CPD講座

Continuing Professional Development Lecture

測量と計測技術の最前線
第2回

写真測定を用いた点群計測安達基朗 ｜（株）シュルード設計

2016 年度から国土交通省は本格的に i-Construction を推進しておタの取得は可能です。前回のレーザー測量に比べると、機材費はかり、建築業界 でも ICT（Information and Communication Technologyなり安価になり、撮影の準備も大幅に簡単になります。

…情報通信技術）を取り入れた業務導入が積極的になっています。

図 1 で示す視点場から写真撮影は行えませんが、撮影後に 3 次

その状勢の中で BIM（Building Information Modeling）設計に有効に元データ化することで、自由に描写のための視点場を定めることがで活用できる測定方法として、3 次元レーザー測定の有効性についてきます。このように、写真測定では鮮やかな建築物の形態データを前回紹介しました。今回は、もう一つの 3 次元測定方法の「3 次元再現することができます［図 1］。屋根がすべて表現できないことは、写真測定」を解説します。

写真撮影範囲に限界があるので、完全に全体像を取り込めません

写真測定とは、写真画像から寸法を得る手法のことです。広い意が、ドローン（UAV … Unmanned Aerial Vehicle）による撮影データを味で言いますと、寸法が判断できる何かを測定の対象物と一緒に撮組み合わせることで改善できます。こうして得たデータを、測定のた影し、縮尺を比較することにより長さを計算する古くからある手法もめの元図とします。

写真測定と呼べます。しかし、これでは 3 次元の測定とは呼べません。今回は 3 次元写真測定の代表的な手法である SfM（Structurefrom Motion …多視点ステレオ写真測量）について解説します。

測定用写真 の 撮影
次に、現場での写真の撮影方法を解説します。

多視点ステレオ写真測量

無計画・ランダムに撮影した写真を SfM ソフトに取り込めば 3Dデータができあがる水準にまで SfM ソフトの技術は到達していませSfM（多視点ステレオ写真測量）の手法を概説すると、写真を複数枚ん。そこで、3 次元データ化を前提とする写真撮影を行う必要があり撮影し、パソコン上で多視点ステレオ写真測量のソフトウェア（以下、ます。以下、重要文化財・舞鶴旧鎮守府倉庫施設舞鶴海軍需品庫

SfM ソフト）に複数枚の写真を取り込み、それらの写真を結合処理すでの調査事例に基づき解説していきます。

ることで、3 次元データを取得する技術と言えます［図 1］。

SfM ソフトの内部では、画像中の特徴点を抽出し、隣接する画像との共通する特徴点を、画像素子、レンズ焦点位置に加え、光線との関係を解析する計算により、立体形状を求めていきます。SfM ソフトの開発者が独自の手法を日夜研究しているので、詳細は示すことができません。最近は、多くの市販の SfM ソフトが販売されています。測定の対象物、利用方法により最適なソフトウェアを選んで使用します。
現場で使用する機材はデジタルカメラのみです。デジタルカメラが高画素であればあるほど、綺麗な 3 次元データを得ることができます。コンパクトカメラやスマートフォンのカメラからでも 3 次元デー

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図 1 写真測定結果の例（重要文化財・舞鶴旧鎮守府倉庫施設舞鶴海軍需品庫）

写 真 1 1 枚目の 撮 影 画像（撮影箇所 1）

電信柱

扉1
写 真 2 2 枚目の 撮 影 画像（撮 影 箇 所 2）。写 真 1と重なっている画像情報が 電信柱付近以外 には少ない

電信柱

写真 4 タイポイントの抽出（緑の点が抽出されたタイポイント）。これらの点を重ね合わせて複数枚の画像を結合する

扉2
写 真 3 3 枚目の 撮 影 画像（撮影箇所 3）。撮影箇所 1、撮影箇所 2 の間で撮影したこの画像データ
では、撮影箇所 1 で撮影した「扉 1」、撮影箇所 2で撮影した「扉 2」を撮影している
扉1

電信柱

扉2

図 1 を作成するための撮影ルート（黄色い点が撮影箇所を示す）。この測量では、すべて地上（G.L.）から撮影したために、天井部分の表現が薄くなった。そこで、遠方からの撮影と建築物に隣接する坂道から、撮影した画像写
真で表現が薄くなる屋根部分を補っている
図2

オーバーラップや床など特徴点がない箇所の画像では、結合を行えない傾向が見多視点ステレオ写真測量では、SfM ソフトで複数枚の写真を結合し、られます。特徴点が写りこむことを意識して撮影することや、測定対3 次元データを作成します。そのため、それぞれの写真に結合する象にマーカー（タイポイントになる目印）を設置し、特徴のある点を準ための、画像同士が重なる部分が必要になります。

備してから撮影を行うなどの工夫が必要となります［図 2］。

写真 1 の撮影箇所から写真 2 の撮影箇所へ移動して撮影した場
合、「電信柱」が 写真の右端から左端へ移動しています［写真 1・2］。

撮影枚数

その際、「扉 1」は写真 2 では写っておらず、「扉 2」が写っています。

上述したように、基本的には一定の距離を保ち、画像同士のオー

この撮影での移動距離では、写真同士のオーバーラップが非常にバーラップを意識し、特徴点を撮影しながら適切な順番とルートで少ないので、3 次元データの作成はできません。

撮影していくと、3 次元データを作成しやすい画像データを得られま

そこで必要となってくるのが、写真 3（撮影箇所 3）の撮影です［写真3］とが電信柱を挟み、横並び。写真 3 を撮影することで「扉 1」「扉 2」であることがソフトウェアで認識され、3 次元データが作成できます。

すが、写真の撮影枚数により、結合して作成する測定データの質が変わります。
図 3 は、建物正面からの写真撮影で作成した 3 次元計測結果ですが、建物の奥行きの情報が足りずに発生する現象です［図 3］。平タイポイント面（2 次元）から 3 次元データを作成しているためにこのようなことがSfM ソフトは、写真と写真を結合するために、写真の中から特徴的起こります。奥行きの情報も十分に取得しないと、平面的な位置にな点（タイポイント）を見つけ出します［写真 4］。抽出された特徴点同士あるものか、奥行きがあるのか、といった情報が得られないためにこを結合して写真を数珠繋ぎにしていきます。のようなことが起こります。

使用する SfM ソフトにもよりますが、同じタイポイントを見つけ出

なお、現場での写真の撮影枚数については、何枚撮影するのがす処理は、連続した写真から抽出していく作業の流れになっている必要で適切か、という問題に正解はありません。写真の枚数が多い

ため、基本的には連続した写真のほうが、より結合しやすい傾向がと、精度や 3 次元データの再現性の側面から言えば、非常に有利なあると言えます。そのため、こうした特性を考慮して、適切な撮影の方向に働きます。その一方で、現場での作業時間が長くなり、SfM ソ順番を考えて撮影していくことも大切です。

フトでの処理時間も長くなる、といった課題が生じてきます。データ

また、タイポイントを抽出し結合を行っているため、色が 1 色の壁取得の目的や用途に応じて適切な撮影枚数を考えることも大切です。

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図 3（左） 平 面 的 な処理 に 留まる浮きや歪みのある画像
図 4（中 央） 立 体 的に再構成された画像
写真 5（右） 同じように見えるが 実際 の 撮
影写真

平面
タイポイントの項でも記載しましたが、SfM ソフトは特徴的な点を抽写真測定 の 課題と対策出して結合します。そのため、① 1 色の壁のような画像の場合は特徴点の抽出ができず、3 次元データの作成ができません。これに対比較的、手軽に測定ができ、色鮮やかで綺麗な 3 次元測定データして、②レンガ壁のような色や格子目があるような画像は特徴点のを作成することができる写真測定ですが、やはり弱点も存在します。

抽出が可能であり、3 次元データ化が可能です。

その弱点と対策について説明します。

図 6 の例 1 のような 1 色の壁面を撮影する時は、壁面以外の箇所も一緒に撮影を行うか、マーカーと言われるものを貼り付けて写

屋根 の 撮影「〇」や「＋」印、あるいは、図 6 の例 3 のような真撮影を行います。

据置型 3Dレーザースキャナーの弱点と同様に、屋根部分の測定はチェック模様を印刷した紙を壁面に貼り付けて撮影するだけでも、写真測定でも弱点となります。基本的には写真も見えるところしかマーカーとしての役割は十分果たされます［図 6］。

撮影ができません。自撮り棒や三脚を利用することで、ある程度の高さまでは上げることができますが、限界があります。

昨今は、流行りのドローンを使っての撮影も多く実施されています。

精度
マーカー利用などで撮影した対象物の領域は、3 次元レーザース

写真測定でのドローン利用は、専用のレーザー機器などを搭載するキャナーの精度に匹敵する測定ができます。しかし、データの質は、必要もなく、ドローンに元々搭載されているカメラを利用することが撮影の仕方や光源などに大きく左右され、総合的な精度は 3 次元可能なので、比較的簡単に航空測定が可能です。ただし、現在のレーザースキャナーのほうがよいのが現状です。

技術では、測量に用いることができるドローンは、ドローンの重量制限のもと、市街地などでは飛行許可が必要となます。

こうしたなか、写真計測の研究が盛んに行われています。計測用のステレオカメラや SfM とは 手法 が 異 なりますが、TOF（Time Of

図 5 のように上空からの撮影のため、屋根の部分もしっかりと3Flight）カメラなどもあります。TOF カメラとは、通常のカメラの構成次元データ化できます［図 5］。ドローンだけの撮影では軒下などの撮にパルス発光する光源を搭載し、光が戻るまでの時間を計測し、対影が不十分となるため、地上からの手持ち撮影と合わせた撮影が象物までの距離を測定するカメラです。撮影と同時に測定を行うこ推奨されます。とができるカメラで、3 次元レーザースキャナーに匹敵する精度をもつ日がくると思われます。

図 5 ドローンで撮影した画像からの 3 次元データ化（京都府宇治市のドローン練習所）。屋根の部分もしっかりと撮影できる

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例1

例2

特徴点が抽出できない平坦で 1 色の壁面の例。何か特徴となるものを撮影しないと撮影箇所が特定できない。人でもどこの画像であるか判別がつかない。このような画像は 3次元データに結合できない

例3レンガ壁。このような壁は特徴点の抽出が可能なので、3次元データに結合できる一様な壁にマーカーを貼り付けた例。
マーカーを特徴点として抽出する

図 6 平面の写真データの種別例

けています。
じつは、メッシュから頂点を抽出すると「点群」となります。つまり、多視点ステレオ写真測量 の 利用

3 次元写真測定で得られた 3 次元データは点群として利用することが可能であり、前回紹介した点群データの利用法と同じ利用ができ多視点ステレオ写真測量の利用方法について説明します。カラー写ます。

真が 3 次元データ化されているので、建築物の現状を観察するには3 次元レーザー測定と3 次元写真測定において、得られるデータとても適しています。また、実際のデータとしては、メッシュ化した 3は同じ「点群」です。3 次元測定と点群は切っても切れない関係です。

次元データ［図 7］に、撮影した写真データをテクスチャとして貼り付

次回は点群の利用方法を、実績を交えて紹介させていただきます。
謝辞
本稿は科学研究費 16H02386 の研究の一環として、舞鶴市の協力を得て実施した調査研究の一部である

あだち・もとあき（駅務システム開発）（株）アル
京都システムズ（株）、ソフト（携帯電話システム開発・カーナビゲーションシス
テム開発）、システムセグロ（カーナビゲーションシステ
ム開発）を経て、個人事業主として、機械設計・3D測定技術者・機械制御ソフト開発。2014 年 9月〜（株）シュルード設計代表取締役として、現在に至る。
機械設計・3D 測定技術者・機械制御ソフト開発。
京都府建築士会賛助会員

図 7 テクスチャを外したメッシュデータ

自習型認定研修 の 設問
設問 1

設問 2

現場での写真の撮影方法に関して、正しいものは次のどれか。

写真測定や 3 次元データ化に関して、正しいものは次のどれか。

a. 無計画に撮影した写真さえあれば、3Dデータが簡単にできる。

a. 屋根部分の測定は、自撮り棒や三脚を利用する程度でよい。

b. SfMソフトにもよるが、連続した写真は、より結合しやすい傾向がある。

b. 技術の進歩により、現在ではドローンを用いれば、すべてをまかなえる。

c. 精度や3 次元データの再現性は、写真の撮影枚数に比例しない。

c.レンガ壁の画像は特徴点の抽出ができ、3 次元データ化が可能である。

認定教材の設問への回答は、CPD 情報システムのページ

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※自習型教材の選択欄における会誌『建築士』
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