CPD講座

Continuing Professional Development Lecture

測量と計測技術の最前線
第5回

3 次元測定を用いた文化財のデジタル保存と可視化（1）
田中 覚、長谷川恭子、李 亮 ｜ 立命館大学情報理工学部

田中長谷川李ば、最近の 3 次元測定技術を用いれば、建造物の外側と内側を別々に測定し、あとから両者の測定データを合成して、建物全体の完全文化財 の 3 次元測定と可視化

な 3 次元構造を記述する点群を構成することも容易です。こうして得られた点群は、建物の外形だけでなく、内部の各部屋の構造や付近年の 3 次元測定技術の進展には著しいものがあります。具体的に属物をも記述する複雑なものとなります。

は、レーザー測定の技術、写真測定（フォトグラメトリ）の技術、そし上記のような大規模かつ複雑な点群の可視化は、最新の計算機て測定機器を遠くまで運んで遠隔測定を可能にする UAV（小型無人を使ってもなかなか大変です。そこで、可視化を行う場合、2 つの方航空機、通称ドローン）の技術が、ここ数年で格段に進化しました。こ向性が考えられます。一つは、データを許される程度に簡略化するこの技術進展により、現実世界の物体を、その形も色も、容易かつ精とです。点を間引いて点数を少なくしたり、間引いて残った点を用い密に記録できるようになりました。このような 3 次元測定で記録可能てポリゴンデータを生成したりする、などです。インターネット上の仮な対象は多いのですが、今回は、文化財の記録に焦点を当て、特に、想的なミュージアム（デジタルミュージアム）の構築は、主にこの方式

3 次元測定で取得したデータを活用した可視化について紹介します。

で行われています。もう一つは、最新の可視化技術を駆使して、点3 次元測定技術の発展を受けて、歴史的建造物などの文化財を群を生データのまま可視化することです。後者の可視化は、より精デジタルデータとして永久保存するプロジェクトが、世界の多くの国密な画像が得られるので、学術研究目的にも適しています。

で進められています。デジタル保存されたデータは文化財のデジタルアーカイブとも呼ばれます。デジタル保存によって、経年劣化しない形で文化財を永久保存することができます。加えて、貴重な文化祇園祭 のデジタル 保存財を、閲覧しても劣化の心配がないデジタルコンテンツとして、計算機の力を借りて有効利用することもできます。たとえば、外国の世界

毎年 7 月に京都市内で約 1 カ月にわたって行われる祇園祭は、千年遺産である宗教寺院の内部を、デジタル保存されたデータを基にし以上の歴史を有する世界的にも稀有かつ大規模な伝統行事です。て作成したバーチャルリアリティーで再現すれば、われわれは、寺院祭のハイライトは数十基の山鉾が豪華絢爛な装飾を施されて市内の内部見学ツアーを、仮想空間内で自宅にいながら体験できます。

を巡る山鉾巡行です。それ以外にも期間中にはさまざまな文化行事

このようなバーチャルリアリティーも文化財の可視化の一つです。

が行われます。この祇園祭をデジタル保存するのであれば、山鉾なさて、3 次元測定で取得されるデータは、これまで説明されたようどの有形文化財だけでなく、祭の行事そのものを無形文化財としてに、3 次元的な点の集合となります。こうして得られる点群は、多く保存する必要があります。デジタル保存の分野では、有形文化財をの場合、極めて大規模なデータとなります。大規模文化遺跡の測定「モノ」、無形文化財を「コト」とも呼びます。祇園祭の全体像を保存などでは、しばしば、数千万点から数億点規模の点群が得られます。

するには、モノとコトの両方を保存する必要があります。3 次元測定は、たとえば、ケントカウエス女王墓（エジプト）で 3 億点、マチュピチュその両方のデジタル保存に用いることができます。立命館大学では、（ペルー）で 3 億点、ハギアソフィア大聖堂（トルコ）で 9 億点の点群

約 20 年前から祇園祭のデジタル保存を進めてきました［文献 1］。以下が得られました。このような点群の特徴は、そのデータの巨大さだけでは、そのデータを活用した祇園祭の可視化を事例として取り上げ、でなく、データが記述する 3 次元形状の複雑さにもあります。たとえ3 次元測定に基づく文化財の可視化について述べていきます。

36 Ke n c h i k u s h i2020.3

図 1 航空 3 次元測定により作成した京都の 3 次元マップ（提供…立命館大学
文学部 矢野桂司教授）

図 4 祇園祭・船鉾の鉾建て過程の記録。時間をおいて繰り返し 3 次元測定を行って時系列データを得ることで、無形文化財（コト）の保存が可能になるが、別途に撮った写真をポリゴンデータと融合させるテクスチャマッピ
ングというCG 技法を使うことで、リアルな可視化が可能となりました。

群衆や曳き手も CG で人工的に作成して加えました［図 2・3］。
図 2 祇園祭・山鉾巡行のバーチャルリアリティー再現

山鉾建ての 可視化（ コトの 可視化）
われわれは、山鉾の実物に関しても、数基の 3 次元測定を行いました。山鉾は有形文化財ですからモノです。しかし、すべての山鉾は、毎年の祇園祭の際に部材から組み立て直し、その組み立ての様子は無形文化財とされています。これはコトです。そこでわれわれは、山鉾の組み立て過程を、適当な時間間隔で複数回 3 次元測定する
図 3 立体視システムを用いた祇園祭・山鉾巡行のバーチャルリアリティー体験ことで、モノとコトの同時保存を行いました。山という種類の山車の組み立てを「山建て」、鉾という種類の山車の組み立てを「鉾建て」と言います。合わせて「山鉾建て」です。
さき まつり図 4 は、祇園祭前半の前祭の巡行の最後尾を進む、船の形をし山鉾巡行 のバーチャルリアリティー再現た「船鉾」の鉾建て過程を、3 次元測定で記録したものです［図 4］。
また、写真 1 は鉾建ての様子です［写真 1］。船鉾の組み立てには 3日祇園祭のハイライトである山鉾巡行では、山あるいは鉾という2 種類半ほどかかります。毎朝定時に測定を行い、第 1 回の測定で得られの山車（合わせて山鉾と言います）が京都市内を回ります。この様子をたデータに、第 2 回以降のデータを順に重ねていくことで、船鉾がバーチャルリアリティーで再現するには、町並みと山鉾の両方を仮想次第に組み上がっていく様子を記録しました。山鉾建てに関しては、空間に取り込まなくてはなりません。まず、町並みに関しては、航空紙に書かれた手順書は存在しません。手伝い方、大工方、車方な機を使った 3 次元測定を行って京都市内の 3 次元マップを作成し、どのグループが、それぞれの分担内容を口伝として伝えているのみでこれを基に正確に再現しました［図 1］。次に、山鉾に関しては、京都す。山鉾建ては、まさに無形文化財（コト）に他なりません。3 次元

中央信用金庫が所蔵する精密な縮小模型を 3 次元測定して、3 次元測定は、直接的にはモノを記録する技術ですが、このように繰り返しモデルを作成しました。町並みも山鉾も、3 次元測定で得られた点群の測定で時系列データを得ることで、コトの保存が可能になります。のままではデータサイズが大きすぎて、バーチャルリアリティーに不向さて、図 4 は、内部が見える透視可視化となっています。山鉾建てきです。そこで、点群の簡略化を行い、ポリゴンデータに変換しました。

は、大まかに言って、下から上、中から外の方向に部材が組み上げ簡略化やポリゴンデータへの変換の過程で細部の情報が欠落します

られていきます。そのため、現実世界では、山鉾建ての最終日には2020.3

Ke n c h i k u s h i37

写真 1（左） 祇園祭・船鉾の鉾建ての様子、図 5（右） 図 4（d）の状態の船a 強調前鉾を別角度から見たもの。透視可視化によって、複数時刻に組み込まれた部材が全て見える 4 次元可視化が実現している

b 強調後
図7

3 次元エッジの強調による形の明瞭化

非写実的可視化 による 3 次元シーンの 理解
図6

祇園祭・八幡山の透視可視化図

可視化を有効利用する方法をもう一つ紹介します。可視化には、写実的な可視化と非写実的な可視化があります。写実的な可視化では、現実世界をできるだけ忠実に再現することをめざします。図 2 の早い時期に組み込まれた部材を見ることができません。そこで、われバーチャルリアリティーは写実的な可視化の例です。一方で、非写われが開発した 3 次元測定データ用の透視可視化技術「確率的ポ実的な可視化では、現実世界の重要な部分を強調したり、逆に不イントレンダリング」を用いて、内部が見える可視化を行っています。

要な部分を削除したり、その他の人間の目で直接現実世界を見るのこの透視可視化の技術は、奥行を正確に表 せる上、3 次元測定でとは違う映像を生成したりして、可視化対象の理解を助けることをめは避けられない測定ノイズの影響を最小限に抑えた高精細可視化

ざします。前述の透視可視化は非写実的な可視化の一種です。

を可能にします。技術の詳細に関しては文献 2 をご覧下さい。

透視可視化により、部材が順に組み上げられていく過程がわかり、3 次元測定データの非写実的可視化で重要なのが、3 次元エッジの強調可視化です。たとえば、山鉾を構成する部材の角張った部かつ、すべての部材を常に見ることができます。図 5 は、図 4（d）の分を濃く目立たせて描けば、3 次元構造が見やすくなります。角張っ状態の船鉾を別角度から見たものです［図 5］。この 1 枚の静止画のた部分における局所的な点の広がり方向を分析することで 3 次元透視画像だけでも、鉾建ての各段階で組み込まれた部材がすべてエッジを抽出し、確率的ポイントレンダリングによってその部分の不見えています。つまり、過去が見えているわけです。

透明度を上げることで、3 次元エッジの強調可視化が可能になりま過去から未来の変遷という時間情報を可視化することは、通常す［図 7］。図 7-a は、八幡山の下部の車輪の部分です。この部分の 3は、動画やアニメーションを用いて行われます。しかし、静止画であっ次元測定では、現場の事情から十分な点数が得られませんでした。ても、透視を組み合わせることで、時間情報の可視化が可能にな

そこで、3 次元エッジ部分を濃く描いて可視化し直したのが、図 7-b

ります。時間情報が入るという意味で、透視可視化は静止画であです。車輪の形が明瞭になりました。角張った部分が少ない場合は、りながら 4 次元可視化となっています。図 6 は、図 5 と同様な透視可人工的な視覚ガイドを重ね合わせることも可能です。

あと まつり視化を、祇園祭後半の後 祭における重要な山鉾の一つ「八幡山」

図 8 は祇園祭関連のデータではありませんが、滋賀県の栗東歴について行ったものです。船鉾と同様に、最終段階の状態の可視化

史民族博物館が保存する古民家内の土かまどを 3 次元測定して、において、過去（内部深くに組み込まれた部材）が見えています［図 6］。

透視可視化したものです［図 8］。図 8-a は 単純 な 透視可視化、図38 Ke n c h i k u s h i2020.3

8-b は、これに人工的な 3 次元格子を視覚ガイドとして重ねたものです。格子の形の点群を人工的に生成して、3 次元測定データに重ねました。この 3 次元格子を手がかりにして、土かまどの各部分を観察することができます。

a 透視可視化した図

3 次元測定データ可視化 の 大きな 可能性
3 次元測定データの利活用のためには、点群の可視化が必須です。
しかし、大規模な点群では伝統的な CG の技術が使えないため、これまでは、各点に単純に色を付けて描く方式が主流でした。しかし、

b 透視可視化した図に人工的な 3 次元格子を視覚ガイドとして重ねる

最新の大規模点群の可視化技術を使えば、さまざまな新しい表示

図8

視覚ガイドとしての 3 次元格子の重畳が可能になります。今回は文化財を対象として実例を紹介しましたが、文化財以外の 3 次元測定データにも有効です。たとえば、プラント3 次元測定のデータを用いて、工場の内部の様子を現状のまま可視化すれば、ビジュアルなプラントシミュレーションが可能になります。それ以外にも、現実世界を 3 次元測定して可視化することで、たなか・さとしさまざまなビジュアルシミュレーションが可能になるでしょう。このよう立命館大学情報理工学部教授。1987 年早稲田大学大学院理工学研究科物理学及応用物理学専攻博士後期課程修了。理学博士。
大規模・複雑データの可視化の研究に従事。Eurographics、ACM、
日
本シミュレーション学会、可視化情報学会等会員。
日本学術会議連携会員。日本工学会フェローに、3 次元測定データの可視化は、大きな可能性を秘めています。

参考文献
1. 八村広三郎、田中覚、西浦敬信、田中弘美「文化遺産の記録と再現──
（小特集 文化創造学を目「コト」のディジタルアーカイブの実現に向けて」
指す工学、電子情報通信学会誌、99-4、2016 年）2. S.Tanaka, K.Hasegawa, N.Okamoto, R.Umegaki, S.Wang, M.Uemura,A.Okamoto, and K.Koyamada: “See-Through Imaging of Laserscanned 3D Cultural Heritage Objects based on Stochastic
Rendering of Large-Scale Point Clouds”, ISPRS Ann. Photogramm.
Remote Sens. Spatial Inf. Sci., III-5, 73-80, 2016.
謝辞
3 次元計測に御協力いただいた下記団体に感謝致します。公益財団法人祇園祭船鉾保存会、公益財団法人八幡山保存会、栗東歴史民俗博物館

はせがわ・きょうこ
立命館大学情報理工学部講師。2004 年筑波大学大学院工学研究科電子・情報工学専攻博士課程修了。博士（工学）。CG、科学シミュレーション可視化、点群可視化等の研究に従事。日本シミュレーション学会、可視化情報学会等会員

り・りょう
立命館大学情報理工学部准教授。2011 年広島大学大学院工学研究科情報工学専攻博士後期課程修了。博士（工学）。画像処理、バーチャルリアリティ、及びその文化系分野への応用の研究に従事。
IEEE、ACM、日本バーチャルリアリティ学会、日本シミュレーション学会等会員

自習型認定研修 の 設問
設問 1

設問 2

3 次元測定に関して、正しい説明はどれか。

非写実的な可視化に関して、間違っているものはどれか。

a. モノのデジタル保存しかできない。

a. 現実世界をできるだけ忠実に再現する。

b. モノとコトの両方のデジタル保存に用いることができる。

b. 現実世界とは違う映像を生成し、可視化対象の理解を助ける。

c. コトのデジタル保存しかできない。

c. 構成部材の角張った部分を目立たせて描けば、3 次元構造が見やすくなる。

認定教材の設問への回答は、CPD 情報システムのページ

https://jaeic-cpd.jp/にアクセスのうえ、お願い致します。
※不正解の場合は、単位に登録できない場合があります。
※自習型教材の選択欄における会誌『建築士』
選択項目は、平成 28 年 1 月より建築士会会員のみの表示項目になります。

2020.3

Ke n c h i k u s h i 39