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卓上型3Dスキャナを分解・・・

卓上型3Dスキャナを分解、中核を担っていたのはプリンタ用SoC

3D映画として非常に期待されていた「アバター」が1年ほど前に公開された。興行収入が27億米ドルというこの映画の素晴らしい成功以降、3Dメディアの需要が本格化したと言って間違いないだろう。

 すべての大手映画会社が、アバターの成功の後に続けとばかりに、3D映画の制作に全力を投じている。事実、2009年以降、約30本の映画が「RealD」と呼ばれる方式ですでに公開された。さらに、2011年5月までに20本以上の3D映画が公開される予定である。大手のテレビメーカーは、大型スクリーンから宅内のリビングルームに3D映像が進出するのを見通し、3D映像対応のデジタルテレビの製品化を進めている。

 盛り上がっているのは、映画業界やテレビ業界だけではない。実は、3D映像はインターネットにも進出しているのだ。YouTubeでざっと検索すると、多くのアマチュアビデオが3Dで配信されていることが、すぐに分かる。

 YouTubeなどの動画投稿サイトに、趣味で映像を投稿している利用者は、今後、3D映像の制作技術がどのように進展するか、興味を持っていることだろう。3D映像の制作技術について調べてみたところ、低価格の卓上型3Dスキャナを紹介しているNextEngineのWebサイトを見つけた。
図1
図1 NextEngineの卓上型3Dスキャナ
三角測量方式を使って対象物の立体構造をスキャンする。あるパターンを持たせたレーザー光線をスキャン対象物に投影する、「構造光スキャン」と呼ぶ、三角測量方式の一種を採用している。


三角測量で構造物をスキャン

 当社(UBM TechInsights)で分解調査を実施した結果、NextEngineの3Dスキャナは、3次元物体のメッシュファイルを出力するなど、高額な3Dスキャナと同様の機能を実現していることが明らかになった(図1)。

 NextEngineの3Dスキャナを紹介したWebサイトには、「80カ国以上で数千人が利用している、世界で最も人気のある3Dスキャナ」という説明があった。販売価格は、2995米ドルで、競合する3Dスキャナの1/10の価格だという。筐体の寸法は、辞書とほぼ同じ大きさである。用途は幅広く、工業デザインや電子機器のリバースエンジニアリング、アニメのCGI(Computer Generated Imagery)コンテンツの作成、美術品の複製などに使われている。

 NextEngineの3Dスキャナには、非接触型のレーザースキャン方式が採用されている。非接触型の3Dスキャン技術は主に、「TOF(Time of Flight)方式」と「三角測量方式」という2つの方式に分けられる。このうち、同社の3Dスキャナは三角測量方式を採用している。

 一般にTOF方式は、建物や自然の構造物など大きな物体のスキャンに使われる。スキャナを、スキャン対象物の物体から数km離れた場所に置いて使用することが多い。TOF方式の最も一般的な装置は、スポーツや狩猟、軍隊で活用されているレーザー距離計である。これに対して、NextEngineが採用した三角測量方式は、スキャナとスキャン対象物体の距離は数cm~数m程度である。3つの要素で形成した三角形の辺の長さを測定することで、対象物の立体構造をスキャンする。3つの要素とは、レーザーと、スキャン対象物に照射されたレーザーの位置、カメラである。

 NextEngineの3Dスキャナは、あるパターンを有するレーザー光線を、スキャン対象物に投影する「構造光スキャン」と呼ぶ方式を採用している。レーザー光のパターンのひずみは、スキャン対象物を走査する際に変形する。それをカメラで検出し、三角測量と同じ手法で、スキャン対象物上のすべての点の距離を計算する仕組みである。構造物スキャン方式の主な利点は、複数の点や視野全体を一度にスキャンできるため、スキャン時間が短いことだ。
図2
図2 卓上型3Dスキャナのメイン基板
ZoranのQuatroシリーズのシステムLSI「Quatro 4201M」が処理の中心的な役割を担う。主に写真プリンタや印刷複合機のメインプロセッサとして使うLSIで、動作周波数が67MHzのARM7コアと、動作周波数が133MHzのQuatro-4 DSPコアを搭載している。


8系統のレーザー光と2つのカメラを使う

 NextEngineは、構造光スキャンを実現するために、10mW出力の固体レーザーで構成したツインアレイを4つと、2つのCMOSカメラモジュールを組み合わせた独自技術「MultiStripe Laser Triangulation(MLT)」を開発した。

 合計8系統のレーザー光は、マイクロチップ・テクノロジーのフラッシュメモリ搭載マイコン「PIC16F819」と、テキサス・インスツルメンツの4回路入りオペアンプIC「LPV324」で制御している。レーザー制御用のプリント基板に、各半導体チップが実装してある。

 CMOSカメラモジュールの画素数は300万画素である。2つのCMOSカメラモジュールの設計は同じだが、焦点距離が異なる。一方は、5.1インチ×3.8インチ(130mm×96.5mm)の視野でマクロ画像を撮影し、もう一方は13.5インチ×10.1インチ(343mm×257mm)の広視野画像を撮影する。

 カメラモジュールに搭載されているのは、OmniVision Technologiesの1/2インチ型CMOSセンサー「OV 3121」だ。カメラモジュールには、モジュールの位置を調整する機構が備わっている。室温が変化したときに、適切な焦点距離を維持する。

 カメラモジュールには、スキャン対象物に照射されたレーザー光を取り込むとともに、3Dスキャナが出力するワイヤーフレームデータの周囲に配置可能なカラー画像を取り込むという2つの役割がある。カラー画像は、CMOSカメラモジュールの正面に取り付けられた7色ホイールモーターによって生成している。

 レーザーやカメラモジュール、モーターといったさまざまな部品を制御するのは、メインのプリント基板に搭載したシステムLSI「Quatro 4201M」である(図2)。 Zoranが開発したLSIで、動作周波数が67MHzのARM7コアと、動作周波数が133MHzのQuatro-4 DSPコアを内蔵している。実は、QuatroシリーズのシステムLSIは、一般に写真プリンタや印刷複合機のメインプロセッサに使われており、それを 3Dスキャナに活用した。

 Quatro 4201M用のワーキングメモリとして、Nanya Technologyの256MビットのSDRAM「NT5SV32M8BS」が2つ実装してある。メインのプリント基板に実装した半導体チップには、7 色ホイールモーターの制御に使う東芝製の7チャネルシンクドライバIC「TD62001AFG」や、ナショナル セミコンダクターの低オフセット電圧コンパレータIC「LM339M」などがある。
オークションに出された60件もの特許

 NextEngineのWebサイトから入手可能な技術文書には、同社の3Dスキャナに関連した、数多くの特許が出願中であることが記載されていた。

 出願している特許をざっと調べてみたところ、同社に投資している企業の1つであるBitfoot Venturesによって、NextEngineが世界各地で保有している60件の特許がオークションで売り出されていることが分かった。これらの特許には、特許ライセンスやソフトウエアのプログラムコード、商標、サービスマーク、登録著作権、非登録著作権が含まれている。知的財産の譲渡に関する通知によれば、Bitfoot Venturesはこれまで2回、公開オークションを実施したが、いずれも提示価格には達しなかった。

 NextEngineの3Dスキャン技術の高い信頼性や3Dメディアの需要の拡大などを考慮すると、特許を取得することで3Dスキャナの設計や開発に関する10年分の知的財産を入手可能だ。3Dが素晴らしい技術革新か、それとも移り気な映画ファンの一時的なブームで終わるのか、いずれにせよ、3D 技術への投資は、少なくとも当分の間は、衰えることなく続くだろう。

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