LiDARとは？
LiDARは、パルスレーザーの光を用いて物体を検出・分類するリモートセンシング手法です。LiDARセンサーは、周囲の物体の形状とその表面特性に関する正確な3次元情報を生成します。この技術は、目の安全な範囲内のレーザービームを使用して、調査対象の環境の3D表現を作成します。
LiDARセンサーの典型的なアプリケーションは、測量、地理、大気物理学、考古学であるが、今日では、ロボット工学、スマートシティ、自律走行車など、多くの最先端アプリケーションで使用されています。
LiDARの定義とは？
LiDARは、Light Detection and Rangingの頭文字をとったものです。また、レーザースキャンや3Dスキャンとも呼ばれています。
LiDARセンサーの主な構成要素
周囲をスキャンして仮想的に3D化するLiDARセンサーは、主にレーザーパルスを照射するレーザー光源、光を偏向させるスキャナー、反射光を集めるディテクターで構成されています。その他に、光学レンズなどがあります。
LiDARテクノロジーの仕組み
一般的なLiDARセンサーは、タイム・オブ・フライト法とも呼ばれる単純な原理で動作します。周囲の環境にパルス状の光波を送り、そのパルスが物体に反射したり跳ね返ったりして、センサーの検出器に戻ってきます。このパルスが戻ってくるまでの時間から、移動距離を計算することができるのです。
下図は、このタイム・オブ・フライト原理を簡単に説明したものです。
レーザーが光パルスを発し、物体で反射された光を検出します。センサーはレーザーパルスの発光から帰還までの時間（エコー）を計測します。そして、下図のような式で光の速度から距離を算出します。
この処理を1秒間に100万回繰り返し、高精細な3次元点群としてまとめます。これを1秒間に何百万回と繰り返すことで、高精度でリアルタイムの3Dマップができあがります。この3次元地図には、分析しやすいデータが含まれており、自律走行などの判断に活用することができます。
LiDARセンサーは何に使われるの？
LiDARセンサーは、生活のあらゆる場面で活用されており、その用途は多岐にわたります。
セキュリティ：LiDARベースのセキュリティシステムは、LiDARのリアルタイムデータ処理能力と高い正確度により、より安全なものとなっています。周辺防護からファサード検出、さらには群衆監視まで、幅広いアプリケーションに対応できます。
マッピング：測量では、3D計測を行うためにLiDARシステムが必要となることがよくあります。LiDARは、必要な景観のデジタル地形（DTM）とデジタル標高モデル（DEM）を生成するために使用されます。
建築物：LiDARは、建築環境の調査にも有効です。建物、道路網、鉄道などが対象で、スマートシティのアプリケーションに非常に重要です。
自動車：LiDARは、車載用アプリケーションのおかげで人気が再燃しています。LiDARセンサーは、自律走行車の実現に不可欠な要素です。ここでは、なぜLiDARが自律走行車に不可欠なのか、その概要を説明します。
不動産：レーザースキャナーは、室内空間の測定やバーチャルツアー用のデジタル・フロアプランの作成に使用されます。
建設：建設業界では、LiDARを使用して建築プロジェクトを追跡し、建築情報モデリング（BIM）アプリケーション用のデジタルツインを作成しています。また、LiDARはノートルダム寺院などの建物の修復、構造物の予知保全やモニタリング、建築家やエンジニアのためのRevitモデルなどの3Dモデルの作成に役立ちます。また、LiDARはログデッキなどの建築資材の体積測定や、セメントや砂のバルク体積測定にも役立ちます。
環境：LiDARは、洪水リスク、森林の樹木密度、海岸浸食のモニタリングなどのマッピングによく使われる方法です。
宇宙旅行：まだご存知でない方もいらっしゃるかもしれませんが、LiDARは地球外へのアプリケーションも可能です。NASAやElon Musk氏のSpaceXは、ロケットや地球外活動車両の着陸や操作を支援するためにLiDARを使用しています。
LiDARの主な種類は？
LiDARセンサーは、プラットフォーム、基礎テクノロジー、操作方法によって、さまざまなタイプに分類されます。下図は、プラットフォームに関する主なカテゴリーを示したものです。
高度なレベルでは、LiDARシステムは、航空と地上の2つのタイプに分けることができます。
航空LiDARセンサー
1960年代に開発された最初のLiDARシステムで、主に航空学や航空宇宙産業への応用を目的としています。航空LiDARは、通常、飛行機やヘリコプター、時には人工衛星に搭載してデータを収集します。地表に向かってパルス状の光線を発射し、その光線が物体に当たってセンサーに返ってきます。これにより、正確な距離の測定と、地表の特徴に関する重要な情報を得ることができます。しかし、このLiDARは長距離を測定するために非常に高い出力が必要で、非常に複雑かつ高価なテクノロジーです。
航空LiDARは、さらに2つの主要なカテゴリーに分けられます。特定の地域の地形をモニタリングしたりマッピングしたりするために使用される地形計測用LiDARと、水塊の深さを計測するために使用される水深計測用LiDARです。LiDARテクノロジーの進化の全貌はこちらからご覧いただけます。
地上LiDARセンサー
地上LiDARは、地上からスキャンを行うため、下方向だけでなく、ミラーを使って複数の方向からスキャンすることができます。そのため、航空LiDARでは到達しにくい場所でもスキャンすることができます。
地上LiDARは、高精度で高密度のデータポイントを収集できるため、物体を非常に正確に特定することができます。この高密度な点群は、車両の識別、高速道路や鉄道の調査、3D都市モデルの作成などに利用されています。
地上LiDARシステムには、静止型LiDARと移動型LiDARの2種類があります。
静止型LiDARセンサー
静的LiDARは、静止した位置から点群データを収集します。上方を含む全方向をスキャンすることができます。センサーは1つのスキャンが完了した後、別の場所に移動させることができるため、スキャン中は固定されているものの、静的システムは完全にポータブルです。静止型LiDARは、一般的に鉱業、測量、考古学の分野で使用されています。
モバイルLiDARセンサー
モバイルLiDARは、最新のマッピングと自律走行ソリューションをリードしており、高品質のデータポイントを収集するために最高級のLiDARテクノロジーを組み込んでいます。この方法は、1分間に数百万の3D設計点を取得するために採用することができます。モバイルレーザーは、1平方フィートあたり最大150ポイントのデータ密度を提供することができ、他のすべてのLiDAR手法と比較して、座標を取得する最速の方法となっています。
メカニカルLiDARセンサーとソリッドステートLiDARセンサー
モバイルLiDARには、メカニカルLiDARとソリッドステートLiDARという2つのタイプがあります。
回転型LiDARは、レーザーダイオードを機械的に制御するためにギアとモーターに依存しています。このため、周囲を360度見渡すことができ、研究開発や自律走行システムのプロトタイピングに利用されていますが、機械部品が動くため故障が発生しやすいという問題があります。また、複雑な設計やセットアップ、大きな寸法、手作業による構造のため、振動の影響を受けやすく、高価（数万円～）です。そのため、大量に生産する場合でも、費用対効果があまりよくありません。
それに比べ、MEMSベースのLiDARシステムは、半導体テクノロジーをベースにしているため、モーターによる機械的な走査を行わずに構築されています。そのため、システム全体がより複雑にならず、コンパクトで長寿命です。また、安価で信頼性の高い生産が可能なため、大量生産と商業的な実用化への道も開けています。したがって、ソリッドステートLiDARシステムは、多くのアプリケーション、特に次のレベルの自律走行に対するブレークスルーとして機能します。
LiDARセンサーと他のセンシングテクノロジーの違いは何ですか？
LiDARセンサーは、レーダーや赤外線などの他のセンサーと比較して、検出やデータのカプセル化において十分な精度がないため、多くのアプリケーションで既に廃止されています。木々の間をスキャンするような多くの課題に対して、LiDARは正確で分析しやすいデータを生成しながら、3Dマッピングを高速、正確、かつ直接的に行うことができるため、価値あるテクノロジーであることが証明されています。
また、高い精度と信頼性が求められるモビリティ分野でも、LiDARは急速に普及しつつあります。これらの特徴により、LiDARは、例えば写真測量テクノロジーなど、地盤高を解釈するのが困難な代替テクノロジーとは一線を画しています。また、最新のLiDARは環境要因にほとんど左右されず、24時間365日稼働できるため、暗闇や雨の中ではほとんど役に立たないカメラなどのセンサーに比べて大きなアドバンテージがあります。
LiDARは、何百万ものデータポイントをリアルタイムに生成することで、高解像度の3Dビジョンを提供することが可能です。これにより、刻々と変化する周囲の状況を正確に把握し、物体を認識・分類することができます。例えば、レーダーや超音波センサーだけでは不可能な、自動車と自転車の識別が簡単にできるようになります。
LiDARは、堅牢な性能と最大200mまでの拡張距離、数cmの距離正確度によって、物体を素早く検出することができます。また、ソリッドステートテクノロジーの出現と採用により、この高解像度3Dセンサーのコストも大幅に削減され、さまざまなテクノロジーに対応できるようになりました。
ここでは、LiDARセンサーのいくつかのパラメータを、レーダーやカメラなどの他のセンサーと比較した図を示します。
LiDARの利点は？
解像度と正確度：LiDARは瞬時に大量の計測値を生成し、ミリ単位の精度を実現します。
3Dマッピング：LiDARのデータは、3Dマップに簡単に変換することができ、環境を解釈することができます。
低照度性能：LiDARは環境光の影響を受けず、低照度下でも十分な性能を発揮します。
スピード：LiDARデータは、解読や解釈の必要のない直接的な距離測定であるため、高速なパフォーマンスと処理要件の低減を可能にします。
匿名検出：LiDARは物体の種類を正確に検出することができますが、点群という性質上、顔や身元を検出することができないため、公共アプリケーションで使用する場合、プライバシー要件に準拠するために最適です。
LiDARセンサーは未来：
LiDARセンサーは、短距離から長距離まで信頼性の高い検出と測距を行うことができるため、様々な産業やアプリケーションで使用することが可能です。自律走行やスマートシティなど、ほとんどのアプリケーションでは、LiDARがセンサーフュージョンの一部となり、既存のセンサー群（カメラビジョン、レーダー、超音波技術など）を補完することが必要です。これが、新興市場におけるLiDARの普及のための特異で急成長する機会を作ります。Blickfeld社が提供するようなMEMSベースのLiDARセンサーが、ほとんどの産業で使用されるセンサーになるのは時間の問題です。
LiDARセンサーの詳細をお知りになりたい方は、ウェブサイトをご覧ください。
