガイドでは、スキャナーもサブスクリプションも使わずに、この種の単純なパーツに使えるソフトを紹介しています。

手作業でモデリングすると膨大な時間がかかる有機的な形状や不規則な形状、たとえば顔、へこんだ車体パネル、既存の彫刻などでは、スキャナーは今でも価値があります。2つの方法のどちらを選ぶかは、ツールの既定の選択ではなく、複製したい物体の形状で決まります。自分でスキャンするのではなく、すでにモデリングされたデータを探すなら、無料の3Dプリント用データのガイドが、たいてい最も早い出発点になります。

出典と限界

• Prusa Blog — フォトグラメトリー：スマートフォンやカメラだけで3Dスキャン
• Revopoint — 3Dスキャナーのおすすめガイド
• Revopoint — 3Dスキャナーの比較
• Creality Wiki — CR-Scan Raptorのチュートリアル

当サイトはメーカーとコミュニティの資料を整理したもので、これらの製品を自分たちで実測したわけではありません。お使いの機種の取扱説明書が、一般的なガイダンスより優先されます。