SfM処理の仕組みとは？写真から3Dモデルを生成する技術
建設業や土木業界では、現場の状況を正確に記録・共有するために3Dデータの活用が進んでいます。
その中で注目されている技術が「SfM（Structure from Motion）」です。
SfMは、複数の写真から対象物や地形の立体形状を再現できる技術であり、ドローンやデジタルカメラを活用した3D測量にも広く利用されています。
近年ではソフトウェアの進化によって、専用のレーザー計測機器がなくても3Dモデルを作成しやすくなりました。
なお、測量用途で高精度を求める場合は、GCP（標定点）やRTK測位などを併用することが一般的です。
本記事では、SfM処理の仕組みや作業の流れ、必要な機材、導入メリット、注意点までわかりやすく解説します。
SfM処理とは？
「SfM（Structure from Motion）」とは、複数の写真から対象物の形状やカメラの位置関係を解析し、3次元モデルを生成する技術です。
写真測量の一種であり、異なる位置から撮影された画像の共通部分を利用して立体的な情報を復元します。
従来の3D計測ではレーザースキャナーなどの専用機器が必要でしたが、SfMでは一般的なデジタルカメラやドローン搭載カメラで撮影した写真を利用できます。
SfMの大きな特徴は、複数の写真をもとに対象物を3D化できることです。
生成されたデータは、点群データや3Dメッシュ、オルソ画像などさまざまな形式で活用されており、建設・土木・インフラ点検・文化財調査など幅広い分野で利用されています。
写真から3Dモデルが生成される仕組み
SfM処理では、撮影した写真を解析しながら対象物の形状を計算していきます。
ここでは、3Dモデルが生成される基本的な仕組みを紹介します。
特徴点を抽出する
まず、各写真から特徴点と呼ばれる目印を抽出します。
特徴点には建物の角や模様、境界線など、他の写真でも識別しやすい箇所が利用されます。
特徴点を照合する
次に、複数の写真に写っている同じ特徴点を対応付けます。
どの写真に同じ場所が写っているのかを判別することで、写真同士の位置関係を把握します。
三角測量で位置を計算する
対応付けられた特徴点を基に三角測量を行い、空間上の座標を算出します。
これによって、対象物の空間上の位置や立体形状が推定されます。
点群データや3Dモデルを生成する
算出された座標情報を基に点群データが作成されます。
その後、点群を高密度化し、3Dメッシュやテクスチャを付与することで立体的なモデルが完成します。
この一連の処理によって、平面的な写真から立体的な3Dデータが生成されます。
SfM処理の基本的な流れ
SfMによる3Dモデル作成は、撮影から解析まで複数の工程で進められます。
撮影計画を立てる
精度の高いモデルを作成するためには、写真同士が十分に重なるように（オーバーラップを確保するように）撮影計画を立てる必要があります。
一般的には前後方向80％程度、左右方向70％程度の重複率が推奨されています。
対象物を撮影する
デジタルカメラやドローンを用いて対象物を撮影します。
建物や構造物の場合は真上だけでなく斜め方向からも撮影することで、側面の情報を取得しやすくなります。
専用ソフトで解析する
撮影した写真をSfMソフトウェアへ取り込み、自動解析を実施します。
特徴点の抽出や照合、3D再構成などの処理が行われます。
成果物を出力する
解析後は、点群データや3Dモデル、オルソ画像などの成果物として出力されます。
SfM処理に必要な機材
SfMは比較的導入しやすい技術ですが、精度の高い成果を得るためには適切な機材選びが重要です。
デジタルカメラ
高解像度の写真を撮影できるカメラが適しています。
ミラーレスカメラや一眼レフカメラが多く利用されています。
ドローン
広範囲の測量ではドローンが活躍します。
短時間で大量の写真を取得できるため、地形測量や造成工事などに適しています。
GNSS・RTK機器
高精度な座標情報が必要な場合はGNSSやRTK機器を利用します。
位置情報を付与することで、より正確な3Dモデルの生成が可能になります。
SfMソフトウェア
撮影した写真を解析するためには専用ソフトが必要です。
近年はクラウド型サービスも増えており、高性能なパソコンがなくても利用しやすくなっています。
SfM処理のメリット
SfMが多くの現場で採用されている理由には、さまざまなメリットがあります。
導入コストを抑えやすい
レーザースキャナーと比較すると、カメラやドローンを利用できるため初期費用を抑えられます。
広範囲を効率的に計測できる
ドローンと組み合わせることで広大なエリアを短時間で撮影できます。
カラー付きの3Dモデルを作成できる
写真を利用するため、実際の色彩情報を保持した3Dモデルを生成できます。
DX推進につながる
取得した3DデータはCADやGISと連携できるため、現場管理や維持管理の効率化に役立ちます。
現場のデジタル化を進めるうえで、SfMは重要な技術の一つです。
SfM処理を行う際の注意点
SfMは便利な技術ですが、精度を確保するためにはいくつかの注意点があります。
写真の品質が結果を左右する
ピンボケや露出不足の写真が多いと、解析精度が低下する可能性があります。
反射物や単調な面は苦手
ガラスや水面など反射の強い場所では特徴点を認識しにくくなります。
また、模様の少ない壁面も解析が難しい場合があります。
座標管理が必要になる
測量用途で利用する場合は、GCP（標定点）やRTK測位による座標補正が必要です。
処理時間がかかる場合がある
写真枚数が増えるほど解析時間も長くなります。
大規模案件では処理環境の整備も重要です。
SfMとレーザー測量の違い
SfMとレーザー測量はどちらも3Dデータを取得する技術ですが、計測方法が異なります。
SfMは写真から形状を推定する手法であり、低コストかつカラー情報を取得できる点が特徴です。
一方、レーザー測量はレーザーを照射して距離を直接計測するため、暗所や特徴の少ない対象物でも高精度な計測が可能です。
そのため、コストや用途に応じて使い分けることが重要です。
まとめ
SfM処理は、複数の写真から対象物の形状を解析し、3Dモデルや点群データを生成する技術です。
カメラやドローンを活用して比較的低コストで導入できるため、建設・土木・インフラ管理など幅広い分野で活用が進んでいます。
一方で、撮影方法や座標管理によって成果物の精度が大きく変わるため、適切な機材選定や運用ノウハウが重要です。
SfMを活用した3D計測や点群データの活用をご検討の方は、ヤマイチテクノまでお気軽にご相談ください。
現場に合わせた最適なソリューションをご提案いたします。
1989年入社以来、長年のCADシステムの営業経験を活かし現在3Dレーザースキャナーを中心に営業展開。東日本を担当する。
3Dレーザースキャナーの
販売・レンタル・計測業務受託
ハードウェア／ソフトウェアの販売から、機材のレンタル、計測業務受託まで
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