フォトグラメトリとは｜写真から点群を作る仕組みと精度の確かめ方

フォトグラメトリとは、対象を異なる位置から撮影した複数の写真を解析し、形状・位置・色を3Dデータとして復元する技術です。日本語では「写真測量」と呼ばれます。スマートフォンやデジタルカメラでも始められますが、きれいな3Dモデルと、寸法判断に使える点群では、撮影と精度確認の要件が異なります。

本記事では、検索時に知りたい基本を次の順で解説します。

• 写真から3Dができる仕組み

• 必要なカメラ・パソコン・ソフトウェア

• 失敗を減らす撮影方法と作成手順

• メリット・デメリット、向く対象と活用例

• 3Dスキャン・3DGS・手作業モデリングとの違い

• 工場や建設現場で「使える精度」を確かめる方法

先に結論を言うと、形や色を低コストで広く記録したい場合はフォトグラメトリが有力です。一方、光沢・透明・無地の面や、写真に写らない箇所の計測は苦手です。業務利用では、完成画像の見た目だけでなく、標定点とは別の検証点で誤差を確認する必要があります。

執筆: bestat 編集部

フォトグラメトリとは

フォトグラメトリ（Photogrammetry）は、複数の写真に共通して写る特徴を照合し、撮影位置と対象物の三次元座標を計算する手法です。1枚では奥行きが決まらないため、同じ箇所が複数の写真に写っていることが前提になります。

日本語の呼び名は写真測量で、公的な計測方法の一覧にも並んでいます。国土交通省 国土技術政策総合研究所の手引きは、ドローンにカメラを積む方式（UAV-写真）を「ドローンにカメラを搭載し、上空から多数写真を撮影し、解析にて 3 次元形状を復元する仕組み」と定義しています。CG制作の技法として紹介されることが多い手法です。ただし、測る方法としても公的に定義されています。

解析の途中では、三次元座標を持つ点の集合である「点群」が作られます。点群から三角形の面を張ると「メッシュ」になり、写真の色を貼り付けると「テクスチャ付き3Dモデル」になります。目的によって、必要な成果物は異なります。

航空写真測量と近接写真測量

フォトグラメトリは、撮影距離と対象範囲から大きく2種類に分けられます。

• 航空写真測量：ドローンや航空機から地形・建物・造成地などを撮影する。広範囲の点群やオルソ画像の作成に向く

• 近接写真測量：人がカメラやスマートフォンを持ち、製品・設備・室内・文化財などを近距離で撮影する。細部や側面を記録しやすい

工場設備では、建屋全体をレーザースキャナーで押さえ、三脚の死角や個別設備を近接写真測量で補う方法もあります。

フォトグラメトリの仕組み

写真が点群になるまでの処理は、4つの段階に分かれます。国土地理院「UAVを用いた公共測量マニュアル（案）」第65条2項は、この一連の処理を三次元形状復元計算と呼び、「特徴点の抽出、標定点の観測、外部標定要素の算出、三次元点群の生成」までを含むと定めています。特徴点とは、複数の写真に共通して写っている同じ地点です。

外部標定要素は、撮影したカメラの位置と向きを指します。写真に写った同じ地点を手がかりにカメラの位置と向きを逆算し、そこから各点の座標を求めます。この4つの語は公的な規定の用語です。計測業者や設備メーカーと、工程のどこを指しているかを合わせられます。特徴点の見つけ方

復元の手がかりになるのは、写真に写った模様です。ソフトは複数の写真を突き合わせて、同じ模様の場所を同じ地点と判定します。模様の手がかりが無い面では、この突き合わせが成立しません。写真の枚数を増やしても、対象の面の側の条件は変わりません。

特徴点の見つけ方

復元の手がかりになるのは、写真に写った模様です。ソフトは複数の写真を突き合わせて、同じ模様の場所を同じ地点と判定します。模様の手がかりが無い面では、この突き合わせが成立しません。写真の枚数を増やしても、対象の面の側の条件は変わりません。

標定点の役割

写真だけで決まるのは、形の相似までです。実際の寸法も、どこにあるかも決まりません。ここを埋める点が標定点です。

標定点とは、あらかじめ座標を測っておき、撮影範囲に写し込む点です。前掲のマニュアル第53条は、標定点を計測対象範囲を囲む外側標定点と、範囲内に置く内側標定点に分けています。この点の座標が入ることで、点群に実寸と位置が与えられます。

屋外の公共測量では、地面に対空標識を置いて標定点にします。工場の設備では、同じ方法が取れません。この場合に代わりになるのは、別に実測した基準です。据付基礎の芯間、アンカーのピッチ、既設架台の開口寸法など、自社で確かめられる箇所から選びます。

ここで区別が要ります。既知の寸法だけを与えると、点群に入るのは尺度です。 工場内の座標系に載せて、既存図面や別日のデータと重ねたいなら、位置を測った点が必要になります。

標定点は、点群を合わせるために使う点です。合った結果を確かめる点は別に置きます。それが検証点です。

フォトグラメトリに必要な機材とソフトウェア

最低限必要なのは、写真を撮るカメラ、画像を解析するソフトウェア、処理またはアップロードに使うパソコンの3つです。計測目的では、スケールや座標を与えるための基準も用意します。

ソフトウェアは、スマートフォンアプリ、クラウドサービス、パソコンへインストールする製品、オープンソースに分かれます。「無料か有料か」だけでなく、次の項目を確認します。

代表的なパソコン向けソフトには、測量・GIS・文化財など幅広い用途で使われる Agisoft Metashape と、写真・レーザースキャンを扱える RealityScan（旧RealityCapture） があります。点群・メッシュ・オルソ画像まで作成できる 3DF Zephyr や、無料・オープンソースの Meshroom も選択肢です。

名称や対応OS、ライセンス条件は更新されるため、導入時は各公式サイトで確認してください。

• 必要な写真枚数・解像度を処理できるか

• 点群、メッシュ、テクスチャ、オルソ画像のうち必要な形式を出力できるか

• LAS／LAZ、E57、PLY、OBJなど、後工程で読める形式に書き出せるか

• 標定点・座標系・検証点を扱えるか

• カメラ位置、特徴点の分布、残差などの点検情報を確認できるか

試作や見た目の確認なら、スマートフォンアプリから始められます。測量、設備改修、既存図面との重ね合わせに使うなら、座標と精度を管理できる環境が必要です。

フォトグラメトリで3Dモデルを作る5つの手順

1. 用途・対象・必要精度を決める

最初に「何を3D化するか」ではなく、「3Dデータで何を判断するか」を決めます。外観を見せる、寸法を測る、既存図面と重ねる、別日の状態と比較する、といった用途によって、撮影範囲・成果物・必要精度が変わるためです。

対象の光沢、透明部分、無地の面、動く部分、隠れた面も事前に確認します。苦手な条件が判別したい箇所に重なる場合は、レーザー計測との併用や一時的な目印を検討します。

2. 写真が連続して重なるように撮影する

対象との距離を大きく変えず、隣り合う写真に同じ特徴が十分入るよう、少しずつ移動して撮ります。物体なら周囲を一周するだけでなく、目線の高さを変えて上面・下面も押さえます。設備や空間では、通路の分岐や似た景色が続く場所ほど、前後の写真がつながるようにします。

3. 写真を読み込み、カメラ位置と点群を計算する

撮影画像をソフトウェアへ読み込みます。ソフトは共通する特徴点を抽出し、写真ごとのカメラ位置と向きを推定して、まず疎な点群を作ります。その後、より多くの画素を照合して密な点群や深度情報を生成します。

4. メッシュ・テクスチャ・必要な成果物を出力する

用途に応じて、点群からメッシュを作り、写真由来の色をテクスチャとして貼ります。測量なら点群やオルソ画像、Web表示やCGなら軽量化したテクスチャ付きモデルなど、後工程に必要な形へ書き出します。穴埋めやノイズ除去は見た目を整えますが、存在しない形を補う場合があるため、計測用の元データとは分けて保存します。

5. 欠損と精度を確認し、必要なら撮り直す

写真の読み込み枚数、推定されたカメラ位置、特徴点の偏り、欠測部を確認します。計測用途では、標定に使っていない検証点の実測座標と、点群上の同じ点を比較します。許容範囲を外れたら、写真や標定点を見直して再計算し、それでも改善しなければ追加撮影します。

撮影で失敗を減らす7つのコツ

フォトグラメトリでは、写真単体の美しさよりも、ソフトウェアが写真どうしを対応付けられることが重要です。

1. 隣の写真との重なりを切らさない：対象の特徴が複数枚に連続して写るよう、小さな間隔で移動する

2. ピント・露出・色をできるだけ一定にする：オート設定が大きく変化すると、同じ面を別の特徴として扱いやすい

3. 手ぶれと被写体ぶれを避ける：暗所では照明や三脚を使い、稼働部や通行人が写り続けないようにする

4. ズームやレンズを途中で変えない：同じ撮影系列では焦点距離を固定し、カメラ条件の推定を安定させる

5. 正面だけでなく斜め・上・下から撮る：配管の裏、設備上面、凹部など、1方向から見えない面を意識する

6. 光沢と透明への対策を先に決める：照明の映り込みを抑え、許可される対象では除去可能な目印やマット処理を検討する

7. 現地で写真を点検する：ぼけ、白飛び、暗部、撮り忘れを確認し、撤収前に不足箇所を撮り足す

画像を単に大量に増やしても、同じ位置からの写真ばかりでは形状は安定しません。「枚数」より、対象を囲む視点のつながりと、判別したい面が鮮明に写っているかを優先します。

フォトグラメトリのメリット・デメリットと活用分野

メリット

• 汎用カメラで始めやすい：専用スキャナーがなくても、スマートフォン、デジタルカメラ、ドローンなど既存機材を活用できる

• 小物から地形まで対象範囲が広い：撮影距離と方法を変えることで、製品、設備、建物、造成地などを扱える

• 形状と色を同時に記録できる：写真由来のテクスチャにより、傷、汚れ、表示、素材感など外観情報を残しやすい

• 人が回り込める場所を柔軟に撮れる：据置型スキャナーを置きにくい狭所や、複雑な設備の側面を補完しやすい

• 過去の写真を再利用できる場合がある：重なりと画質を満たす写真が残っていれば、失われた対象や過去状態の復元に使える可能性がある

デメリットと注意点

• 光沢・透明・無地・反復模様が苦手：特徴点を見つけられない、または別の場所と取り違える

• 写っていない面は復元できない：裏側、上部、凹部、障害物の陰は欠測になりやすい

• 動く対象や照明変化に弱い：写真ごとに形や影が変わると、同じ特徴として対応付けにくい

• 解析に時間と計算資源が必要：写真枚数や解像度が増えるほど、処理時間、メモリ、保存容量が増える

• 写真だけでは実寸や位置が確定しない：計測や重ね合わせには、スケール、標定点、座標系が必要になる

• 見た目が自然でも精度を保証しない：穴埋めや平滑化で整ったモデルほど、実測との差が見えにくい場合がある

主な活用分野

同じフォトグラメトリでも、CG用途は「見た目」、測量用途は「座標と検証」、設備用途は「必要箇所が見えること」が品質の中心になります。用途を混同せず、成果物と合否基準を先に決めることが重要です。

業務で使える精度の目安

フォトグラメトリの誤差は、カメラの機種だけでは決まりません。撮影距離、写真の重なり、対象表面、標定点の配置などで変わるためです。まず梁下の高さ、フランジ位置、ボルト穴など、データで判別したい最小の対象から許容誤差を決めます。

国土地理院の「UAVを用いた公共測量マニュアル（案）」も、位置精度を、実測した検証点と点群上の同じ地点とのX・Y・Z方向の差で確認する考え方を採っています。公共測量の基準値を工場設備へそのまま流用するのではなく、用途に必要な精度を先に決め、別に測った点で確かめることが重要です。

検証点は標定点と別に置く

標定点は、点群へ実寸や位置を与えるために使う点です。そこが合っていても精度の証明にはならないため、計算に使っていない検証点を別に置きます。標定点から離れた複数箇所で、実測座標と点群座標の差（較差）が許容範囲内かを確認します。

納品物のどこを確認するか

納品時は、完成モデルの見た目だけでなく、使用された写真、推定カメラ位置、特徴点の分布、標定点の残差、検証点の較差を確認します。特に、標定点の残差だけでなく、計算に使っていない検証点の結果が提出されているかが重要です。

合わなければ撮り直す

許容範囲を外れた場合は、ぼけた写真や誤った特徴点を除いて再計算します。改善しなければ、標定点の配置を見直すか、欠けた視点から追加撮影します。試験計測では、この再計算と撮り直しも日程に含めます。

「点群ができた」「見た目が似ている」だけでは、精度を確認したことにはなりません。検証点ごとの較差を表で残して、次の撮影条件や他設備への展開判断に使います。

フォトグラメトリと他の3D作成手法の違い

選び方は「どの方式が最も高性能か」ではなく、形状・外観・寸法のどれを重視するかで決まります。

外観をリアルに残したいならフォトグラメトリ、無地の壁や設備を距離計測したいならレーザースキャン、自由視点で没入感を出したいなら3DGS、設計意図を持つ形状が必要ならCAD／3Dモデリングが基本です。実際の現場では複数手法を組み合わせます。

レーザー計測との使い分け

レーザーは対象までの距離を直接測り、フォトグラメトリは複数の写真から形を復元します。据置型レーザーは設置位置から見える面を密に取得できますが、設備の裏側は影になります。手持ちカメラは人が回り込める範囲を柔軟に撮れますが、高所や立入禁止区域には届きません。精度だけでなく、機材を据えられる場所と撮影者が移動できる範囲で選びます。

レーザー計測との併用

bestatの工場実証では、工場全体をFARO製3Dスキャナーで計測し、一部設備をスマートフォン撮影で補いました（出典）。1つの方式で全範囲を押さえるのではなく、広域・無地面はレーザー、回り込める個別設備は写真というように範囲を分けます。

写真では形が復元できない面

失敗は、点が出ない「欠測」と、別の場所へ点が出る「誤抽出」に分かれます。工場設備では、次の面を撮影前に確認します。

• 誤抽出が起きやすい面：グレーチング、有孔板、同じ形のラックが並ぶ列、繰り返し模様の床

• 欠測部が起きやすい面：無地の塗装面、広い床、ガラス、透明樹脂、水たまり

• どちらにも転ぶ面：鏡面のステンレス、光沢のある機械カバー

鏡面では映り込みが写真ごとに移動するため、欠測と誤抽出が同じ面に混ざる場合があります。

判別したい箇所が無地・反復模様・鏡面・透明のいずれかに当たる場合は、一時的な目印や反射対策が可能か確認します。対象へ処置できなければ、レーザー計測で補う方法が現実的です。

まとめ

フォトグラメトリは、汎用カメラで形状と色を3D化できる一方、撮影の重なり、対象表面、死角によって結果が変わります。まず用途と必要な成果物を決め、対象を囲むように撮影してください。

見た目を再現する用途では、欠損やノイズを確認できれば十分な場合があります。寸法や位置を業務判断に使う場合は、スケールや標定点を設定し、別に測った検証点との較差まで確認します。光沢・透明・無地の面を避けられない場合は、レーザー計測との併用も検討します。

工場設備をどの方法で3D化するか検討している場合は、3D.Core for Point Cloudについて相談できます。

よくある質問

写真は何枚必要ですか

一律の枚数はありません。対象の大きさ、形状、必要な細かさによって変わります。枚数だけを増やすのではなく、隣り合う写真の重なりを保ち、対象の周囲・上・下から死角なく撮ることが重要です。

スマートフォンだけでも作れますか

試作や外観確認なら、スマートフォンと対応アプリでも作成できます。寸法計測や既存図面との重ね合わせに使う場合は、撮影条件だけでなく、スケール、標定点、検証点、座標系を扱える処理環境が必要です。

フォトグラメトリのデータはCADで使えますか

そのままではCADの親データになりません。点群にあるのは形だけで、寸法の意図と部材の定義が入っていないためです。現況を見る・測る・干渉を確かめるところまでは点群で足り、そこから先の設計にはCADへのモデリングが別に要ります。そのモデリングを社内で行うか外へ出すかは、道具の選び方から分かれます。

3D.Core のサービス紹介資料をダウンロードできます。→ 資料ダウンロード

bestat 編集部について

bestat株式会社は、東京大学 松尾研究室発の産業用3Dデータに特化したAIスタートアップです。製造業・インフラ・土木の現場で、画像・動画・点群・360度動画など、現実空間で取得される多様なデータを高精度に3D化し、取得・生成・処理・活用までを一気通貫して支援する「3D.Core」シリーズを開発・提供しています。 https://bestat-data.com/3dcore

参考文献

• 国土交通省 国土地理院「UAV を用いた公共測量マニュアル（案）」（平成28年3月・平成29年3月改正）：https://www.gsi.go.jp/common/000186712.pdf

• 国土交通省 国土技術政策総合研究所「インフラ維持管理における既設構造物の３次元点群データ計測及びモデル作成の手引き」（令和4年4月）：https://www.nilim.go.jp/lab/qbg/researchfields/pdf/2204_3d-data-for-infra-maintainance-guidance.pdf

• note「Monthly bestat 3月号」：https://note.com/bestat/n/nb03beac7e279