2D LiDARと3D LiDAR：2つのレーザースキャン技術の比較
2D LiDARの紹介
この記事では、2Dライダーと3Dライダーを取り上げる。 両技術を比較し、その仕組み、それぞれのアウトプットの違い、利点、限界、一般的な使用例を説明する。
2D LiDARとは何ですか？
この2Dセンシング技術は、光源からターゲットまでの距離を測定するために光を使用する。 光がターゲットに当たってセンサーに戻ってくるまでの時間と光速を組み合わせて、ターゲットまでの距離を正確に測定する。 センサーは多くの場合、ロボットのような動くプラットフォームに取り付けられる。 スタティック・プラットフォームもオプションである。
パルスの放射、反射、物体検出のプロセスを広範囲にわたって高速で繰り返すことで、物体を感知・検出し、エリアとその中の物体の2D表示を作成する。 例えば、ロボット掃除機によって作成された家の2D平面図は、各部屋の輪郭と、その中にあるさまざまな物体を示しているが、高さの情報はない。 ここでは、障害物は、レーザービームが物体に当たって跳ね返る地図上の明確な形や点の集まりとして現れる。
2D LiDARセンサーは通常、回転ミラーまたはセンサーを使用して、単一の固定角度にわたってレーザーパルスを照射し、周囲の物体を捕捉する。 このセンサーまたはミラーは、水平面または垂直面内で回転し、その面をスキャンする。 2D LiDARは単一平面のみをスキャンするため、エリアの平面、水平、垂直断面のいずれかのデータが取得される。
LiDARがどのように機能するかのより詳細な説明は、別の記事にある。 LiDARが距離を測定するさまざまな方法については、別の記事で詳しく説明しています。
2D LiDARのさまざまな出力とは？
ここでは、2D LiDARからの出力の一部を紹介します：
– 2次元点群：2次元平面上の距離測定値の集まり。 例えば、さまざまな部屋、さまざまなオブジェクトや壁を示す間取り図のような、屋内空間の2Dマップです。
– 2Dマップ：LiDARは、SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）の構成要素のひとつであり、環境内で物体を位置決めし、その中で方向付けや移動を行うための地図を作成する技術である。
– センサーから環境内のさまざまな物体までの距離測定。 2D LiDARによる距離とサイズの測定は、障害物の検出を可能にする。
誰が2D LiDARを使うのか？
ロボットは様々な用途で安全に移動するために、ナビゲーション、障害物検知、環境マッピングに2D LiDARを使用する：
– 製造：ロボットが複雑な組立ラインを自律的に移動することで、人間の介在の必要性を減らし、生産工程を合理化する。
– 物流：ロボットが倉庫や配送センターをナビゲートし、在庫管理と注文処理を最適化する。
– 農業：ロボットが作物畑を自律的に移動し、作物のモニタリングや精密散布を行う。
– ヘルスケア：ロボットは、投薬や患者の監視のために病院の廊下を安全に移動することができる。
この技術は、境界検出や定義されたエリアでの動きの追跡など、セキュリティ・アプリケーションにも使用されている。 その他の2D LiDARアプリケーションには、自律走行車、河川調査、汚染のモデル化、考古学、建築物建設などがある。
2D LiDARの利点は？
2D LiDARの利点は以下の通りです：
– 精度：2D LiDARは障害物を正確に検出し、最適な経路を計画します。
– スピード/効率:2次元LiDARセンサーは応答時間が早く、非常に効率的です。 シングルラインLiDARを使用し、レーザー光源からシングルラインのレーザービームを照射することで、高速スキャン、高解像度、高信頼性を実現している。
– さまざまな環境条件下での信頼性：ビジョンベースのセンサーとは異なり、LiDARはさまざまな照明条件下で、さらには暗闇でも問題なく作動する。 この信頼性が、さまざまな場面での使いやすさを高めている。
– コスト：2D LiDARセンサーは一般的に3D LiDARセンサーよりも手頃な価格です。
これらの4つの要因が組み合わさることで、2次元LiDARが物流のロボット工学によく使用される理由が説明できる。 ここでは、関連する障害物とナビゲーションポイントが同じ平面上に存在するため、垂直平面データは必要ない。
2D LiDARの限界は？
2D LiDARの2つの主な欠点は、限られた深度情報と極端な環境条件下での使用性である。
– 限られた深度情報：2D LiDARの主な欠点は、限られた深度情報です。 2D LiDARにおける深度測定とは、対象物までの距離を測定することである。 2D LiDARは一平面しかスキャンしないため、その平面内の深さしか測定できない。 これは、走査面の外側にある物体はセンサーによって検出されないことを意味し、2D LiDARの適用を制限する可能性がある。 例えば、ロボットに水平に取り付けられた2D LiDARセンサーは、同じ水平面上にある物体までの距離を測定できるが、その水平面より上や下にある物体は検出できない。
– 雨や霧などの環境条件下では性能に限界がある。 これらはレーザービームを散乱させ、データの精度に影響を与える。 LiDARとそのさまざまな気象条件下での使用についてのより詳細な議論は、別の記事でご覧いただけます。
3D LiDARの紹介
2D LiDARがどのようなもので、実際にどのように使われているかを理解したところで、3D LiDARを2D LiDARと比較する前に見てみましょう。
3D LiDARとは何ですか？
2D LiDARと同様に、3D LiDARはレーザーを使用し、レーザービームが表面で反射するタイミングを計って距離を測定する。 このプロセスを何百万回も繰り返すことで、すべての3Dポイントが保存された3D点群が作成される。 毎秒数百万のデータポイントを生成する3D LiDARシステムは、高精度、高精度で詳細なマッピングデータを提供します。 3Dレーザースキャニングシステムは、地図やモデルなどの3D製品の基礎となる3D点群を直接キャプチャして保存します。
3D LiDARは、スキャナーが搭載された静止または移動式のプラットフォームを使ってキャプチャされる。 モバイルLiDARスキャンとスタティックLiDARスキャンの違いについては、別の記事で説明しています。 3D LiDARスキャナーの仕組みについては、別の記事で解説している。 また、3D LiDARデータは上空からキャプチャすることもでき、これはLiDARスキャンとはまったく異なるカテゴリーである。 今日、LiDARをキャプチャするための一般的なプラットフォームのひとつにドローンがある。
3D LiDARのメリットは？
3D LiDARには複数の利点がある。 そのいくつかを紹介しよう：
– 高精度：3Dレーザースキャニングは正確な3D測定を実現し、高精度が要求される用途に役立ちます。
– 迅速なデータキャプチャ：1秒間に大量のポイントデータをキャプチャし、迅速なターンアラウンドタイムとプロジェクトコストの削減を実現します。
– 汎用性：3Dレーザースキャンは、さまざまな対象物、テクスチャ、素材のキャプチャに適用できます。
– 一度キャプチャすれば、何度でも使用可能：キャプチャした点群データは、多数の地図やモデルを作成するために使用できます。
3D LiDARの使用例
3D LiDARデータの高精度・高精度を必要とする用途には、以下のようなものがある：
– 測量とマッピングセンチメートルレベルの精度は、3D LiDARとPPK、RTK、地上制御点などの追加技術を使用して得られます。
– 鉱業開坑ピットの正確な体積計算は、ドローンLiDARの一般的な使用例です。
– 建設・エンジニアリング建設プロジェクトのモニタリング
– デジタル遺産と考古学:3D LiDARは安全で非接触な技術であるため、3Dスキャナーはスキャン対象物に触れる必要がありません。 このため、例えばドローンLiDARシステムを使って上空からデリケートな物体や壊れやすい物体、そうした物体を含む場所を撮影するのに理想的な技術となる。
3D LiDARと2D LiDARの違いは？
2つのシステムの主な違いは、2D LiDARが単一平面上のデータしか取得しないのに対し、後者は3次元のデータを取得することである。 別の言い方をすれば、3Dは様々な角度で様々なレーザーを使用するため、データ量は大きくなるが、3Dレーザースキャニングでより広い範囲をカバーするため、環境に関する情報もより多くなる。
これは、レーザースキャナーがある距離から3Dスキャンをキャプチャできる観察可能な範囲を表すFoV（Field of View）と呼ばれる指標を使って説明するのがよいだろう。 2Dレーザースキャナーと3Dレーザースキャナーの主な違いは、3Dレーザースキャナーの垂直方向のFoVで、センサーがスキャンできる層や面の数にもよるが、通常30°から90°の範囲である。 2Dレーザースキャナーの場合、水平方向のスキャニングは通常180°から360°だが、垂直方向のスキャニングはない。
3D LiDARスキャナーは2Dセンサーよりも高価であるため、より広い範囲をキャプチャするには代償が伴う。 より正確なデータを取得するだけでなく、2D LiDARセンサーよりも広い範囲をカバーする。 3D LiDARセンサーは、多くの場合、単なるセンサー以上のハードウェアを備えたスキャニングシステムに統合されている。スキャニング中に正確な位置データを取得するには、IMUとGPS受信機も必要である。 このため、3Dレーザースキャナーは2Dスキャナーに比べて携帯性に劣るが、2Dスキャナーよりも複雑な環境をマッピングしたり、動いている物や静止している物を認識したりするのに適しており、周囲のデータをより多く正確に取り込むことができる。
マッピングのニーズに合わせてLiDARシステムを選ぶなら、YellowScanにお任せください。 どのYellowScan LiDARスキャナーがお客様のニーズに合っているか、製品比較ページでご確認ください。
よくある質問
3D LiDARよりも2D LiDARを好む産業は？
ロボットソリューションに依存する業界は、セキュリティ、製造、物流など、3D LiDARよりも2D LiDARを好むことが多い。
3D LiDARの利点は？
3D LiDARは、精密で正確な大量の3Dデータを迅速かつ安全に取得します。 点群データは一度取得すれば、別の成果物に何度も使用することができる。
2D LiDARはどのように機能するのか？
2D LiDARは、光を利用して光源からターゲットまでの距離を測定するセンシング技術である。 2D LiDARは、2D点群または地図を作成するために、対象エリアの平面、水平または垂直断面からデータを取得します。
3D LiDARとは？
3D LiDARは、スキャン装置の周囲全方向に照射される数百万個のレーザーによって、周囲を3Dで捉える。 その結果得られたレンジ測定値は、関心領域の3D表現を示す3D点群に保存される。
2D LiDARセンサーと3D LiDARセンサーの違いは何ですか？
2D LiDARは3D LiDARに比べ、水平面の上下の情報を捉えることができないため、周囲の情報が少ない。 その結果得られるデータも、3D LiDARセンサーよりも精度が低く、距離範囲も狭い。
