点群と3Dモデル:建物の修復プロジェクトにおける新時代

ソフトウェアプロバイダーPointFuseのMark Senior氏をゲストに迎え、点群データが建物の修復プロジェクトにどのように役立つかを解説します。分野間のコラボレーションを円滑に進めるためには、点群データのサイズを縮小して処理することが不可欠です。Mark氏は、建物の細部を正確に復元するために、この作業をどのように簡単に行うことができるかを説明します。
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2019年4月、パリのノートルダム大聖堂が燃えるのを、世界はただただ恐怖の目で見守るしかありませんでした。塔の象徴である尖塔も失われましたが、ほぼ千年前に伐採された約51エーカーの森林から作られた大聖堂の木造の骨組みの多くも失われてしまいました。骨組みを忠実に置き換えるのに十分な高さの木材や樹木の十分な供給がありません。しかし、幸運にも、Andrew Tallonという歴史研究家の努力により、火災前の2010年の大聖堂の様子を10億以上のデータで表した点群が存在します。

ノートルダム寺院への情熱に突き動かされたタロン氏は、その美しい姿を写真に収めようとしました。三脚に設置されたレーザースキャナーを使い、建物のあらゆる側面を撮影した。時には身の危険を顧みず、建物の高い部分に登ったこともありました。また、パノラマカラー写真を撮影し、点群にRGBデータを追加していきました。

現在、現代建築と伝統建築の融合が約束された修復が本格的に進められていますが、最終的なデザインが1,160年当時の骨組みを彷彿とさせるものになれば素晴らしいことです。それが実現するとしたら、その点群や、10年以上経った今、建築家、エンジニア、修復家が使えるようにデータを解釈する最先端の点群マッピングソフトウェアのおかげになります。

点群の便益

数学的な物体は数式で記述することができ、建築家の図面には建物の外観が描かれ、写真には古い建物の美しさが写し出されています。しかし、長い年月をかけて風化・劣化した建物のディテールやニュアンスをすべて表現できるわけではありません。

点群データとは、対象物や建物内の1点1点のX、Y、Z座標を取得するものです。これは、レンガだけでなく、凹みやへこみ、くぼみなどもすべて捉えて記録することを意味します。RGBデータなどのコンテキスト情報は、非常に詳細な3Dモデルを構築するための情報レポジトリを構築するのに役立ちます。

以前は、CADの専門技術者が手作業でモデルを作成していましたが、現在では、点群データおよびスキャン中に取得したコンテキストデータを使用して、建物のリアルなコピーを仮想的に構築する専門ソフトウェアを使って、このプロセスを自動化することができます。

シリアのアレッポにある危機遺産「ベイト・ガゼレ」のGIFは、12億点のデータから点群CADソフトを使って作成されました。

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ベイト・ガゼレの超高精度3Dレーザースキャナー調査(12億データポイント)からの画像-シリアのアレッポにある遺産サイト。これは、遺構の調査、保護、緊急整備のための共同科学作業でした。

障壁・課題

点群データには、歴史的建造物の細部まで記録されており、将来のある時点から忠実に再現することが可能です-そのDNAを補足・保存するかのようです。しかし、その反面、ファイルサイズが大きく、保存・共有・活用が非常に難しいという欠点があります。

また、点が何を表しているかを判断し、点を繋げるには膨大なスキルが必要で、それでも人為的なミスで不正確さが発生する可能性があります。

さらに、異なる分野の人々が同じデータで作業することになるため、チームやソフトウェアパッケージを超えてシームレスに使用できることが重要です。クラウドソリューションでは、ユーザーはファイルの単一コピーにアクセスでき、最新バージョンで作業していることに確信を持つことができます。また、アクセスプロトコルにより、一度に一人のユーザーしか変更を保存できないようにすることができます。

これらの課題は、大規模な建築プロジェクトに共通するものですが、復旧作業には、現在の状態だけでなく、災害が発生する前の「ありのままの状態」をいかにして撮影するかという、さらなる課題があります。もちろん、過去にさかのぼって「ありのままの姿」を再現することはできませんが、ソフトウェアの使いやすさを向上させることにより、建物のデータの収集を大規模なプロジェクトではなく、半定期的にできるものにし、アーキビストの仕事を簡易化することはできます。

メッシュ:すべての点は関連している

空間のあらゆる点は、他の点との相対的な位置関係を持っており、その関係をベクトルで表現することができます。点群データを相互に接続された「メッシュ」に変換することで、冗長なデータを取り除くことができます。具体的には、3点間の三角形が大きくなるほどファイルサイズを小さくすることができます。ここで重要なのは、最終的な3Dモデルを強力にするディテールを失うことなく、重複するデータやノイズと呼ばれるもの(最終モデルには不要な人物や要素)を失うだけであるということです。

もちろん、手作業でメッシュを作成した場合、ヒューマンエラーが発生する可能性はありますが、現在では、この作業を迅速かつ正確に行える強力な点群ソフトウェア・アプリケーションが登場しており、経験豊富なCAD技術者は必要なく、ファイルサイズもギガバイトからメガバイトに縮小されています。

修復物を作るための3つのステップ

話はメッシュモデルで終わりではありません。メッシュ自体は、点群をより小さく、かつ同じように詳細なファイルにマッピングするための手段であり、異なるAs-Built BIMシステムで複数の人が使用できるようにするためのものです。

日常的な建築物の変形は、「As-built BIM」または「As-is」位置をキャプチャする点群から始まり、現状の本来の姿のスナップショットを表し、そこから建築家が最終デザインをオーバーレイすることになります。

しかし、建築遺産を保存・修復する場合、さらに重要な事前対策があります。それは、定期的に点群の「バックアップ」を取り、安全に保存することで、「現状」を把握することです。LiDARセンサーや携帯型スキャナー、身体装着型スキャナーを使えば、ユーザーはスキャンを行うことができますが、より大規模で複雑なスキャンは、これまではサードパーティのサプライヤーに依頼するのが一般的でした。時には、高い建築物の詳細なスキャンを入手するためにドローン技術を配備することさえあり得ます。

メッシュソフトウェアは、データ量の多い点群と最終的な設計ソフトウェアとの橋渡しをするだけでなく、万が一の場合に役立つアーカイブツールにもなります。

著者紹介

Mark Senior氏は、AECソフトウェアのリーディングカンパニーであるPointFuse社のビジネスディレクターです。PointFuseには設立当初から携わり、最先端の技術から今日のような商業的な成功へと発展させました。

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