전략사업본부

1. 3D모델링에 대한 기본개념 2.렌더링에 대한 기본개념 3.모델의 종류 4.모델링에 대한 예시 5.모델의 표현구조 및 생성방식 6.모델링 소프트웨어 7. 3차원스캐너 종류와 스캔방식

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1. 3D모델링에 대한 개념

3D프린터는 이미 우리 산업에 많은 영향을 끼치고 있으며 산업용, 의료 용, 항공우주,패션등 여러 영역에서 사용되어지고있다.. 물론

성능이나 속도, 가격대등 앞으로 해결할 과제도 많이 존재하고 있으나 활용가치는 무궁무진하다고 볼수있다..

하지만 3D프린터는 출력장치일뿐 출력할수있는 모델링 파일을 만들지 않고서는 무의미하다. 3D스캐너를 활용할수도 있지만 그것은

엄연히 이미 존재하는 사물에 대해서만 의미를 갖고있으며 실제로는 상상하는것을 디자인하고 모델링할수있는 환경에 익숙치 않으면

3D프린팅 시장이 활성화하긴 힘들것이다…공개되어있는 유무료의 다양한 3D 모델링툴을 기본적으로 다룰수 있어야 3D프린팅 작업을

하는데 매우 중요하리라 본다..

3D모델을 생성하는 이유는 이미지생성과 시뮬레이션이다.

여기서 이미지란 모델의 보기 좋음을 요구함으로 더 사실적 요구를 표현하는것이며 시뮬레이션이란 모델의 정확성을 요구한다.(예 스타디움 건설시 폭풍우등의 조건검사등)

여기서 모델링이란 기하학적인 물체의 모양과 색, 반사율, 투과율, 부드러움, 텍스쳐등과 같은 물체의 특성을 표현한다고 볼수있다.

물체의 기하학적 구조

모델링의 종류

• 사출법(Extrusion), 회전법(lathing)

• 사각법(beveling), 로프팅(lofting)

• 매개변수 모델링,

• 논리연산형 모델링

• 특수용도 모델링

• 메타볼 모델링

• Mapping : 단순매핑, 범프매핑, 홀 매핑, 환경 매핑

렌더링은 주어진 카메라의 위치로부터 모델을 화면에 투영시키는 것이다

렌더링의 종류로는 Ⓐ Hidden Line removal

( Hidden Line WireFrame ), Ⓑ Shading (음영을

부여하는것) 으로 나눌수 있으며 음영을 부여하는 방법에 따라 다음과 같이 분류할수있다.

- Flat Shading - Gouraud shading - Phong shading - Ray tracing - Radiosity

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Wireframe Flat shading Gouraud shading

Phong shading Ray tracing Radiosity

2. 랜더링에 대한 기본 개념

플랫 셰이딩(flat shading)은 3차원 컴퓨터 그래픽스에 쓰이는 광원 기술이다. 다각형의 표면과 광원 방향 간 각도, 개별 색상, 광원의 세기에 따라 한 물체의 각 다각형에 그림자를 넣는다

고러드 쉐이딩 ( Gouraud shading)

플렛 쉐이딩의 단점을 보완한 것으로 빛이 비춰지는 면들의 평균적인 명암을 계산해서 그것을 부드럽게 적용시켜주는 것으로 플렛 쉐이딩과는 달리 면과 면사이의 각을 감추어 준다.

퐁 쉐이딩 (Phong shading)

고러드 쉐이딩과 유사하며 정점들 사이의 노말들을 하나의 표면 노말로 분해하여 면의 모든 픽셀에 대한 노말을 계산하여 고러드쉐이딩보다 정확한 곡면 쉐이딩 가능하며 보다 사실적인 표현이 가능하다.

레이트레이싱(Ray tracing )

자연적인 명암표현으로 실사와 유사한 느낌, 주로 ,영화 CG제작에 사용

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Wireframe 모델

• 기본적으로 점과 선에 의해 물체를 표시하던 2차원 시스템을 3차원 공간상으로 확대한 것

Surface-based 모델

• 면을 중심으로 하여 물체를 표현

• 물체에 실제감을 높이기 위한 방법(은선과 은면제거) 이나 자유곡면(free-from surface)을 나타내기 위한 방법으로 많이 사용

Solid 모델

• 위의 두 모델이 부피나 면적을 계산하기 어렵고, 물체의 기하학적 정보가 충분하지 못하다는 단점에 의해

• "실제 물체"와 같이 내부와 외부가 정확히 구별되는 형태를 솔리드(Solid) 형태라고 함

Wirefram 모델 Surface-based 모델 Solid 모델

3. 모델의 종류

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4. 모델링에 대한 예시(해부학)

출처 : Zygote Body

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4. 모델링에 대한 예시

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4. 모델링에 대한 예시

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5. 모델의 표현구조 및 생성방법

도면이미지로부터

복원 3차원 모델

스케치이미지로부터

복원 3차원 모델

사진이미지로부터

복원 3차원 모델

5.1 Manual Digitization 기법

○ 2차원 좌표 데이터로부터 모델을 생성

5.2 Semi automated data acquisition

○ 3차원 디지타이저를 통하여 직접 3차원 좌표 입력

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5. 모델의 표현구조 및 생성방법

스캔 과정 실제모델 복원점 3차원모델

5.3 레이저 레인지 스캐닝 ( 가장 사실적인 모델링)

○ 스캔과정은 레이저를 물체에 투영하여 윤곽선을 포착한다..그리고 삼각측량 원리로 레인지 data map을

획득한후 3D data로 변환하여 mesh를 얻는다

▼ 레인지 스캐너로부터 물체 복원 예

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6. 모델링 소프트웨어

스케치업

Auto 123D Design

Sculptris Blender 3D Max

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7. 3차원 스캔너의 종류와 측정방식

3차원 스캐너를 크게 두 종류로 구분한다면, 접촉식과 비접촉식으로 구분할 수 있습니다. 비접촉식 스캐너는 3차원 스캐너가 직접 빛을

피사체에 쏘는 여부에 따라 능동형과 수동형 스캐너로 분류될 수 있습니다. 참고로 최근 산업계의 주류는 대부분 능동형 스캐너이고, 능동형 스캐너만을 3차원 스캐너라고 한정하기도 합니다. 수동형은 주로 머신 비젼(Machine vision) 또는 로봇 비젼(Robot Vision)의

한 분야로 인식되곤 합니다

탐촉자로 불리는 프루브(Probe)를 측정하고 하는 물체의 직접 닿게 해서 측정을 하는 방식입니다.

CMM(Coordinate Measuring Machine)이 대표적인 방식이며, 대부분의 제조업에 오래 전부터 이 방식이 활용되어 왔고 측정점의 정확도가 우수한 편입니다. 그러나 대상물의의 표면에 접촉을 해야 하므로, 물체에 변형이나 손상을 줄 수 있다는 단점이 있습니다. 또 다른 CMM의 단점은 다른 스캐닝방식에 비해 측정 속도가 느리다는 것입니다. 고 성능 CMM조차도 수백 hertz(초당 측정점수) 에 불가합니다. 이에 반해, 비접촉식 스캐너인 레이저 스캐너의 경우 10~500 kHz에 이르며, 백색광(Structured

light) 방식의 경우 3 MHz에 이르는 제품까지 개발되었습니다.

3차레인지 파인더(Range Finder or Laser Range Finder)라고 불리는 빛을 물체 표면에 조사하여,

그 빛이 돌아오는 시간을 측정해서, 물체와 측정원점 사이의 거리를 구하는 기술을 바탕으로 하고

있습니다

주로 레이저가 이용되는데, 빛의 활공시간인 시간이 측정되면 간단한 공식을 이용하여 거리를 구할 수 있습니다. TOF방식의 정확도는 시간을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가에 좌우되는데, 현재 기술로는 약 3.3 picoseconds(1조분의 1초)의 측정이 가능하므로, 이 방식은 약 1 milimeter 단위까지가 측정이 한계라고 볼 수 있습니다. 따라서 토목 측정이나, 건물 등 대형물 측정에 많이 활용됩니다

접촉식 3차원 스캐너

TOF방식 스캐너

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능동형 스캐너로 분류되며, TOF방식의 스캐너처럼 레이저를 이용합니다. 레이저가 얼마나 멀리 있는

물체에 부딪혔는가에 따라 레이저를 수신하는 CCD 카메라 소자에는 레이저가 다른 위치에 보여지게 됩니다. 카메라와 레이저 발신자 사이의 거리, 각도는 고정되어 이미 알고 있으므로, 카메라 화각 내에서

수신 광선이 CCD소자의 상대적인 위치에 따라 깊이(depth)의 차이를 구할 수 있습니다. 이를 삼각법이라고 합니다.대부분의 경우는 단순히 하나의 레이저 점을 조사 하는 게 아니라 스캐닝 속도를 높이기 위해 라인타입의 레이저가 주로 이용됩니다

7. 3차원 스캔너의 종류와 측정방식

3차원 이미지를 얻기 위해, 앞에서 언급된 광 삼각법을 주로 이용합니다. 점(dot) 또는 선(line) 타입의

레이저를 피사체에 투사하는 레이저 발송자와 반사된 빛을 받는 수신 장치(주로 CCD)와 함께, 내부 좌표계를 기준좌표계와 연결하기 위한 시스템으로 구성되어 있습니다.

기준좌표와 연결하기 위한 시스템은 정밀한 인코더가 부착된 소위 이동형 CMM이라고 불리는 접촉식

로봇 팔과 유사한 장치의 끝 단에 스캐너가 직접 붙여서 구성되기도 하고, 기준 좌표계를 만들기 위한

마크를 피사체 표면에 붙여서 해결하기도 합니다. 최근에는 모션 트레킹 시스템과 유사하게, 외부에 두

대 이상의 카메라가 스캐너의 동작을 따라갈 수 있도록, 스캐너 외부에 6개의 자유도를 측정할 수 있는

적외선 발신자(infrared light emitting diode)를 붙여, 스캐너 외부에 설치된 트레커(tracker)가 이 발신자의 위치를 추적을 합니다. 이 정보를 이용해 내부좌표계로 생성된 3차원 이미지데이터를 기준좌표게로

변환시키는 시스템들도 다수 출현했습니다.

광 삼각법 3차원 레이저스캐너

핸드헬드 스캐너

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특정 패턴을 물체에 투영하고 그 패턴의 변형 형태를 파악해 3차원 정보를 얻어냅니다. 여기에 사용되는

패턴은 여러 가지가 있는데 1차원 패턴 방식은 선(line) 형태의 패턴을 LCD 프로젝트나 움직이는 레이저(sweeping laser)를 이용해 물체에 프로젝션 시킵니다. 카메라는 프로젝트로부터 적당한 거리(대부분 피사체에 크기에 따라 가변적임)를 두고 위치 하는데, 패턴에서 라인을 인식하고, 그 라인을 구성하는 모든 화소의 깊이 값은 광 삼각법을 이용해 구해 냅니다.1차원 패턴 방식은 하나의 라인 패턴을 물체를 죽 훑어 내는 방식인데 반해 2차원 패턴 방식은 그리드(grid)또는 스트라이프 무늬의 패턴이 이용됩니다. 스트라이프나 그리드를 사용할 경우엔 1차원 패턴 방식보다 많은 데이터를 얻을 수 있으나 물체의 형태에 따라, 패턴의 순서가 바뀔 수가 있다는 것이 기술적인 병목이었다가 최근 들어

MLT(Multistripe Laser Triangulation)이라고 불리는 방식이 개발되어 이러한 한계가 극복이 되었습니다.

이러한 패턴과 관련한 다양한 연구들이 이 분야에서 활발하게 진행되고 있습니다. 이러한 백색광 방식의 최대 장점은 그 측정속도에 있습니다. 한번에 한 점씩 스캔하는게 아니라, 전체 촬상영역(Fied of

View, FOV) 전반에 걸려 있는 모든 피사체의 3차원 좌표를 한번에 얻어 낼 수 있습니다. 이점 때문에 모션장치에 의한 진동으로 부 터 오는 측정 정확도의 손실을 획기적으로 줄일 수 있으며 어떤 시스템들은

움직이는 물체를 거의 실시간으로 스캔 해낼 수도 있습니다. 이 때문에 특히 산업계에서 정밀한 스캐닝을 위한 목적으로 널리 사용되고 있습니다.

물체 표면에 지속적으로 주파수가 다른 빛을 쏘고 수광부에서 이 빛을 받을 때, 주파수의 차이를 검출해, 거리 값을 구해내는 방식으로 작동합니다. 이 방식은 스캐너가 발송하는 레이저 소스 외에

주파수가 다른 빛의 배제가 가능 해 간섭에 의한 노이즈를 감쇄 시킬 수가 있습니다. 이런 타입의

스캐너는 TOF방식의 단점인, 시간 분행능에 대한 제한이 없어 훨씬 고속(약1M Hz)으로 스캔이

가능한데 비해 레이저의 세기가 약한데, 이는 일정 영역의 주파수 대를 모두 사용해야 하기 때문입니다. 따라서, 중거리 영역인 10~30 m 영역을 스캔 할 때 주로 이용이 됩니다.

7. 3차원 스캔너의 종류와 측정방식

백생광방식 스캐너

변조광방식의 3차원스캐너