3Dスキャニング視野（FoV）

定義

3Dスキャニング視野（略称FoV）とは、スキャナー、測定対象物、追跡用周辺機器を移動させずに、1回の静止したスキャン位置で3Dスキャンシステムが取得可能な、校正済みで測定可能な2D領域または3D空間のことです。あらゆる3Dスキャン用途において、スキャン作業の効率、全体の取得時間、データ品質に直接影響を与える中核的な機能パラメータです。

仕組み

構造化照明、レーザー、フォトグラメトリ（写真測量）方式を含む光学式3Dスキャンシステムの場合、FoVは撮像素子、パターン投影機やレーザー発振器などの投影部品、搭載された処理アルゴリズムの総合的な校正によって定義されます。構造化照明方式および青色光スキャンシステムの場合、実用的なFoVは、すべての撮像素子と投影機器が共通して視認できる重複領域に相当します。この領域内では投影されたパターンやレーザーラインがすべてのセンサーで検出され、高精度な3Dデータに処理可能です。ハンドヘルド型3Dスキャナーの場合、FoVは測定対象物の表面の自然な特徴点、または貼付された基準マーカーを利用してシステムが追跡ロックを維持できる取得範囲を指します。光学式追跡システムの場合、FoVはマーカー、スキャナー、組立ツールなどの追跡対象を安定的に位置特定できる3D空間のことです。ほとんどのシステムでは、実効FoVはワーキングディスタンス（スキャナーの光学開口部と測定対象面の間の距離）に応じて変化します。ワーキングディスタンスが大きくなるとFoVは広がり、小さくなると狭まります。これに伴い、システムの校正で定められた点密度と測定精度にトレードオフが生じます。

主なパラメータと評価基準

FoVの性能は、システムの校正、使用環境、測定対象物の特性に依存する、規格化された測定可能なパラメータによって評価されます。

FoVの性能は、測定精度や点密度などの関連指標と併せて評価する必要があります。システム設計では、特定の用途に合わせてFoVの大きさとこれらの性能特性の間に意図的なトレードオフが設定されているのが一般的だからです。

適切な用途と不適切な用途

適切な用途

広FoV構成は以下の用途に最適です：

• 車体全体、航空機用大型治具、大型構造部品などの大型物体のスキャン作業。スキャン位置の数を最小限に抑えることでプロジェクト全体の時間を短縮できます。
• 品質検査工程向けに、1回のFoV内に配置した複数の中小型産業部品を高スループットでバッチスキャンする用途。
• 自動スキャンセルや大規模組立アライメント作業など、広い作業空間の光学式追跡用途。

狭FoV構成は以下の用途に最適です：

• 精密機械加工部品、電子部品、医療用インプラントなど、高い点密度とエッジ分解能が必要な小型高公差部品の高精度検査用途。
• 広FoV構成ではサンプリング密度が不足する微細な表面形状、深いキャビティ、複雑な幾何学的特徴の取得用途。

不適切な用途

広FoV構成は以下の用途に不適切です：

• センチメートル未満の微細形状にμmレベルの精度が必要な用途。取得領域が大きくなると、同じワーキングディスタンスでは1画素あたりの分解能と点密度が低下するためです。
• 高反射面、透明面、低コントラスト面のスキャン。広FoVは表面要因によるデータ欠落の影響を受けやすいためです。

狭FoV構成は以下の用途に不適切です：

• 時間的制約のある大型物体のスキャン作業。スキャン位置の数が大幅に増え、データアライメントの後処理時間も長くなるためです。
• 複数の中大型部品のバッチスキャン工程。取得領域が限られるためスループットが低下するためです。

よくある誤解

1. 誤解： FoVが大きいほど、あらゆる用途で常に高性能である。

訂正： FoVの最適値は完全に用途依存です。FoVが大きいと必要なスキャン位置の数は減りますが、同じシステムの狭FoVと比較して、同じワーキングディスタンスでは一般的に点密度が低く測定精度も低下します。

2. 誤解： システムの定格FoVは、すべての測定対象物で完全に使用できる。

訂正： 定格FoVは、高コントラストでつや消しの校正用基準器を使用し、理想的な管理された環境で測定された値です。実際の使用環境では、透明面、高反射面、低コントラスト面の場合や、環境光が強い場合に、使用可能なFoVが小さくなることがあります。

3. 誤解： 特定の3DスキャナーのFoVは固定で変更できない。

訂正： ほとんどの3Dスキャンシステムは、校正済みの使用範囲内でワーキングディスタンスを変更することでFoVを調整できます。一部の専門産業用システムでは、交換式レンズや設定変更可能なスキャンモードに対応しており、広FoVと狭FoVのプロファイルを切り替えることも可能です。

4. 誤解： マルチカメラ式3Dスキャンシステムは、シングルカメラ式よりも常にFoVが大きい。

訂正： マルチカメラ構成は広いFoVカバレッジ向けに設計されることもありますが、用途によっては高い測定精度や深度分解能を実現するために、重複する狭FoV向けに校正される場合もあります。

関連用語

• ワーキングディスタンス： 3Dスキャンシステムの光学開口部と測定対象物表面の間の距離で、ほとんどの光学式スキャンシステムで実効FoVを決定する主要なパラメータです。
• 点密度： 単位面積あたりに取得される3Dデータ点の数です。所定のセンサー解像度とワーキングディスタンスでは、一般的にFoVが大きくなるほど点密度は低下します。
• スキャンカバレッジ： すべてのスキャン位置で取得された対象物表面の合計割合で、FoVの大きさ、対象物の形状、スキャン位置の数、隣接するスキャン間のオーバーラップ率に影響されます。
• 光学式追跡ボリューム： 光学式追跡システムの3D FoVで、動的スキャンやアライメント作業のためにマーカー、スキャナー、組立ツールを安定的に位置特定できる空間のことです。
• システム校正： スキャンシステムのセンサーと投影部品の光路をマッピングし、使用可能な重複FoVを定義してFoV全体の精度を検証する工程のことです。

よくある質問

3DスキャンのFoVは、一般的な2DカメラのFoVとどう違うのですか？

一般的な2DカメラのFoVは、シーンの2D的な角度範囲を指し、深度や測定精度の校正は本来含まれません。一方、3DスキャンのFoVは、全体で精度と深度分解能が検証された校正済みの3D空間または測定可能な領域のことです。また、単一センサーの全視野ではなく、スキャンシステム内のすべての撮像素子と投影部品が共通して視認できる重複領域のみを含みます。

作業内容に合わせて3DスキャナーのFoVを調整することはできますか？

ほとんどの汎用3Dスキャナーは、メーカーが公表している校正済みの既定の使用範囲内でワーキングディスタンスを変更することでFoVを調整できます。一部の専門産業用システムでは、大型部品スキャンと高精度検査など、用途に合わせて最適化された広FoVと狭FoVのプロファイルを切り替えるために、交換式レンズや設定変更可能なスキャンモードに対応しています。

広FoV構成を使用する場合、どのような性能のトレードオフがありますか？

所定のセンサー解像度とワーキングディスタンスでは、広FoVにすると一般的に1画素あたりの分解能が低下し、点密度も減少し、取得領域全体、特にFoVの周縁部の測定精度がわずかに低下します。また、広FoV構成は狭FoV構成よりも環境光の干渉や表面の反射率の影響を受けやすい傾向があります。

特定の対象物に必要なスキャン位置の数を見積もるにはどうすればよいですか？

必要なスキャン位置の数は、対象物のサイズと形状、スキャナーの実効FoV、データアライメントを安定的に行うために隣接するスキャン間に必要なオーバーラップ率に依存します。ほとんどの3Dスキャン作業では、正確なアライメントを確保するために隣接するFoV間に20～30%のオーバーラップが必要です。そのため、取得対象の総表面積を使用可能なFoV面積で割り、オーバーラップ分と隠れた表面領域を加味することで、総スキャン位置数を見積もることができます。

まとめ

3DスキャニングのFoVは、1回の静止位置での3Dスキャンシステムの取得能力を定義する中核的な機能パラメータです。その性能は定格静的FoV、実効ワーキングFoV、均一性、アスペクト比などの測定可能な特性で定量化され、システム設計と使用条件に応じて測定精度や点密度との間に固有のトレードオフが存在します。産業用3Dスキャン、検査、デジタイゼーション作業において、スキャン作業の効率、データ品質、測定精度のバランスを最適化するためには、用途に合わせて適切なFoV構成を選択することが極めて重要です。