3Dデータの表現方法を解説！点群・メッシュ・ボクセルの違いと使い分け
3Dデータの世界には、用途や計測手法に応じて様々な表現方法が存在します。どの表現を選ぶかによって、処理の速度や精度、そして扱えるアルゴリズムが大きく変わるため、それぞれの特徴を正しく理解することは非常に重要です。
こちらの記事でも簡単に紹介していますが、今回は「Raw Data」「Surface」「Solid」という3つの大きな分類に基づき、各表現方法を詳しく深掘りしていきます。
3Dモデル表現の全体像と分類
3Dデータの表現は、そのデータの生成過程や「何を表現したいか」によって、大きく3つの階層に分けられます。
- ①Raw Data（生データ）：計測機から得られた直後の、加工されていない情報の集合。
- ②Surface（サーフェス）：物体の「表面（境界）」のみを定義する表現。
- ③Solid（ソリッド）：物体の「中身」まで含めた体積情報を定義する表現。
1. Raw Data（生データ）
Raw Dataは、LiDARやRGB-Dカメラなどのセンサーから出力される、加工前のデータ形式です。計算負荷は低いですが、形状としての連続性や構造の情報を持っていないのが特徴です。
Point Cloud（点群）
3次元空間上の座標値 $(x, y, z)$ を持つ点の集合です。色情報 $(R, G, B)$ や反射強度（Intensity）、法線ベクトルなどの属性を持つこともあります。
シンプルで扱いやすい反面、「点の並び順に意味がない（順序不同性）」ため、ディープラーニングなどで扱う際には工夫が必要です。
Depth Image（距離画像 / レンジ画像）
各ピクセルに「カメラからの距離（深度）」が格納された画像データです。2次元の格子状にデータが並んでいるため（2.5次元表現）、通常の画像処理アルゴリズム（CNNなど）を適用しやすいというメリットがあります。
Polygon Soup（ポリゴンスープ）
三角形（ポリゴン）の単なるリストです。見た目はメッシュに近いですが、「どの面とどの面が繋がっているか」という位相（トポロジー）情報を持たないため、解析や変形には不向きです。文字通りポリゴンが「スープ」のようにバラバラに入っているイメージです。
2. Surface（サーフェス）
サーフェス表現は、物体の「境界表面」のみを記述します。中身は空洞であり、厚みや質量の概念はありませんが、レンダリング（表示）において最も一般的な形式です。
Mesh（メッシュ / 多角形表現）
頂点（Vertices）を辺（Edges）で結び、面（Faces）を構成する表現です。GPUとの相性が良く、3DCGやゲームエンジンで最も広く普及しています。
Subdivision（サブディビジョン / 細分割曲面）
粗いポリゴンメッシュを、アルゴリズム（Catmull-Clark法など）によって再帰的に細分化し、滑らかな曲面を生成する手法です。モデリング時に少ない制御点で複雑な形状を作れるのが利点です。
Parametric & Implicit（パラメトリック・陰関数）
数式によって曲面を定義します。Parametric（B-splineやNURBS）はCADで多用され、Implicit（陰関数）は $f(x, y, z) = 0$ となる点の集合として、非常に複雑な形状やモーフィングを表現するのに適しています。
3. Solid（ソリッド）
ソリッドモデルは、物体の内部情報（体積）を保持します。密度や材料特性を設定できるため、質量計算や物理シミュレーション、製造業（CAD/CAM）で必須となる表現です。
Voxel（ボクセル）
2Dの「ピクセル」を3Dに拡張した概念で、小さな立方体（セル）を敷き詰めて形状を表現します。グリッド状に並んでいるため、3Dのディープラーニング（3D CNN）で扱いやすい一方、解像度を上げるとデータ量が爆発的に増えるという欠点があります。
※ボクセルの詳細についてはこちらの記事もご参照ください。→参考記事
CSG (Constructive Solid Geometry)
球、立方体、円柱などの基本形状（プリミティブ）に対して、和（Union）、差（Difference）、積（Intersection）の集合演算（ブーリアン演算）を組み合わせて複雑な形状を生成する手法です。
BSP Tree & Sweep（空間分割と押し出し）
BSP Treeは、平面を使って空間を再帰的に2分割し、階層構造で形状を管理します。主に表示の高速化や干渉チェックに利用されます。
一方、Sweep（押し出し）は2次元の断面をパスに沿って動かすことで3Dモデルを生成する、直感的なモデリング手法です。
まとめ：どの表現を選ぶべきか？
今回紹介した手法の使い分けを簡単にまとめます。
| カテゴリ | 主な用途 | メリット |
|---|---|---|
| Raw Data | 自動運転、測量、入力データ | 計測が容易、情報量が多い |
| Surface | CGアニメーション、ゲーム | 描画が高速、外観が滑らか |
| Solid | 製造、建築、解析、3Dプリント | 質量計算が可能、中身を定義できる |
それぞれの特性を理解し、プロジェクトの目的に最適なデータ形式を選択しましょう。