1. 3D 모델링에대한기본개념 2. 렌더링에대한기본개념 3. 모델의종류 4. 모델링에대한예시 5. 모델의표현구조및생성방식 6. 모델링소프트웨어 7. 3 차원스캐너종류와스캔방식 전략사업본부
1. 3D 모델링에대한개념 3D 프린터는이미우리산업에많은영향을끼치고있으며산업용, 의료용, 항공우주, 패션등여러영역에서사용되어지고있다.. 물론성능이나속도, 가격대등앞으로해결할과제도많이존재하고있으나활용가치는무궁무진하다고볼수있다.. 하지만 3D 프린터는출력장치일뿐출력할수있는모델링파일을만들지않고서는무의미하다. 3D 스캐너를활용할수도있지만그것은엄연히이미존재하는사물에대해서만의미를갖고있으며실제로는상상하는것을디자인하고모델링할수있는환경에익숙치않으면 3D 프린팅시장이활성화하긴힘들것이다 공개되어있는유무료의다양한 3D 모델링툴을기본적으로다룰수있어야 3D 프린팅작업을하는데매우중요하리라본다.. 3D 모델을생성하는이유는이미지생성과시뮬레이션이다. 여기서이미지란모델의보기좋음을요구함으로더사실적요구를표현하는것이며시뮬레이션이란모델의정확성을요구한다.( 예스타디움건설시폭풍우등의조건검사등 ) 여기서모델링이란기하학적인물체의모양과색, 반사율, 투과율, 부드러움, 텍스쳐등과같은물체의특성을표현한다고볼수있다. 물체의기하학적구조 모델링의종류 사출법 (Extrusion), 회전법 (lathing) 사각법 (beveling), 로프팅 (lofting) 매개변수모델링, 논리연산형모델링 특수용도모델링 메타볼모델링 Mapping : 단순매핑, 범프매핑, 홀매핑, 환경매핑 렌더링은주어진카메라의위치로부터모델을화면에투영시키는것이다 렌더링의종류로는 A Hidden Line removal ( Hidden Line WireFrame ), B Shading ( 음영을부여하는것 ) 으로나눌수있으며음영을부여하는방법에따라다음과같이분류할수있다. - Flat Shading - Gouraud shading - Phong shading - Ray tracing - Radiosity 1
2. 랜더링에대한기본개념 플랫셰이딩 (flat shading) 은 3 차원컴퓨터그래픽스에쓰이는광원기술이다. 다각형의표면과광원방향간각도, 개별색상, 광원의세기에따라한물체의각다각형에그림자를넣는다고러드쉐이딩 ( Gouraud shading) 플렛쉐이딩의단점을보완한것으로빛이비춰지는면들의평균적인명암을계산해서그것을부드럽게적용시켜주는것으로플렛쉐이딩과는달리면과면사이의각을감추어준다. 퐁쉐이딩 (Phong shading) 고러드쉐이딩과유사하며정점들사이의노말들을하나의표면노말로분해하여면의모든픽셀에대한노말을계산하여고러드쉐이딩보다정확한곡면쉐이딩가능하며보다사실적인표현이가능하다. 레이트레이싱 (Ray tracing ) 자연적인명암표현으로실사와유사한느낌, 주로, 영화 CG 제작에사용 Wireframe Flat shading Gouraud shading Phong shading Ray tracing Radiosity 2
3. 모델의종류 Wireframe 모델 기본적으로점과선에의해물체를표시하던 2 차원시스템을 3 차원공간상으로확대한것 Surface-based 모델 면을중심으로하여물체를표현 물체에실제감을높이기위한방법 ( 은선과은면제거 ) 이나자유곡면 (free-from surface) 을나타내기위한방법으로많이사용 Solid 모델 위의두모델이부피나면적을계산하기어렵고, 물체의기하학적정보가충분하지못하다는단점에의해 " 실제물체 " 와같이내부와외부가정확히구별되는형태를솔리드 (Solid) 형태라고함 Wirefram 모델 Surface-based 모델 Solid 모델 3
4. 모델링에대한예시 ( 해부학 ) 출처 : Zygote Body 4
4. 모델링에대한예시 5
4. 모델링에대한예시 6
5. 모델의표현구조및생성방법 5.1 Manual Digitization 기법 2 차원좌표데이터로부터모델을생성 도면이미지로부터복원 3 차원모델 스케치이미지로부터복원 3 차원모델 사진이미지로부터복원 3 차원모델 5.2 Semi automated data acquisition 3 차원디지타이저를통하여직접 3 차원좌표입력 7
5. 모델의표현구조및생성방법 5.3 레이저레인지스캐닝 ( 가장사실적인모델링 ) 스캔과정은레이저를물체에투영하여윤곽선을포착한다.. 그리고삼각측량원리로레인지 data map 을획득한후 3D data 로변환하여 mesh 를얻는다 레인지스캐너로부터물체복원예 스캔과정실제모델복원점 3 차원모델 8
6. 모델링소프트웨어 스케치업 Auto 123D Design Blender 3D Max Sculptris 9
7. 3 차원스캔너의종류와측정방식 3 차원스캐너를크게두종류로구분한다면, 접촉식과비접촉식으로구분할수있습니다. 비접촉식스캐너는 3 차원스캐너가직접빛을피사체에쏘는여부에따라능동형과수동형스캐너로분류될수있습니다. 참고로최근산업계의주류는대부분능동형스캐너이고, 능동형스캐너만을 3 차원스캐너라고한정하기도합니다. 수동형은주로머신비젼 (Machine vision) 또는로봇비젼 (Robot Vision) 의한분야로인식되곤합니다 접촉식 3 차원스캐너 탐촉자로불리는프루브 (Probe) 를측정하고하는물체의직접닿게해서측정을하는방식입니다. CMM(Coordinate Measuring Machine) 이대표적인방식이며, 대부분의제조업에오래전부터이방식이활용되어왔고측정점의정확도가우수한편입니다. 그러나대상물의의표면에접촉을해야하므로, 물체에변형이나손상을줄수있다는단점이있습니다. 또다른 CMM 의단점은다른스캐닝방식에비해측정속도가느리다는것입니다. 고성능 CMM 조차도수백 hertz( 초당측정점수 ) 에불가합니다. 이에반해, 비접촉식스캐너인레이저스캐너의경우 10~500 khz 에이르며, 백색광 (Structured light) 방식의경우 3 MHz 에이르는제품까지개발되었습니다. TOF 방식스캐너 3 차레인지파인더 (Range Finder or Laser Range Finder) 라고불리는빛을물체표면에조사하여, 그빛이돌아오는시간을측정해서, 물체와측정원점사이의거리를구하는기술을바탕으로하고있습니다주로레이저가이용되는데, 빛의활공시간인시간이측정되면간단한공식을이용하여거리를구할수있습니다. TOF 방식의정확도는시간을얼마나정확하게측정할수있는가에좌우되는데, 현재기술로는약 3.3 picoseconds(1 조분의 1 초 ) 의측정이가능하므로, 이방식은약 1 milimeter 단위까지가측정이한계라고볼수있습니다. 따라서토목측정이나, 건물등대형물측정에많이활용됩니다 10
7. 3 차원스캔너의종류와측정방식 광삼각법 3 차원레이저스캐너 능동형스캐너로분류되며, TOF 방식의스캐너처럼레이저를이용합니다. 레이저가얼마나멀리있는물체에부딪혔는가에따라레이저를수신하는 CCD 카메라소자에는레이저가다른위치에보여지게됩니다. 카메라와레이저발신자사이의거리, 각도는고정되어이미알고있으므로, 카메라화각내에서수신광선이 CCD 소자의상대적인위치에따라깊이 (depth) 의차이를구할수있습니다. 이를삼각법이라고합니다. 대부분의경우는단순히하나의레이저점을조사하는게아니라스캐닝속도를높이기위해라인타입의레이저가주로이용됩니다 핸드헬드스캐너 3 차원이미지를얻기위해, 앞에서언급된광삼각법을주로이용합니다. 점 (dot) 또는선 (line) 타입의레이저를피사체에투사하는레이저발송자와반사된빛을받는수신장치 ( 주로 CCD) 와함께, 내부좌표계를기준좌표계와연결하기위한시스템으로구성되어있습니다. 기준좌표와연결하기위한시스템은정밀한인코더가부착된소위이동형 CMM 이라고불리는접촉식로봇팔과유사한장치의끝단에스캐너가직접붙여서구성되기도하고, 기준좌표계를만들기위한마크를피사체표면에붙여서해결하기도합니다. 최근에는모션트레킹시스템과유사하게, 외부에두대이상의카메라가스캐너의동작을따라갈수있도록, 스캐너외부에 6 개의자유도를측정할수있는적외선발신자 (infrared light emitting diode) 를붙여, 스캐너외부에설치된트레커 (tracker) 가이발신자의위치를추적을합니다. 이정보를이용해내부좌표계로생성된 3 차원이미지데이터를기준좌표게로변환시키는시스템들도다수출현했습니다. 11
7. 3 차원스캔너의종류와측정방식 백생광방식스캐너 특정패턴을물체에투영하고그패턴의변형형태를파악해 3 차원정보를얻어냅니다. 여기에사용되는패턴은여러가지가있는데 1 차원패턴방식은선 (line) 형태의패턴을 LCD 프로젝트나움직이는레이저 (sweeping laser) 를이용해물체에프로젝션시킵니다. 카메라는프로젝트로부터적당한거리 ( 대부분피사체에크기에따라가변적임 ) 를두고위치하는데, 패턴에서라인을인식하고, 그라인을구성하는모든화소의깊이값은광삼각법을이용해구해냅니다.1 차원패턴방식은하나의라인패턴을물체를죽훑어내는방식인데반해 2 차원패턴방식은그리드 (grid) 또는스트라이프무늬의패턴이이용됩니다. 스트라이프나그리드를사용할경우엔 1 차원패턴방식보다많은데이터를얻을수있으나물체의형태에따라, 패턴의순서가바뀔수가있다는것이기술적인병목이었다가최근들어 MLT(Multistripe Laser Triangulation) 이라고불리는방식이개발되어이러한한계가극복이되었습니다. 이러한패턴과관련한다양한연구들이이분야에서활발하게진행되고있습니다. 이러한백색광방식의최대장점은그측정속도에있습니다. 한번에한점씩스캔하는게아니라, 전체촬상영역 (Fied of View, FOV) 전반에걸려있는모든피사체의 3 차원좌표를한번에얻어낼수있습니다. 이점때문에모션장치에의한진동으로부터오는측정정확도의손실을획기적으로줄일수있으며어떤시스템들은움직이는물체를거의실시간으로스캔해낼수도있습니다. 이때문에특히산업계에서정밀한스캐닝을위한목적으로널리사용되고있습니다. 변조광방식의 3 차원스캐너 물체표면에지속적으로주파수가다른빛을쏘고수광부에서이빛을받을때, 주파수의차이를검출해, 거리값을구해내는방식으로작동합니다. 이방식은스캐너가발송하는레이저소스외에주파수가다른빛의배제가가능해간섭에의한노이즈를감쇄시킬수가있습니다. 이런타입의스캐너는 TOF 방식의단점인, 시간분행능에대한제한이없어훨씬고속 ( 약 1M Hz) 으로스캔이가능한데비해레이저의세기가약한데, 이는일정영역의주파수대를모두사용해야하기때문입니다. 따라서, 중거리영역인 10~30 m 영역을스캔할때주로이용이됩니다. 12