点群データとは？メリットや活用方法、取得方法についてもしっかり解説。

はじめに

建設・設計やデザインの仕事をしていると、
「点群データで納品してほしい」
「そのソフトは点群データが読み込めますか？」など
「点群データ」について会話が交わされることが多くなりました。

このページでは点群データについて学びたい人、点群データを活用した業務効率化を検討している人に点群データについて詳しく説明してまいります。

点群データとは？

点群データを一言で説明すると「3次元空間の形状や表面を数多くの点で表現したデータ形式」となります。絵画を遠くから見るとキレイな絵に見えますが、近づいて見てみると点の集合体であるという経験はありませんか？この点の集合体を使って3次元空間上を表現しているのが「点群データ」です。

点群データの一例

普段の生活の中でも誰かに荷物を置くよう指示を出す時に「あと右に何センチ、奥に何センチ」など伝えることがありますよね？

点群データも同じように一点一点が位置情報を持っています。これは「座標値」と呼ばれ一般的には「X,Y,Z」３つの座標値で定義されています。

点と点の間隔が広いと細かいものは表現できません。これを「点群の密度」や「分解能」と読んでいます。密度が高いほど空間や物体を詳細に表現することができます。

また一点一点に色情報を加えることも可能で、その場合は「X,Y,Z,R,G,B」という定義方法になります。
※それ以外にも反射強度や法線方向などを付加することも取得する機材によっては可能になります。

点群データを活用することで得られるメリット

高精度なデータ取得

点群データを密度高く取得すると、微細な形状や表面のディテールを正確に取得することが可能です。
局面を多く含む建造物や、細かい梁が組み合わさった天井など、メジャーやレーザー距離計では計測が難しい対象物の形状を把握することが可能になります。

また、点群データを取得する機材の中には100m以上先の物体を計測できる「3Dレーザースキャナー」という計測器があり、背が届かない場所や近づくことができない川岸の向こうなどを測定することもできるのです。

効率的なデータ収集

建設現場や工場の改修工事をしている方なら現地計測の大変さをご存知でしょう。
複雑に絡み合った配管や、多数の機械設備が設置されている工場を人の力だけで計測して図面を作成するのは非常に困難で時間のかかる作業です。しかも測り間違いや測り忘れがあれば再度現地を訪問しなければいけません。

このような場所の寸法情報を点群データで取得すれば広範囲の現状を迅速に収集可能です。また、取得した点群データはオフィスに戻ってからパソコン上で計測作業が行えるので現場に長く滞在する必要もなくなりますし、出張する人数を減らすこともできるでしょう。

点群データの活用事例

建設・建築分野

建設建築業で点群データを利用するメリットは、精度の高い3Dモデルを迅速に作成できる点です。これにより、現場の状況を正確に把握し、施工管理や品質検査を効率化できます。また、設計段階での誤差を低減し、施工ミスを防ぐことでコスト削減とプロジェクトのスムーズな進行を実現します。さらに、点群データはリノベーションや拡張工事の際にも現状の詳細なデータを提供し、計画の精度を向上させます。

改修工事における3D CAD作成やBIMモデルの作成も点群データを使えばより効率的になります。

エンターテイメント

エンターテイメントやゲーム業界で点群データを活用するメリットは、リアルで詳細な3Dモデリングが可能になる点です。点群データを使用することで、現実世界の人物や環境、物体を高精度にデジタル化でき、ゲームや映画の中で非常にリアルなグラフィック表現を実現します。これにより、プレイヤーや観客に没入感を与え、視覚的なインパクトを強化します。

また、点群データはキャラクターのモーションキャプチャや環境のスキャンに使用され、制作プロセスを効率化し、コストを削減します。例えば、実際のロケーションをスキャンしてデジタル環境として再現することで、セットの設置やロケ地の制約を受けずに撮影やゲーム開発を行えます。さらに、点群データはVRやARコンテンツの制作にも役立ち、現実と仮想の境界を曖昧にすることで、ユーザーに新しい体験を提供します。総じて、点群データの活用は、エンターテイメントやゲームコンテンツの質を高め、制作効率を向上させる重要な技術です。

製造業

製造業での点群データの活用は大きく２つに分かれます。一つ目は製品の品質管理やリバースエンジニアリングです。曲面や自由形状の多い製品の検査は通常の3次元測定器では限界がありますが点群データと3D CADデータを比較検証することで幾何学形状以外の製品も詳細に偏差を計測することが可能です。

2つ目は工場のレイアウト検討です。新しいラインを設計する際にどこに何の設備を配置するのか？搬入経路に障害物はないかなどを正確に検証できます。図面には載っていないケーブルや小さな機器までも点群データとして取得しておけば、実際の工事になってからトラブルが発生して工事をやり直すなどの手戻りを防ぐことができます。

文化財遺産保護

文化財遺産保護において点群データを活用するメリットは、歴史的建造物や遺跡の精密な3D記録が可能になる点です。高精度なスキャンにより、現場の微細なディテールまで正確にデジタル化でき、劣化や破損が進む前の状態を保存できます。これにより、修復や復元の際に正確な参考資料として利用でき、元の姿を忠実に再現できます。また、デジタルアーカイブとして保存することで、後世の研究や教育に役立ち、物理的な損傷リスクを減少させます。さらに、バーチャルツアーや展示などに利用することで、広く一般に文化財を公開し、保護の重要性を啓発することも可能です。

点群データの拡張子

• LAS / LAZ
  • LAS: ASPRS（American Society for Photogrammetry and Remote Sensing）によって標準化された形式。LiDARデータの保存に広く使用される。
  • LAZ: LAS形式の圧縮版で、データサイズを削減するために使用されます。
• PTS
  Leica Geosystemsによって使用される形式。座標データと関連する属性情報を含むテキストベースのファイル。
• PTX
  PTS形式と類似していますが、より多くのメタデータを含むことができ、Leica Cycloneなどのソフトウェアで使用されることが多いです。
• E57
  ASTM E2807規格に基づくオープンフォーマット。異なる3Dスキャナーのデータを統合するために使用され、メタデータやカラー情報も保存可能です。
• PCD
  Point Cloud Library (PCL)の標準形式。オープンソースのフォーマットで、さまざまな属性データを含むことができます。
• XYZ
  シンプルなテキスト形式で、各行にX, Y, Zの座標を記載します。ほかの属性情報を含めることも可能です。
• PLY
  Polygon File FormatまたはStanford Triangle Formatとして知られ、3Dスキャンデータや3Dモデルを保存するために使用されます。バイナリ形式とASCII形式の両方が存在します。
• FLS/FWS
  FAROによって使用される形式

これらの拡張子は、特定の用途やソフトウェアに応じて選択されます。点群データを処理する際には、使用するソフトウェアや目的に応じて最適な形式を選ぶことが重要です。

点群データの取得方法

レーザースキャニング（LiDAR)

概要: レーザーを対象物に照射し、その反射光を測定することで距離を計算し、点群データを生成します。地上型、航空機搭載型、ドローン搭載型など様々なタイプがあります。

用途: 土地測量、建物の3Dモデリング、森林計測など。

写真測量

概要: 複数の写真を解析し、特徴点を抽出して3Dモデルを生成する技術です。異なる角度から撮影した画像を使って点群データを生成します。

用途: 建築物の外観撮影、地形モデル作成、文化遺産のデジタル記録など。

ストラクチャード ライトスキャニング

概要: パターン化された光を投影し、その変形をカメラで撮影して3Dデータを生成する方法です。高速で高精度なデータ取得が可能です。

用途: 小型部品のスキャン、医療用の人体計測、博物館のアーティファクト記録など。

Factory Innovationがお勧めする「Matteport Pro3カメラ」

建物や部屋の点群データを取得するおすすめのデバイスとしてMatterport Pro3カメラがあります。
以下にその特徴とメリットを説明します。

① 高精度な3Dスキャン

Matteport Pro3は半径100mを一周20秒以下で撮影できるLiDARを搭載しており、高精度な点群データを迅速に取得できます。

② 簡単な操作

複雑なパラメーターのセッティングはなく、ボタン一つで撮影が開始できます。
複数地点を撮影したデータの結合も自動で行ってくれますし、その結果も手元のタブレットやスマートフォンでリアルタイムに確認できるので撮り忘れの心配もありません。

③ 広い適用範囲

高額な地上型3Dレーザースキャナーと比較してコストパフォーマンスが高いため、今まで点群データの利用をためらっていた人にもMatterport Pro3をお勧めします。

建築、建設、土木、商業施設、店舗設計、保険業界、文化財遺産保護、製造業など幅広い業界で利用されています。

④ ポータビリティ

軽量でバックパックに入れて持ち運ぶこともできるので、現場へ持っていくのが簡単です。

③ クラウド連携

Matterportのクラウドプラットフォームと連携しているのでスキャンデータの保存、共有がスムーズに行えます。