ウェアラブル三次元
計測システムの研究

はじめに

　「おっ、これは珍しい！」「この形、おもしろいなぁ。」と思ったことは誰でもあると思います。そんなとき、まめな人なら写真に取ったり、絵に描いたりして記録するでしょう。最近はカメラつき携帯電話や小型のデジタルカメラが普及したので、まめでなくても記録する人は多くなっているはずです。
　デジタルなカメラの普及に伴い、昔のように「記録を見る前に現像をする」必要があるカメラから、「記録したものをすぐに確認できる」カメラになり、目の前にあるものを撮影して、遠隔地の人に画像を送るような楽しみ方ができるようになりました。しかし、写真は二次元であり、立体的な形状を復元することはできません。最近は、こことか、ここのように、ものを立体的に提示して、どこでも好きな方向から眺められるシステムが Web 上でも登場してきていますが、物体の立体形状情報を瞬時に記録できるシステムが皆無で、煩雑な処理を行ってからでないと立体的に提示できないのが現状です。
　ウェアラブル三次元計測システムは、この煩雑さをなくし、「三次元カメラ」の一形態として、研究を進めています。

三次元形状計測

三角測量

　三次元形状計測の基本となるのが「三角測量」です。これは、三角形一辺の長さと、その両端の角度がわかれば、三角形の形状が決まるという性質を用いて、メジャーなどで実測するのが難しい距離（例えば、地球と月との間の距離など）を求める方法です。

2 台のカメラのみを用いた三次元計測

　現在、一般に市販されている単眼のカメラは、物体の縦の長さと横の長さは記録することができます。というより、縦と横の二次元が記録できなければ画像は作れません。つまり、写真には、奥行き方向の情報が欠落しているわけです。カメラにはメジャーに相当するものがついていないので、奥行きを測りにいくことができません。そこで、三角測量を用いて奥行き方向の情報を取得するわけです。奥行き方向の情報を取得することができれば、めでたく三次元形状計測ができたことになります。
　カメラを用いた三角測量では「両端の角度」に当たる角度を明確にするために、カメラを 2 台用います。2 台のカメラ間の距離を固定すれば、三角測量と同じ原理で奥行きを求めることができます。ただ、形状を求めるので、ひとつの点への距離を求めるだけでは不十分で、カメラで撮影した映像全体の奥行きを求めなければなりません。デジタルカメラでは、画像は画素という点で構成されるので、すべての点の奥行きを求める必要があります。
　原理的には、これで三次元形状が取得できます。この方法を「ステレオ画像法（両眼立体視）」といい、人間がものを立体的に見る方法と同一であると言われています。しかし、これをコンピュータに処理させるのには問題があります。三角測量では、あるひとつの点への距離を角度を用いて求めます。この「あるひとつの点」をコンピュータに認識させるのが非常に難しいのです。カメラを 2 台用いるので、両方のカメラで、同じ対応点を指定する必要があります。人間が指定するのであればそれほど問題ではありませんが、2 台のカメラで全く同じ画像が撮影できるわけではないので、カメラ間で、どの点がどこに対応するのかを求めるのは非常に高度な画像処理が必要で、完璧で使いやすい方法は、未だに見つかっていません。

能動的なステレオ法

　そこで、画像を受け取って、その画像から対応点を探す受動的な方法ではなく、レーザなどを用いて物体上に対応点にあたる点を作り出してしまう、能動的な方法が考え出されました。これが、能動的なステレオ法、アクティブ三次元計測です。アクティブ三次元計測には、いくつかの手法があります、代表例を以下に示します。

スポット光投影法
- レーザなどで点を照射する方法で、対応点を作り出すという意味では、三角測量の原理に則した方法である。しかし、物体全体の形状を取得するためには、点で物体全体をスキャンしなければならないので、計測時間が長くなるという問題がある。
スリット光投影法
- スリットを通った直線状の光で、物体の断面を取得するように光をスキャンさせ、物体の形状を取得する方法。光切断法ともいう。
パターン光投影法
- カメラで撮影すると、画像内の座標が判断できるようなパターンを投影して、奥行きを求める方法。計測時間が短くできることが特徴である。

　精度を要する計測には、スリット光投影法がよく用いられます。（例えば、これ。）精度はそこそこでよい民生用では、パターン光投影法が利用しやすいようです。これは、1 回の撮影で形状を取得できるので、計測器のコストを落とすことができることが理由だと考えられます。（例えば、これとかこれ。）

座標系

　デジタルカメラを用いた三次元計測の場合、ある画素が、計測対象物体のどの三次元位置を撮像しているのかを求めることによって、計測を行います。 ... 以下、作成中