同じ"光"で測っているのに、なぜ機械ごとにこんなに差が出るのか? ──据え置き・iPhone・ハンディの仕組み

同じ"光"で測っているのに、なぜ機械ごとにこんなに差が出るのか? ──据え置き・iPhone・ハンディの仕組み

前回の記事の最後に、私はひとつの疑問を置きました。

——なぜ、同じように光で測っているのに、機械によって"どこまで細かく・どこまで遠くまで測れるか"が、こんなにも変わるのか?

iPhoneのスキャンと、測量現場で使うプロ用の大きなスキャナー。どちらも「光で測る」のに、出てくるデータの細かさも、届く距離も、まるで別物です。今日はその"なぜ"を、それぞれの機械の「仕組み」からのぞいてみます。

そしてもうひとり、今日は新しい登場人物がいます。iPhoneと据え置き型の"あいだ"にいる、「ハンディスキャナー」です。

どれも、やっていることは「光のこだま」

まず、3つに共通する大もとから。

この連載で何度かお話ししてきたとおり、LiDARをざっくり理解するなら、基本イメージは「光のこだま」です。山に向かって「ヤッホー」と叫ぶと、少し遅れて返ってくる。あの"返ってくるまでの時間"で、山までの距離がわかります。光を投げて、跳ね返って戻る時間で距離を測る——おおまかには、それだけです。

そうして測った距離の点を、無数に集めたものが、空間にまかれた砂つぶ＝点群でした。

言葉だけだとイメージしにくいので、図にしてみます。

大きく見れば、据え置き型もiPhoneもハンディも、どれも光を使って距離や形を推定している、という点では共通しています。では、どこで差がつくのか。差が出るポイントは、主に3つあります。「動くか、動かないか」「点をどれだけ細かくまけるか」「光をどこまで遠くへ届かせられるか」。この組み合わせで、それぞれの"性格"が決まります。順番に見ていきましょう。

据え置き型スキャナー──動かないから、強い

まずは、測量や土木で使われる、三脚に据えるプロ用の大きなスキャナーから。

これは三脚にしっかり固定して使います。本体の中でレーザーが高速にぐるぐる回り、その一点から、まわり全方位へびっしりと光を投げる。

最大の強みは、前回もお話ししたとおり「動かない」こと。動かないから、自分が今どこにいるかを気にしなくていい。気にしなくていいから、ズレ（ドリフト）も溜まりにくい。さらに、据えた一点からじっくり測るので、光をびっしり細かく、しかも遠くまで届かせられる。だから、条件が整えば、ミリ単位で議論できるような細かさを目指せるわけです。

代わりに、高価で、重くて、据えるのにも手間がかかる。死角があれば、場所を変えてまた据えて、何度も測り直す。"じっくり腰を据える"のが、この機械の流儀です。

iPhone──動きながら、手軽に

次に、私たちが毎日ポケットに入れているiPhone。

iPhoneは、小さなセンサーから、赤外線の点を面のようにパッとばらまいて測ります。手軽な代わりに、まける点の間隔は粗め。届く距離も、せいぜい数メートルの近場までです。

そして何より、手に持って動かしながら測る。だから毎瞬間、「自分が今、どれだけ動いたか」を見積もりながら、点をつないでいく必要があります。前回の"ドリフト"が生まれるのは、まさにここでした。カメラの映像や、動きをとらえるセンサーの力も借りて、自分の動きを推定しているわけです。

それでも——ポケットから出して、その場でサッと空間を立体で記録できる。手軽・安い・誰でもすぐ。これは、ほんの数年前まで考えられなかった身軽さです。

ハンディスキャナー──iPhoneと据え置きの"あいだ"

そして、今日の新顔。ハンディスキャナーです。

これは、手に持って歩きながら測る、という点ではiPhoneの仲間です。でも中身は、専用のレーザーと複数のセンサーを積んだ"本格派"。iPhoneより、ずっと細かく・広く・速く測れます。

ただ、動きながら測る以上、こちらも「自分が今どれだけ動いたか」を推定し続けなければなりません。つまり、ドリフトの悩みは、iPhoneと同じように抱えている。そこを、専用設計でぐっと抑え込んでいるのが、ハンディの腕の見せどころです。

得意なのは、広い現場をぐるりと歩いて回って、一気にまとめて取ること。「据え置きほど構えたくないけれど、iPhoneでは物足りない」——そんな場面の、ちょうど真ん中を埋めてくれる存在です。

ここまでの3つを、「測り方」のちがいとして並べると、こうなります。

なぜ、細かさと距離が変わるのか

ここまでくれば、最初の"なぜ"に答えられます。

細かさ（点の密度）の差は、要するに「光（点）を、どれだけ本数多く・狭い間隔で投げられるか」の違いです。一般的な傾向としては、据え置き型がいちばん細かく、iPhoneは粗め、ハンディはその中間にあたります。もちろん実際の結果は、機材の方式、距離、対象物、動かし方、後処理によっても変わります。

点の細かさのちがいを、階段で図にすると、こうなります。

届く距離の差は、「光をどれだけ強く・遠くへ飛ばせるか」と、その専用設計の違いです。据え置き型は遠く、iPhoneは近場、ハンディは中間。

身近なものでたとえるなら、霧吹きを思い浮かべてください。細かいミストを吹けるノズルなら、肌のきめまで写し取れる。粗いシャワーだと、ざっくりとしか濡らせない。同じ"水"でも、粒の細かさで写し取れるディテールが変わる——点群の細かさも、これとよく似ています。そして、勢いよく遠くまで飛ばせるホースもあれば、手元しか届かない霧吹きもある。それが、届く距離の差です。

並べてみると、性格がはっきりします。据え置き型は「動かない・じっくり・細かい」、iPhoneは「手軽・身軽・近い」、ハンディは「動きながら・広く・速い」。

最後に、3つの得意・注意点・向いている用途を、一枚に整理します。

これは、どれが偉いという話ではありません。同じ光のこだまでも、仕組みがちがえば、得意な場面がちがう。それだけのことなんです。大事なのは、自分の現場が「細かさ」を欲しがっているのか、「手軽さ」なのか、「速さと広さ」なのかを見極めて、道具を選ぶこと。仕組みを知っていれば、その目利きが効くようになります。

まとめ、そして次の「なぜ?」

「同じ光で測っているのに、なぜこんなに差が出るのか?」。その答えは、魔法でも、性能の優劣でもなく、"動く/動かない・細かさ・距離"という、仕組みの素直な違いでした。

ここで、もうひとつの疑問が顔を出します。動きながら測る機械——iPhoneも、ハンディも——は、結局のところ「自分が今どこにいるか」を、知り続けないといけませんでした。

——でも、目印のない場所で、機械はどうやって"今どこ"を知っているのでしょう?

じつは、その知り方には、大きく2つの流派があります。その話は、次回（第5回・位置推定）でじっくり。

連載「なぜ？3Dスキャンの素直な疑問」（全10回）

iPhoneの3Dスキャンにまつわる「なぜ?」を起点に、中学生でも雰囲気が分かるレベルまで、ひとつずつ噛み砕いていく連載です。（公開ずみの回はリンクから、これからの回は順次更新します）

第1回｜入口：3Dスキャンって、何種類あるの? ——測り方の道具箱

第2回｜点群①：LiDARは「面」が見えて、「角」が見えにくい ——その素直な理由（記事を読む）

第3回｜点群②：iPhoneで測ったのに、現場では使えない? ——ドリフトという落とし穴（記事を読む）

第4回｜点群③：同じ"光"で測っているのに、なぜ機械ごとに差が出るのか? ——据え置き・iPhone・ハンディの仕組み（本記事）

第5回｜位置推定：機械は「自分がどこにいるか」をどう知るのか ——点群か、画像か

第6回｜人間の空間認知：私たちも、目だけで歩いてはいない ——目・内耳・海馬の合わせ技

第7回｜ロボティクス：掃除ロボも自動運転も、中身は同じ ——デモと現場のあいだ

第8回｜メッシュ・ボクセル：砂つぶを、かたちにする ——張りぼてと積み木

第9回｜BIM：かたちに「意味」が宿るとき ——これは扉、これは柱

第10回｜フォトグラメトリ：写真だけで、現実をそっくり起こす ——最初の問いに戻る

私たち One Technology Japan は、こうした3Dスキャンの得意・不得意を見極めて、現場で本当に使える形に落とし込むことに、日々取り組んでいます。よろしければサイトものぞいてみてください。

仕組みがわかると、機械は「魔法の箱」ではなく、「得意も苦手もある相棒」になります。相手の性格が見えれば、付き合い方も、選び方も、きっと変わる。それは案外、現場の道具にかぎった話ではないのかもしれません。

今日も、目の前のひとつを、ていねいに。

WHAT A WONDERFUL DAY TODAY!