ビルや橋梁など、大きな建造物の歪みや変形を測定する、3次元計測技術がますます進化しています。最新の画像解析技術を活用することで、大がかりな設備や道具を必要とせず、デジタルカメラ1台で3次元計測ができる技術も開発されています。

3次元計測を実現するさまざまな手法

現在、東京都では、2020年の東京オリンピック・パラリンピックの開催に向けて、さまざまな工事が急ピッチに進められています。工事内容は競技場の建設・整備をはじめ、多くの訪日外国人観光客を迎え入れるための、交通インフラ再整備、大型商業施設の建築まで、都内はまさに“工事だらけ”の状況です。一方、日本国内を見渡してみると、1964年の東京オリンピック前回大会開催がきっかけとなり、当時一斉に建設された道路や橋梁などの交通インフラが老朽化し、深刻な社会問題になっています。国土交通省が中心となり、社会インフラの老巧化対策に取り組んでいますが、ここで重要になるのが、橋梁などの大型建造物の歪みや変形などを計測する、「3次元計測技術」です。

従来の3次元計測では、計測対象物に接触しながらその形状を調べる「接触式3次元測定器（CMM）」や、2台のカメラを使った視差によって非接触で奥行きや距離の情報を取得する「ステレオビジョン」などの方式が利用されてきましたが、これらの方式では、大型の建造物を計測するには多くの時間を要し、精度も低いなどといった課題を抱えていました。

その後、「半導体レーザー光」が安価で利用できるようになった頃から、対象物にレーザー光を当てて計測する方法が、ビルや橋梁など、大型建造物の計測に利用されるようになりました。レーザー光を利用すれば、非接触で遠距離から建造物の全体を正確に計測することができます。ただ、より正確に全体の形状を知るためには計測ポイントを増やす必要があり、その分、計測に要する時間も必要です。

最近では計測対象物を1台のカメラで撮影し、その画像をコンピュータで解析して物体の表面形状を測定する3次元計測手法について研究が進んでいます。この方式であれば、レーザー光のようにポイントを1点ずつ計測するのではなく、一度に面で計測できるため、計測に要する時間が短縮できます。また、コンピュータ処理能力の向上によって、リアルタイム解析も可能になって来ています。画像処理による3次元計測にも、いくつかの方式があり、その一つが、対象物に縦横の線からなる格子パターンを投影してカメラで撮影し、物体表面に投影された線がどのように変形しているのかをデータ化して形状を計算する方法です。この方法は、動画を撮影することで動いている物体の形状も測定できるという長所がありますが、その一方で、大型の建造物などを計測する場合は、格子パターンを遠方から投影しなければならないという課題もあります。

スマートフォンのカメラでも利用できる「サンプリングモアレ法」

そこで、大型の建造物でも短時間かつ正確に計測できるよう、「モアレ（干渉縞）」という現象を利用し、カメラで撮影した映像を元に測定対象物の歪みや変形などを計測する、サンプリングモアレ法という方式が研究されています。「モアレ」とは、規則正しく整列した格子模様を複数重ね合わせた際に、個々の模様が持つ微妙なずれによって発生する縞模様のことを指します。例えば、2枚の格子模様を重ね合わせた場合、それぞれの格子の間隔や角度などが一致している場合はぴったりと重なるため、なにも変化は起きませんが、格子の間隔や角度などがずれている箇所があると、そこにモアレという新たな模様が発生します。

このモアレを解析することで、二つの模様のずれ具合（歪みや変形）を正確に測定する手法がモアレ法で、サンプリングモアレ法とは、モアレ法をさらに進化させた手法です。サンプリングモアレ法では、デジタルカメラで撮影した1枚の画像から、モアレが解析できるのです。計測対象となる建造物に、格子パターンを貼り付けたり投影したりして、遠方からデジタルカメラで撮影することでモアレを発生させます。すなわち、デジタルカメラで写真を撮るだけで、リアルタイムに対象物の歪みや変形が計測できるのです。

サンプリングモアレ法は、大阪大学と和歌山大学で画像計測の研究を続けてきた、現、和歌山大学名誉教授：森本吉春氏が開発した手法です。森本氏が代表取締役会長を務める、4Dセンサー社が開発した「サンプリングモアレカメラ」と呼ばれる装置は、市販のデジタルカメラのほか、スマートフォンのカメラで撮影した画像に対しても、3次元計測が可能です。4Dセンサー社ではほかにも、モアレ法を応用して電子部品の形状などを計測する「シャドーモアレカメラ」と呼ばれる装置も開発しています。シャドーモアレカメラは物体に格子を照射する光源と、物体を撮影するカメラを組み合わせた装置で、計測対象の物体に二つ以上の格子柄を重ね合わせて意図的にモアレを作り出し、このモアレの分布などを解析することで立体的な形状を計測します。この装置を使えば、ベルトコンベア上を流れる製品の形状さえもリアルタイムに計測することができるそうです。

このように、“リアルタイムな3次元計測”を可能にする、さまざまな技術の研究・開発が進められており、カメラを利用した画像処理による3次元計測は、IoTやAIの活用によってさらなる進化が期待されています。