추창우, 김갑기, 박창준, 최진성 Chang Woo Chu, Kap Kee Kim, Chang Joon Park, Jin Sung Choi 1. 서론최근 차원프린터에대한관심이높아지면서 일반사용자를위한다양한 차원프린터가출시되고있다 각각의 차원프린터는출력할수있는정해진공간의크기가있다 일반적으로 차원종이프린터가 용지까지출력되는데스크탑형 용지까지출력되는사무용 포스터가출력되는전문출력소용 플로터등으로구분되듯이차원프린터도이와유사하게제품을구분하고있다 세계최대 차원프린터제조사중하나인 의경우 프린터를프린팅재료 출력방식등에따라데스크탑 프로페셔널 프러덕션으로구분하고있다 데스크탑과프로페셔널모델의경우대체로수센티미터에서약 센티미터정도의프린팅공간을가지고있으며 프러덕션모델은약 미터정도의큰물체도한
번에프린팅가능하다 하지만 대부분의보급형 차원프린터는대부분 센티미터를넘지않는프린팅볼륨을가지고있어서출력할객체의크기에제한을받는다 따라서차원프린터의활용도를높이고차원프린팅기술을다양한응용분야에적용하기위해서는 차원프린터가지원하는출력공간의크기보다큰물체를출력할필요가있다 일반사용자가산업용 차원프린터를구비하는데는비용과공간면에서많은어려움이있기때문에크기가큰 차원물체를 차원프린터로출력하기위해서소프트웨어를이용하여메쉬를분할하고 출력한후에결합하는방법을생각해볼수있다 이를위해차원메쉬를작은부분으로나누어프린팅이가능한 차원메쉬로만들고 출력한조각메쉬를조립할수있는구조를생성하는과정을거쳐야한다 이와같은과정을일반적인 차원컴퓨터그래픽스소프트웨어를통해수행할수있지만 사용법을익히기어려울뿐만아니라 프린팅객체를만들기위한전용기능이없기때문에수작업이많아지는단점이있다 또한차원프린터의출력공간에포함되는지검증할수없기때문에이러한검증은별도의소프트웨어가필요하다 본논문에서는 차원프린터가지원하는출력범위보다큰물체를 차원프린팅하기위해서 차원메쉬를 차원프린터의출력범위에들어갈수있도록절단하여체결부를추가하는절차를 차원그래픽스에대한전문디자이너가아니더라도쉽게할수있는 차원편집시스템을제안한다 제안한시스템은평면기반으로 차원모델을분할하고 분할한면에사용자가여러가지형태의체결부를추가할수있다 또한차원출력이가능한형태의 차원모델을입력으로하고 사용자가편집후에도바로 차원출력이가능하다 본논문의구성은다음과같다장에서본논문에서제안한편집시스템과관련된선행연구들을소개한다장에서제안한편집시스템에대해서술한다장에서실험결과와실제출력한결과물을제시하고 마지막 장에서결론을맺는다 2. 관련연구 차원프린팅에서는기존의상용컴퓨터그래픽스소프트웨어에서지원하는 차원메쉬편집기능 외에 차원프린팅에서요구되는특화된기능이필요하다 예를들어 프린팅재료의특성을고려한사전내구성검증차원프린팅출력시원하는형태로서있게하기위한모델의균형향상 재료절감을위한 모델의내부공간생성 프린터의출력가능한크기보다큰물체를프린트하기위한 모델의분할및체결부생성 제조된실물에운동성을부여하기위한구조생성등의기능이요구된다 최근들어 차원프린팅기술의관심이높아지면서차원프린터의활용성을높이기위한여러가지연구들이진행되고있고 그중에하나로 차원프린터의출력공간보다큰물체를출력하기위한연구들이진행되고있다 본장에서는제안한인터랙티브 차원메쉬편집시스템과관련된선행연구에대해서술한다 차원프린팅을위해메쉬를분할할때는출력한조각메쉬들을조립할수있도록체결부생성을고려하여분할해야한다 등은메쉬의뼈대구조 에대해수직인스윕평면 을이용하여토폴로지변화를감지하여 차원메쉬를여러단위로분할함으로써충돌검사 등에적용할수있음을보였다 하지만주로스켈레톤이여러방향으로분기하는부분에서분할되기때문에단면적이좁은부분에서분할되는단점이있다 최근에는 차원프린팅을고려한메쉬분할기술이연구되었다 등은프린팅가능성 조립가능성 조각메쉬체결부생성가능성 미적감각등을고려하여 차원메쉬를자동분할하고체결부를생성하는방법을제안하였으나 계산시간이많이걸리는단점이있다 등은 차원메쉬를복셀화 하여각복셀의연결성분석을통해별도의체결부없이맞물림 형식으로조립할수있도록 차원메쉬를분할하는알고리즘을제안하였으나 외형을변형 하는단점이있다 한편 가구와같이각각의파트를조립하여생산하는물품을실제와같이조립할수있도록 차원모델을분할하는방법에대한연구가수행되었다 등은캐비넷 테이블등의가구에대한형식적인문법을정의한뒤차원모델분석을통해메쉬를파트별로분할하고 못 나사등의연결장치를생성하는방법을제안하였고 등은별도의연
결장치를사용하지않고 맞물림 형식으로조립할수있도록 차원메쉬를분할하고조인트를생성하는방법을제안하였다 차원프린터는배치 출력이불가능하기때문에분할한조각메쉬를한꺼번에출력하기위한패킹 방법도같이고려할필요가있다 등이제안한 는 메쉬가효과적으로패킹되기위한작은개수의조각메쉬로분할하는최적화알고리즘으로 분말방식및 방식의 프린터에적용할수있다 한편 등은분할되는부분의하중과결합부위최소화 패킹되는부피의최소화등을고려하여메쉬를분할하는레벨셋 에기반한알고리즘을제안했다 유사한연구로 게임분야에서는 차원메쉬에전처리를통해조립부를설정하고 충돌검사 물리구조를활용하여조립하는 차원퍼즐형게임제작기법에대한연구가진행되었다 이와같은 차원메쉬분할및체결부생성연구들은입력 차원메쉬가 차원프린팅이가능한 구조를가지고있다고가정하고있으며 분할한 차원메쉬역시프린팅가능한구조를가질수있도록한다 본논문에서제안한 차원메쉬편집시스템에서도같은가정을하고있으며 분할한 차원메쉬역시 차원출력가능한형태이다 일반적으로 차원프린팅분야에서 차원메쉬의출력가능성은 사의 사의 과같은전문소프트웨어를통해검증및보정을수행한다 3. 인터랙티브 3차원메쉬편집본장에서는제안한인터랙티브 차원메쉬편집시스템의메쉬분할과체결부생성에대해서술한다 2.1 메쉬분할제안한시스템은사용자의라인입력을 차원평면으로인식하여차원평면기반으로메쉬를분할한다 직교투영 렌더링을통해화면에표시된모델위에사용자는분할할위치에선분을표시한다 에나타낸것과같이선분 을 Fig. 1. 3D plane normal vector from user s line drawing. 이용하여 차원평면의법선벡터 을 식 과같이계산한다 여기서 은카메라좌표계를월드좌표계로변환하는회전행렬로 카메라좌표계의방향벡터를월드좌표계의방향벡터로변환한다 식 의 는사용자가표시한분할선분의방향 벡터이고 은렌더링용카메라의시선반대방향을나타낸다 분할평면의방정식은법선벡터 과평면위의임의의한점으로계산할수있다 제안한시스템에서는 로렌더링한깊이버퍼에서사용자가지정한선분의중점에서의깊이값을가져 와서 차원평면방정식을계산하기위한점으로사 용한다 차원메쉬 의모든면 은절단평면을기 준으로 로분할한다 이때 이고 는상수 이다 면의세정점중일부의 값이서로다 른부호이면 와같이절단평면과면이서로 교차하는경우를나타낸다 이런경우에는 와 같이교차점을이용하여 또는 에속하도록 면을분할한다 이와같이절단한 는분할단면에메쉬가 생성되지않은상태이다 와같이평면과면이 만나는교차점들을이용하여윤곽선 를형 성하고 윤곽선내부를삼각화 하여
Fig. 2. The configuration of intersecting cutting plane and triangle: (a), (c) intersecting at two edges and (b) intersecting at one edge and one vertex of the triangle. 를유지할수있도록한다 은사용 자가표시한분할선과분할을실시한예를나타낸다 2.2 체결부생성 Fig. 3. Cut example: (a) User-specified cutting lines on dog model and (b) partitioned part models. 평면으로분할된절단면에여러가지형태의체 결부를추가할수있다 제안한편집시스템에서는 직사각형 원기둥 육각뿔등의프리미티브도형을 체결부로사용할수있도록정의하였다 뿐만아니 라 절단면의윤곽선을이용하여맞물림형태로체 결할수도있다 사용자는프리미티브체결부가들 어갈위치를선택하고 각각의체결부는가로 세로 깊이등의파라미터를설정할수있다 또한 프리미티브도형체결부는음각 양각 음각 음각형태로생성할있다 이와같은체결부생성은불리언 연산을사용하여분할단면에수직으로생성한다 에서는여러가지체결부를적용한결과를보인다 여러가지체결부를한개의단면에섞어사용할수있기때문에체결위치가혼돈되는것을막을수있고 결속력을높힐수있다 특히 와같이윤곽선을이용하여맞물림형식의체결부에프리미티브도형형식의체결부를생성하여결속력을더욱높힐수있다 4. 실험결과및고찰본장에서는제안한편집시스템을이용하여분할한결과에대해서술한다 실제 프린터로출력할때는프린팅재료의물성에따라출력물이팽창 수축하는정도가다르기때문에이를고려하여 음각 양각 형태와맞물림체결부를 Fig. 4. Various connectors: (a)the result of generating connectors to Fig. 3(b) and (b)several connectors can be mixed. It shows the 3 rd and 4 th part of (a).
3차원 프린터의 출력 볼륨보다 큰 물체를 출력하기 위한 인터랙티브 3차원 메쉬 편집 시스템 1623 단하였기 때문에, 음각/음각만으로 체결할 경우 체 결부가 옆으로 빗겨날 수 있으나, 음각/양각 또는 맞 물림 체결부를 같이 사용하여 이러한 현상을 제거할 수 있고, 체결방향을 혼돈하지 않고 쉽게 조립할 수 있다. Fig. 6은 편집한 결과물을 출력하여 조립한 결 과를 나타낸다. 특히, Fig. 6 (b)에서 나타낸 것과 같 이 높이 30cm가 넘는 모델을 제안한 편집 시스템을 통해 출력할 수 있다. 한편, FDM 방식의 3D 프린터 출력물은 수축, 팽 창의 방향이 일관되지 않아서, 후처리가 어려웠고, Fig. 5. Magnets are glued to assemble parts with intaglio/intaglio type connectors. 출력재료에 따라 체결부에 유격을 다르게 적용해야 함을 알 수 있었다. 생성할 때는 0.1 mm의 유격을 가지도록 했다. 하지 Fig. 7은 제안한 시스템을 이용하여 메쉬를 분할 만, 출력재료의 팽창으로 인해 출력한 후에 양각부 하여 체결부를 생성한 결과이다. Fig. 7 (c)는 분할된 분을 사포로 후처리한 후에야 삽입이 가능했다. 프 조각 메쉬를 한꺼번에 출력하기 위해 출력 공간내에 린팅한 각 조각 메쉬는 조립한 형태를 유지하기 위 배치한 결과이다. 배치를 위해 Greedy 기반의 자동 해 접착제를 사용하여 부착할 수 있다. 또한, Fig. 5 배치 알고리즘[16]를 사용하였다. 와 같이 음각/음각 체결부에 자석을 부착하여 체결 력을 가지도록 할 수 있다. 절단 평면을 기반으로 절 (a) (b) Fig. 6. Real output with powder-type 3D printer: (a) output of Fig. 4(a) and assembled model, (b) memento model parts and assembled model, which is over 30cm in height. They are fabricated using a powder-based 3D printer.
Fig. 7. Mesh cut and connector generation results: (a) input model, (b) the output of the proposed system, and (c) placement for printing multi-parts at once. 5. 결론본논문에서는 차원프린터에서지원하는출력공간보다큰물체를출력하기위한인터랙티브 차원메쉬편집시스템을제안하였다 제안한시스템에서는사용자가지정한평면으로메쉬를분할하고 분할한평면에불리언연산을통해체결부를부착하였으며 이러한편집결과가 차원프린팅가능하도록 메쉬가되도록하였다 또한 실험을통해편집한 차원메쉬를출력 조립하여프린팅볼륨보다큰메쉬를출력할수있음을보였다 제안한시스템은전문 차원디자이너가아니더라도간단한조작을통해 차원메쉬를분할하고연결장치를추가할수있는장점이있다 향후연구로는 차원메쉬의형태와물리적힘을고려하여 차원프린터의출력공간내에들어갈수있도록자동분할하고 연결부위에가해지는힘을고려하여최적의연결장치를자동으로생성하는방법에대한연구를진행할예정이다 REFERENCE
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