ICT機器を用いた光3次元形状計測システムの構築と理科教育プログラムへの活用

研究課題

研究課題/領域番号	24K06407
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分09080:科学教育関連
研究機関	山形大学
研究代表者	津留俊英山形大学, 地域教育文化学部, 教授 (30306526)
研究期間 (年度)	2024-04-01 – 2028-03-31
研究課題ステータス	交付 (2024年度)
配分額 *注記	4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円) 2027年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円) 2026年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円) 2025年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円) 2024年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワード	3次元形状計測 / ICT機器 / 位相シフト法 / 3Dプリンター / 理科教育 / STEAM教育 / 3D計測 / 光計測
研究開始時の研究の概要	3Dプリンターは創造的思考力や問題解決能力を育成するための有望なテクノロジーの一つと位置付けられている。しかし、3Dプリンターの操作には専門的知識や技術が必要なことから積極的な利活用は進んでいない。本研究では、誰もが自由な発想で「アイデアを形にする」ことを支援するために①ICT機器を用いて厚紙工作や粘土作品等を簡便に3次元データ化できる光3次元形状計測システムを構築する。また、②作製した3D計測装置と3Dプリンターを用い、児童生徒の主体性や創造性、自己効力感を高めるための理科教育プログラムを開発し実践する。
研究実績の概要	本研究は、年齢を問わず誰もが自由な発想で「アイデアを形にする」ことを支援するために小・中学校に整備された身近なICT機器と学習用端末を用いて教員及び児童生徒が気軽に取り扱うことができる光3次元形状計測システムを構築することを目的とする。作製したシステムを用いれば厚紙工作や粘土作品などを3次元データ化し、3Dプリンターで簡便に出力することができる。また、先端技術の3D計測技術や3Dプリンターを用い、児童生徒の理科に対する興味・関心を喚起する教育プログラムの開発と実践を目指す。物体の3次元形状計測法は、三角測量法、各種の干渉計測法、モアレトモグラフィー、パターン投影法などが開発され広く応用されている。本研究では、位相が異なる正弦波状の縞画像を試料に4回程度投影し、撮影画像から3次元形状を再構築する位相シフト法を用いる。縞画像の投影装置と2次元検出器があれば計測装置を構成できることから、教育現場に整備されている液晶プロジェクターとwebカメラ、デジタルカメラなどを活用すれば計測装置を構成することができる。2024年度は”手のひらサイズ”の物体の3次元形状を計測するための装置の作製と解析・復元ソフトウエア作成を目指して研究を実施した。具体的な成果を以下に記す。 1) 作成した異なる位相の4つの正弦波状縞画像を現有の液晶プロジェクターで1辺数cmから数10cmの手のひらサイズの物体に投影し、デジタルカメラで縞パターンを撮像する光学系を構築した。 2) 数値解析ソフトウエア(Matlab)を用いて上記の計測装置で計測した4つの縞パターンを解析し、3次元形状を復元するソフトウエアを試作した。 3) 備品購入した3Dスキャナーで計測した3次元形状と比較し、計測精度を評価した。
現在までの達成度	現在までの達成度 2: おおむね順調に進展している理由小中学校で使用されている液晶プロジェクターとデジタルカメラを用いて3次元形状計測の原理検証を行い、正しく3次元形状が復元できることが確認できた。3次元物体の構造の大小によって縞間隔などを調整する必要があることや光源の安定性を考慮する必要があるが、進捗状況は「おおむね順調に進展している」と判断した。
今後の研究の推進方策	2025年度は教育現場に導入されている学習端末などで使用できる画像解析・復元ソフトウエアの作成と手のひらサイズを超える比較的大きい物体の光3次元形状計測装置の作製を目指す。具体的には、 1) 児童生徒の身の回りの物体の3次元形状を計測できる光学系を作製する。 2) 画像計測対象が大きいため、縞画像の反射強度が低下し解析に耐えうるS/N比の画像を計測できない場合には画像取得にwebカメラに替えてデジタルカメラを用いる。 3) 学習端末に導入されているソフトウエアなどを用いて画像を解析し、形状を復元することができるか検討する。ソフトウエアの機能上、実現が困難な場合には昨年度試作したソフトウエアを改良してより実用的なソフトウエアを作成する。