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"3D 스캐닝"의 두 판 사이의 차이

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'''3D 스캐닝'''(3D Scanning)은 하드웨어 장비를 이용하여 물체의 3D 형태를 측정하는 방법이다. 사람이나 사물을 3D 모델링 프로그램으로 모델링할 필요 없이 3D 스캐너를 이용하여 직접 데이터를 얻는 것이다.
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'''3D 스캐닝'''(3D Scanning)은 [[하드웨어]] 장비를 이용하여 물체의 [[3D]] 형태를 측정하는 방법이다. 사람이나 사물을 3D 모델링 프로그램으로 모델링할 필요 없이 [[3D 스캐너]]를 이용하여 직접 [[데이터]]를 얻는 것이다.<ref name = "네이버">〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3435002&cid=58460&categoryId=58460 3D 스캐닝]〉, 《네이버 지식백과(훤히 보이는 디지털 시네마)》</ref><ref name = "스마트베리">〈[http://www.sm-berry.com/portfolio/3dscanner/ 3D 프린팅을 위한 3D Scanner]〉, 《스마트베리》</ref>
  
 
==개요==
 
==개요==
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3D 스캐닝은 레이저를 발사하여 물체에 맞고 돌아오는 시간으로부터 거리를 측정한다. 특별히 고안된 패턴 광을 사용하여 물체까지의 거리를 측정하는 방법이 있다. [[패턴 광]]을 사용하여 거리를 잴 때는, 미리 고안된 여러 가지 무늬의 빛을 물체에 가한 뒤, 빛이 물체에 맺힌 형태로부터 물체까지의 거리를 측정한다.<ref name = "네이버"></ref>
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3D 스캐닝 기술이란 3D 스캐너를 이용하여 [[레이저]]나 [[백색광]]을 대상물에 투사하여 대형물의 형상 정보를 취득하고 디지털 정보로 전환하는 모든 과정을 통칭하는 용어다. 3D 스캐닝 기술을 이용하면, 볼트와 너트를 비롯하여 초소형 대상물, 항공기, 선박 더불어 빌딩이나 다리 또는 지형과 같은 초대형 대상물의 형상 정보도 쉽게 얻을 수 있다.<ref name = "시스템즈">〈[https://www.3dscanning.co.kr/about-3dscanning 3D 스캐닝이란]〉, 《3D 시스템즈》</ref>
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==특징==
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3D 스캐너로부터 얻어진 형상 정보는 다양한 산업군에 [[역설계]](Reverse Engineering)나 [[품질 관리]](Quality inspection) 분야에 적극적으로 활용되고 있다. 기존에는 특정 제품의 형상 정보를 얻기 위해선 대상 제품을 일일이 [[캘리퍼스]]와 같은 도구를 이용해, 수작업으로 대상물의 측정이 이루어졌다. 기존의 방식은 작업 시간도 많이 지체되고 정확한 작업을 실행하기 어렵다. 3D 스캐너는 단 몇 번의 샷을 통해서 단시간 내에 제품 전체의 형상 정보를 쉽고 정확하게 취득할 수 있게 해주는 혁신적인 툴이다. 3D 스캐닝 기술은 대상물의 전체 형상을 한꺼번에 측정하며, 마이크로미터 단위로 매우 정밀하게 물체의 3D 데이터를 가질 수 있는 장점이 있다.<ref name = "시스템즈"></ref> 그 결과 여러 산업 분야에서 생산성이 많이 증가하였다. 하지만 장비가 고가이고 장비의 이동이 어려워 보통 실내에서만 측정할 수 있다는 단점이 있다. 최근에는 [[노트북]]에 연결하여 사용할 수 있는 [[휴대용 스캐너]]가 소개되면서, 이동성은 많이 개선되었으나 물체에 그림자가 그리운다든지 물체 표면이 털로 덮여 있거나 빛나는 재질인 경우 데이터를 얻는 데 많은 어려움이 있다. 그에 따라서 3D 스캐닝은 현재 디지털 캐릭터 구성 과정에서 기하 모델링 작업에 참조하기 위한 기본 모델을 얻는 데 사용되고 배우의 얼굴 등과 같이 섬세함이 요구되는 캐릭터에는 3D 스캐닝을 활용하여 정밀한 모델을 얻는다. 콘텐츠 제작 용도 외에도 3D 스캐닝은 문화재 복원, 정밀 계측 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있다.<ref name = "네이버"></ref>
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==3D 스캐닝 기술==
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[[4차 산업혁명]]이 제조업의 새로운 트렌드로 주목받으면서, 다양한 기술들을 융합할 수 있는 [[소프트웨어]] 솔루션이 주목받고 있다.<ref name = "헬로티"></ref>
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===역설계===
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[[역설계]](Reverse Engineering)는 [[캐드]](CAD) 데이터가 존재하지 않는 실물의 형상을 여러 가지 방법을 활용하여 [[디지털화]]된 형상 정보를 습득하고 이것을 기반으로 캐드 데이터를 생성하는 기술 및 이와 관련된 작업을 의미한다. 이러한 리버스 엔지니어링은 국내에서 리버스 모델링, 또는 역설계 등의 용어와 같은 의미로 통용된다.<ref name = "에이치티씨">에이치티씨, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=khtc_&logNo=220673688062 제품을 다시 설계하는 역설계(Reverse Engineering)의 의미와 작업 프로세스]〉, 《네이버 블로그》, 2016-04-04</ref> 역설계는 [[디지털]] 설계 공정에 사용할 목적으로 실제 제품을 캡처하는 경우 반드시 거쳐야 하는 과정이다. 물리적 부품을 측정한 수치를 바탕으로 제품 설계 요소를 파악하는 과정은 제조혁신을 위한 토대가 된다.<ref name = "헬로티"></ref>
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====캐드(CAD)란?====
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CAD라는 이름의 뜻은 (Computer Aided Design)의 약자이다. [[오토데스크]]사에서 만든 프로그램이다. 컴퓨터 지원 설계의 약어로써 컴퓨터를 이용하여 도면을 만드는 설계 프로그램이다. 건축이나 인테리어 또는 기계 설비 쪽에서 주로 사용되는 프로그램이다. [[벡터]] 방식을 기본으로 사용하고 도면을 문서화하여 빠르고 효율적으로 일을 할 수 있음으로 3D 프로그램이 많이 발달한 2021년 기준 현재까지도 많이 사용되고 있다.<ref>Design Winner, 〈[https://m.blog.naver.com/seungwan22/221146109119 캐드(CAD)란 무엇인가?]〉, 《네이버 블로그》, 2017-11-22</ref>
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===역설계 역사===
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2000년대 이전에는 실물의 [[형상]] 정보를 획득하는 방식으로써 대부분 캘리퍼스와 같은 [[접촉식 측정기]] 등을 사용하여 형상을 대표하는 치수를 측정하고 이를 기반으로 기존의 캐드 모델러에서 제품 설계 작업을 하거나 조금 발전된 형태인 [[좌표 측정기]](CMM)를 활용한 [[자동화]] 측정을 통해서 형상 특징들을 취득한 후 이것을 기반으로 제품을 [[설계]]하는 방식을 활용했다.
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2000년대에 들어오면서 3D 스캐닝이라는 기술이 업계에서 본격적으로 알려지면서 이를 기반으로 하는 역설계 기법이 시도되었다. 2016년 기준에 대부분 역설계 작업이 이러한 3D 스캐닝 기술 기반으로 이루어졌다. 기존 캘리퍼스 및 좌표 측정기(CMM) 기반의 [[접촉식 측정 방식]]과 최신의 3D 스캐닝 기법을 이용한 [[비접촉식 측정 방식]]의 차이점은 측정 결과물에서 직관적으로 설명이 가능하다. 속도가 느린 좌표 측정기와 비교했을 때, 3D 스캐너를 이용한 경우 대상 제품에 대한 고밀도의 측정 데이터를 빠른 시간 안에 획득이 가능하다. 그로 인해 기하 특징 형상 및 자유 곡면을 점군 자체로 표현할 수 있을 정도의 충분한 데이터 획득이 가능하다. 작업 시간을 대폭 단축할 수 있고 기존에 모델링이 어려웠던 자유 곡면도 수월하게 캐드에서 설계가 가능하다.
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3D 스캐닝 기술이 [[제품 설계]], [[개발]], [[생산]], [[품질 관리]] 등에 효과적으로 적용됨으로써 전체적인 신제품 개발 사이클이 혁신적으로 단축될 수 있었을 뿐만 아니라 기술의 특성상 토목, 건축 문화재, 의료, [[컴퓨터 그래픽스]] 등 다양한 응용 분야에서도 3D 스캐닝 기술이 빠른 속도로 파급되고 있어 다양한 분야에서 주목받는 혁신적인 솔루션으로 정착하고 있다. 최근 들어 활용 현장에서 3D 스캐닝 관련 솔루션에 대한 기술적 이해는 이제 상당한 수준까지 상승했으며, 자동차 또는 전자 업계를 중심으로 제품의 설계 및 생산 공정에 3D 스캐닝 기술 도입이 활발하게 이루어지고 있다.<ref name = "에이치티씨"></ref>
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===역설계 프로세스===
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일반적으로 제품을 개발하는 [[설계 프로세스]]는 디자인 검토, 개념 설계, 조립품 설계, 단품 상세 설계, 성능 해석, 시제품 제작 등의 과정을 거친다. 반면에 역설계 프로세스는 대상물을 측정하는 것과 측정한 데이터로부터 [[3D 모델]]을 생성하는 두 가지 단계로 나눌 수 있고 세분화하면 다음과 같은 네 가지 단계로 나눌 수 있다.
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[[파일:역설계 프로세스.PNG|썸네일|400픽셀|'''역설계 프로세스''']]
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*첫 번째 단계([[3D 스캐너로 스캐닝]]) : 스캐닝을 시작하기 전에 대상물의 크기, 형상의 복잡성, 수량, 표면 광택 등의 특성과 요구되는 정밀도를 파악하여 적합한 스캐너를 선정하는 것부터 시작이다. 스캐너의 종류는 [[삼각 측정법]], [[레인징]] 방식, [[간섭 방식]], [[광패턴 방식]], [[이미지 분석법]] 등이 있다. 그 다음 선정한 스캐너로 스캔하여 3D 점 데이터를 구한다.
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*두 번째 단계([[스캔 데이터 프로세싱]]) : 스캔 데이터 프로세싱은 첫 번째 단계에서 획득한 점군 데이터를 처리하여 양질의 포인트 혹은 폴리곤 데이터를 생성하는 과정이다. 대상의 물체와 상관없는 점들을 삭제하고 [[노이즈]]에 해당하는 점들을 솎아내며 후속 작업에 필요한 양만 얻기 위해 일정 비율만큼 줄이고 점 데이터로부터 삼각 메시를 생성하는 폴리곤 화와 서로 다른 위치와 방향에서 측정한 데이터를 동일 기준 좌표계를 맞추는 [[정합]], 각각의 데이터를 하나의 단일 데이터로 합치는 [[병합]], 삼각 메시 데이터를 간략화하여 줄이는 [[데시메이션]], 삼각 메시의 표면을 매끄럽게 만드는 [[스무딩]] 등의 과정들이 모두 이 단계에 포함된다.
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*세 번째 단계([[곡면 또는 솔리드 모델링]]) : 두 번째 단계에서 생성된 포인트, 폴리곤 데이터로부터 곡선, 곡면, 솔리드 형상과 같은 [[캐드 모델]]을 생성하는 과정이다. 일반적인 설계 프로세스에서 캐드 모델을 생성하는 것과 달리 역설계에선 측정 데이터로부터 생성된 폴리곤 모델과 같거나 닮은 모델을 생성하는 것임으로 역설계 과정의 핵심이다. [[곡선]]이나 [[곡면]]처럼 역설계 파라미터를 추출하기 어려운 [[형상]]에 대해서는 주로 [[피팅]]을 이용하여 생성한다. 피팅은 [[보간법]], [[근사법]]과 같은 방식으로 분류된다. 보간법은 측정 데이터를 지나는 곡면을 생성하고 근사법은 측정 데이터를 오차 범위 내에서 지나는 곡면을 생성한다. 보간법은 측정 데이터가 높은 정밀도를 갖고 있으며 피팅 결과가 측정 데이터를 유지하려는 경우에 사용된다.<br>근사법의 대표적인 사례는 [[최소 지승 피팅]]이다. 피팅에 의해 생성된 곡면은 [[IGES]]나 [[STEP]] 같은 파일 [[포맷]]을 통해 [[캐드 소프트웨어]] 사이에서 변환이 가능하지만, 수정할 수 없는 [[덤 지오 메트리]]임으로 진정한 역설계를 실현하기 위해 스캔 데이터를 설계 가이드 또는 템플릿으로 활용하여 원시 설계 변수 및 설계 의도를 파악하는 파라메트릭 역설계 과정이 필요하다. 이러한 과정은 폴리곤 데이터를 최적화하고 잘못된 [[기하 형상]]을 고치는데 시간이 훨씬 적게 걸림으로 피팅 방식보다 빠르게 진행할 수 있다. 이러한 프로세스를 예를 들어 설명하면, 임의의 3D 스캔 데이터로부터 추출된 형상을 찾아서 해당 형상이 추출된 방향을 찾는다. 그리고 폴리곤 상에서 [[횡단면]]을 잘라, 이것을 [[2차원]] 스케치를 생성하기 위한 참조 데이터로 이용한다. 스케치 상에서 사용자는 [[설계 변수]]에 필요한 모든 조건을 충족할 수 있도록 특정 부분을 제약하거나 임의의 치수를 스케치에 입력할 수도 있지만, 대부분의 변수는 스캔 데이터로부터 자동, 반자동으로 추출할 수 있다. 이러한 스케치 기반의 역설계 방식은 일반 캐드 시스템에서 형상을 설계하는 경우에도 가장 일반적으로 활용되는 방식이다.<br>3D 스캔 데이터 기반의 역설계 과정은 일반 캐드 시스템을 사용하여 형상을 설계하는 방식과 동일하지만, 설계 과정 중에 다양한 설계 특징 형상의 변수를 입력해야 하는 것과 설계 의도를 3D 스캔 데이터로부터 자동으로 추출하는 것에 차이점이 있다. 역설계의 시작은 스캔 데이터를 후작업이 용이하게 처리하는 것으로부터 시작한다. 스캔 데이터는 [[메쉬 모델링]]으로 더욱 완벽하고 중요한 형상 정보를 만들 수 있다. 스캔 데이터로부터 피팅 방식의 곡면 모델링은 자유 형상을 정확하고 빠르게 [[캐드 서피스]]로 제작할 수 있으며 일반적인 캐드의 파라메트릭 방식의 솔리드 모델링은 스캔 데이터를 기반으로 한 역설계에서 설계에 변경된 스캔 데이터를 역설계된 모델 전체에 쉽고 빠르게 반영할 수 있다. 이러한 역설계의 모델링 방법은 전통적인 캐드 모델링과 비교한다면, 스캔 데이터를 처리하고 이것을 기반으로 모델링이 이루어진다는 것이 차이점이다. 이러한 혼합 설계 방식은 역설계 과정에서 복잡한 형상을 빠르고 정확하고 효과적으로 생성할 수 있다.
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*마지막 단계([[모델 검증]]) : 최종 결과물인 캐드 모델을 검증하는 과정이다. 일반적인 설계 프로세스에서의 캐드 모델과 마찬가지로 가공하기에 적합한 곡면으로 이루어져 있는지 표면의 품질과 곡면 간의 연속성 등을 검사하는 것은 기본이다. 역설계 과정에서 중요한 것은 생성된 캐드 모델과 원래 측정 데이터인 [[점군]] 또는 [[폴리곤]] 모델과의 편차를 검사하는 것이다. 역설계 과정에서 흔하게 발생하는 에러를 방지하기 위해서는 측정 대상물과의 오차를 검사하고 오차를 최소화하려는 노력이 필요하다. 실제 모델링 과정에서 이러한 오차 최소화의 작업이 역설계 프로세스의 마지막 단계가 아니라 곡선, 곡면, 솔리드 형상을 생성하는 중간 단계에서도 이루어지지만, 스캔 데이터는 불완전한 측정 결과물이므로 설계자는 스캔 데이터를 정확하게 따르는 역설계를 활용할지 깨끗하고 이상적인 캐드 모델을 생성하기 위해 스캔 데이터와 편차를 두어야 할지 선택해야 한다.<ref name = "에이치티씨"></ref>
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최신 3D 스캐닝 기술과 소프트웨어를 사용하는 역설계 기술은 각 제품 생산 공정에서 반복적으로 발생하고 비즈니스 가치를 높이는 방안이다. 3D 스캐닝 기술 및  역설계 프로세스 활용은 오래된 부품 및 공구의 캐드 데이터를 재생성하고 기존 제품에 적합한 새로운 맞춤형 제품을 설계할 수 있다. 이 뿐만 아니라 [[프로토타입]] 혹은 제조를 위해서 변경 사항을 기록하고 분실된 부품 및 캐드(CAD) 데이터를 재설계하며, 신제품 설계를 위해 물리적 부품을 [[캐드]]로 변환한다.<ref name = "헬로티">서재창 기자, 〈[https://www.hellot.net/mobile/article.html?no=54745 (Webinar Review) 3D 스캐닝 기술을 활용한 역설계 프로세스 알아보기]〉, 《헬로티》, 2020-10-26</ref>
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===역설계 프로세스 사례===
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[[3D 시스템즈]]는 3D 스캐닝 기술을 활용한 역설계 프로세스에 초점을 맞췄다. 역설계 소프트웨어인 [[지오매직 디자인 엑스]](Geomagic Design X)는 전 세계에서 가장 많이 사용되는 역설계 솔루션 중 하나이다. 지오매직은 기존 캐드 환경에 직접 연결되고 다른 모델과 같은 방식으로 사용할 수 있는 네이티브 파일을 생성한다. 무엇보다 기존 역설계 프로그램과 차별화되는 부분은 3배에서 최대 10배가 빠른 캐드 변환 속도이다. 이러한 장점은 비용 절감과 생산성 향상으로 이어져 해당 솔루션을 이용하는 기업에 이익으로 작용한다. 이외에도 [[메시]] 편집 및 포인트 [[클라우드]] 공정, 편차 분석 도구, 자동 솔리드 모델 추출을 활용한 실시간 결과 제공 등의 기능이 포함되어 있다.<ref name = "헬로티"></ref>
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===역설계 구현을 위한 팁===
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{{테두리색|#fff0f5|1. [[측정]]과 [[설계]]를 가로막는 장벽을 허문다. 이 의미는 제품 개발 부서 또는 엔지니어링 부서가 직접 스캐너를 조작하고 스캐너를 조작하는 검사, 품질 부서와 긴밀하게 협력하는 것이다. 설계자는 스캔 및 스캔 기반 [[캐드 모델링]]에 직접 참여를 한다.
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2. 3D 스캐닝과 역설계가 가능한 여러 응용 분야를 탐색한다. 해당 부서 및 담당자는 기업 내에서 역설계 전문지식을 활용하고 이해 관계자의 지원을 구축하여 투자 수익(ROI)과 비즈니스 효과를 극대화한
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다.
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3. 적합한 3D 스캐너를 선택한다. 대부분의 측정 요건을 만족하는 3D 스캐너를 선택하고 나머지는 신뢰하는 외부 서비스 업체와 협력하는 것이 좋다.
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4. [[측정 소프트웨어]]를 설계하는 용도로 사용하지 않는다. 번들로 제공되는 스캐너 소프트웨어는 대부분 스캔 효과를 높이는 것에 집중되어 있기 때문에 기본적인 부품 의도를 파악하는 작업엔 적합하지 않다.
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5. [[설계 소프트웨어]]를 측정에 사용하지 않는다. 기존 캐드 소프트웨어를 사용하여 3D 스캔에서 캐드 모델을 제작하고 싶어도 이는 번거롭고 정기적으로 역설계에 사용하기에는 비효율적이다.}}<ref name = "헬로티"></ref>
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===제품마다 변하는 역설계 적용 방식===
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[[파일:지오매직 디자인.jpg|썸네일|300픽셀|'''그림 1. 지오매직 디자인 엑스가 적용된 주조 형상 모델''']]
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역설계 프로세스 종류는 세 가지로 정리된다.
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* [[메시 모델링 프로세스]] : 정리가 덜 된 스캔 데이터에서 완전한 스캔 데이터로 변환하고 정제하는 방식이다.
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* [[서피스 모델링 프로세스]] : 복잡한 형상을 구현할 때, 형상에 대한 표면 정보만 그대로 가져와 간단한 솔리드 형태로 변환하는 과정이다.
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* [[파라메트릭 모델링 프로세스]] : 일반적인 설계 개념을 적용하여, 스캔 데이터를 기반으로 3D 또는 2D 스케치로부터 만든 방식이다.
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사용자가 어떠한 형식의 최종 데이터를 원하는가에 따라서 다르겠지만 일반적으로는 파라메트릭 모델링 프로세스를 주로 활용한다. 사례로, 서피스 모델링 프로세스는 대부분 형상의 표면만 필요할 때 사용된다. 그림 1은 주조 형상 모델로서 공기 역학적 흐름과 표면 곡률, 전반적인 형태가 중요한 제품이다.
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[[오토 서피스]] 기능은 이 형상의 전체적인 영역을 구분한다. [[패치 네트워크]]가 만들어지게 되면 서피스를 채워 솔리드 데이터로 출력한다. 이것은 스캔 데이터를 기반으로 소프트웨어가 자동을 계산한 값이다. 얼마나 정확하게 맞아떨어지는지 편차를 체크하는 기능을 통해 공차 범위 내에 들어오는지 아닌지 실시간으로 모델링을 만들며 지원할 수 있다. [[오토 세그먼트]] 기능은 연산을 통해 특정한 [[기하 형상]]을 찾은 뒤에, 캐드 데이터처럼 영역을 구분할 수 있다. 사용자는 특정한 R 값을 가진 [[서피스]]를 삽입하여, 면의 조도 등 품질 검사 또한 할 수 있다.<ref name = "헬로티"></ref>
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===역설계의 주요 분야===
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[[파일:지오매직 자동차.jpg|썸네일|300픽셀|'''그림 2. 지오매직 디자인 엑스는 누락된 스캔 데이터를 활용해 완전한 모델링 데이터로 구현''']]
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2020년 기준 가장 많이 사용하는 분야는 [[자동차]]다. 역설계 소프트웨어는 자동차 [[내장재]], [[외장재]] 제작에 활용되고 이외에도 항공 우주, 의료, 장난감 등의 산업에도 사용된다. 그림 2를 보면, 곳곳에 빈 스캔 데이터가 있다. 형태가 추측 가능한 부분만 있어도 지오매직 디자인 엑스는 완벽한 차량의 모델링 데이터를 만든다. 더불어 항공기 경량화에 대한 관심이 높아지면서 위상 최적 설계를 적용하는 사례가 늘었다. 하지만 실제 제품으로 적용하고 싶어도 기존의 [[가공 프로세스]]로 진행하기에 어려움이 있다. 3D 시스템즈는 [[3D 프린팅]] 활용으로 완성된 데이터에 추가 가공을 통해 실제 항공기에 3D 프린팅 기술을 적용한 사례도 있다.<ref name = "헬로티"></ref>
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==3D 스캐너==
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입체의 사물을 스캔 장비를 사용하여 모델링 데이터를 만들어주는 장치이다. 레이저나 백색광을 대상물에 투사하여 대상물의 형상 정보를 습득한 뒤, 3D 모델링 데이터를 만들어주는 장치다.<ref name = "no1">The One Thing, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=no1techkjs&logNo=220506045545 3D 스캐너의 원리와 종류]〉, 《네이버 블로그》, 2015-10-12</ref> 3D 스캐너는 주로 물체의 표면 정보만 취득하는데, 카메라는 물체 표면에 있는 2D 정보(x, y)에 색상 정보만 취득하는 반면 3D 스캐너는 물체의 깊이 정보(Depth, z)까지도 취득한다. 3D 스캐너의 목적은 물체의 표면으로부터 기하 정보(X, Y, Z)가 샘플링된 점군을 형성하는 것이다.<ref>이리아찌, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=frenzy7&logNo=140163719225 역설계란?]〉, 《네이버 블로그》, 2012-07-18</ref><ref name = "한국기술">한국기술, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=komocim&logNo=221532488757 3D스캐너 활용사례 및 교육]〉, 《네이버 블로그》, 2019-05-08</ref>
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===3D 스캐너 원리===
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{{테두리색|#fff0f5|1. 물체 스캐닝 이미지
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2. 정렬 및 정합 : 스캐닝 된 이미지들은 각각 특정 부분의 데이터이므로 하나의 좌표계로 합치는 작업
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3. [[머징]](Merging) : 정렬된 여러 데이트 세트를 하나의 데이터로 합치는 작업
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4. 3D 모델링 데이터 생성
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물체를 스캐닝한 이미지들을 하나의 좌표계로 합친 후, 정렬된 여러 데이터 세트를 하나의 데이터를 합하여 3D 모델링 데이터를 생성한다.}}<ref name = "no1"></ref>
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===3D 스캐너 방식===
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:{|class=wikitable width=600 style="background-color:#fff0f5"
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!align=center style="background-color:#FFB6C1"|분류
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!align=center style="background-color:#FFB6C1"|스캔 기본 방식
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!align=center style="background-color:#FFB6C1"|방식별 스캐너
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!align=center style="background-color:#FFB6C1"|측정방식
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|-
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!align=center style="background-color:#FFB6C1"|[[접촉식 방식]]
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|align=center|접촉식 3D 스캔
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|align=center|좌표 측정기(Coordinate Measuring Machines, CMM), 다관절 RM, 다관절 로봇 스캐너
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|align=center|터치 프로브(Touch Prove)를 이용한 인코딩(Encoding) 방식
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|-
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!align=center rowspan=12 style="background-color:#FFB6C1"|[[비접촉식 방식]]
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|align=center rowspan=3|장거리 비접촉식 3D 스캔
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|align=center rowspan=3|레이저 방식 3D 스캐너
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|align=center|티오피(Time of Flight, TOP) 방식
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|-
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|align=center|위상 변이(Phase shift) 방식
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|-
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|align=center|디지털화된 에코 신호 실시간 분석 방식(Online Waveform Analysis)
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|-
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|align=center rowspan=6|단거리 비접촉식 3D 스캔
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|align=center|레이저 방식 3D 스캐너
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|align=center|광 삼각법 방식
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|-
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|align=center rowspan=2|광학 방식 3D 스캐너
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|align=center|백색광 방식
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|-
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|align=center|변조광 방식
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|-
 +
|align=center|포토(PHOTO), 광학 방식 3D 스캐너
 +
|align=center|핸드헬드 리얼 타임(Handheld Real Time) 방식
 +
|-
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|align=center rowspan=2|광학 방식, 레이저 방식(전신 스캐너)
 +
|align=center|패턴 투사(Pattern Projection) 방식
 +
|-
 +
|align=center|라인 스캐닝(Line Scanning) 방식
 +
|-
 +
|align=center rowspan=2|중·단거리 비접촉식 3D 스캔
 +
|align=center|사진 방식 스캐너
 +
|align=center|사진 측량(Photogrammetry) 방식
 +
|-
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|align=center|리얼 타임(Real Time) 스캐너
 +
|align=center|키넥트 퓨전(Kinect Fusion ) 방식
 +
|}<ref name = "수수깡">수수깡, 〈[https://m.blog.naver.com/msnayana/221457720475 3D 스캐너 원리]〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-03</ref>
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[[파일:접촉식.jpg|썸네일|200픽셀|'''접촉식 스캐너 방식''']]
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3D 스캐너를 두 종류로 구분한다면 [[접촉식]]과 [[비접촉식]]으로 구분할 수 있다. 접촉식 스캐너 방식은 [[탐촉자]]를 물체에 직접 닿게 하여 스캐닝하는 방식이다. 정확도는 높지만, 물체 표면에 직접 접촉하여 스캔하기 때문에 물체의 변형 및 손상을 가져올 수 있다. 비접촉식 스캐너 방식은 빛을 이용하여 물체를 스캐닝하는 방식이고 레이저나 백색광으로 물체에 빛을 발사한 후, 반사된 빛의 시간을 측정하고 거리를 수치화하는 두 가지 방식이 있다. [[레이저]] 방식은 가장 널리 사용되고 있고 다양한 솔루션과 안정화가 장점이다. 하지만 측정 속도, 대상물 크기 제한이 있고 측정물 난반사가 있다. [[백색광]] 방식은 2019년 기준 정확도가 상승했으며, [[광 삼각법]]을 사용하고 기구 부가 불필요한 것이 장점이다. 하지만 외부 광 간섭이 침투할 수가 있다.<ref name = "no1"></ref><ref name = "한국기술"></ref>
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{{갤러리|width=400|height=200|lines=1|파일:레이저 방식.jpg|'''비접촉식  단거리 3D 스캔, 레이저 스캐너'''}}
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비접촉식 스캐너는 3D 스캐너가 직접 빛을 [[피사체]]에 쏘는 여부에 따라서 능동형과 [[수동형 스캐너]]로 분류될 수 있으며, 2019년 기준 산업계의 주류는 대부분 [[능동형 스캐너]]이고 이 스캐너만 3D 스캐너라고 한정하기도 한다. 가장 일반적인 비접촉식 단거리 3D 스캔 중 [[레이저 스캐너]]는, 깊이 데이터를 센서에 맺히는 레이저 반사 영상이 중심 지점과 벗어나는 거리가 생긴다. 이것을 [[삼각법]]을 이용하여 깊이를 구할 수 있다. 이때 센서와 레이저 및 물체의 거리와 각도는 고정이다. 스캔은 레이저에 라인 구성 렌즈를 부착하여 스캔시키면 짧은 시간에 표면 스캔이 가능하다. 이런 식으로 스캔을 하여 만들어진 선이 [[프로필]](Profile)로 윤곽선이 된다. 이러한 프로필이 일정한 간격으로 뽑혀야 하므로 [[엔코더]]를 사용하여 일정량만큼 이동시킨다. 이런식으로 구할 수 있는 깊이는 통상 10㎛ 이내 이다. 렌즈의 구성으로 분해능을 변경할 수 있다. 
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{{갤러리|width=400|height=250|lines=1|파일:비접촉 종류.jpg|'''머신 비전에서 3D 스캔을 위한 방법'''}}
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위의 이미지에서 [[광 삼각법]]이 대표적으로 많이 사용된다. 포인트(Point) 광을 이용한 [[3D 형상 측정법]](Point Beam Projection)은 3D 측정의 가장 기본적인 형태로써 표면 위 측정 대상체의 3D 형상을 기존 접촉식 [[프로브]]를 광학식 변위 센서를 사용하여 측정한다. 광학식 변위 센서는 표면에 일정한 각도로 [[레이저 다이오드]](Laser Diode)로부터 발사된 레이저 빔을 초점거리가 5mm 안팎의 [[발광 렌즈]](집광 렌즈)로 집광하여 통과한 레이저 광원을 표면상의 측정 대상체에 조사한다. 측정 대상체로부터 반사된 레이저 광원은 다시 [[결상 렌즈]](수광 렌즈)로 수신받아 [[에어리어 센서]](Area Sensor) 위에 결상된다. 센서는 결상 위치에 따른 전기 신호를 출력한다. 여기서,  센서는 측정 대상체의 높이 변화에 따라 센서 위에 결상되는 위치가 변하기 때문에 한 점의 높이 값을 측정한다. 이러한 광학식 변위 센서는 한 번에 표면상의 측정 대상체의 한 점의 높이 값만 측정하기 때문에 표면상의 측정 대상체의 곡면형상을 측정할 경우, 광학식 변위 센서를 이송시키면서 동시에 광학식 변위 센서의 3차원 위치 좌푯값을 읽어야 하므로 고정도의 이동이 가능한 기구 부가 필요하다. 광학식 변위 센서는 많은 제품이 출시되고 있지만, 보편적으로 사용되고 있는 센서의 측정 정도는 약 2~5㎛의 것들이 사용되고 있다.<ref name = "수수깡"></ref>
  
 
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*〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3435002&cid=58460&categoryId=58460 3D 스캐닝]〉, 《네이버 지식백과(훤히 보이는 디지털 시네마)》
 
*〈[https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3435002&cid=58460&categoryId=58460 3D 스캐닝]〉, 《네이버 지식백과(훤히 보이는 디지털 시네마)》
 
*〈[http://www.sm-berry.com/portfolio/3dscanner/ 3D 프린팅을 위한 3D Scanner]〉, 《스마트베리》
 
*〈[http://www.sm-berry.com/portfolio/3dscanner/ 3D 프린팅을 위한 3D Scanner]〉, 《스마트베리》
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* 서재창 기자, 〈[https://www.hellot.net/mobile/article.html?no=54745 (Webinar Review) 3D 스캐닝 기술을 활용한 역설계 프로세스 알아보기]〉, 《헬로티》, 2020-10-26
 +
* 에이치티씨, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=khtc_&logNo=220673688062 제품을 다시 설계하는 역설계(Reverse Engineering)의 의미와 작업 프로세스]〉, 《네이버 블로그》, 2016-04-04
 +
* Design Winner, 〈[https://m.blog.naver.com/seungwan22/221146109119 캐드(CAD)란 무엇인가?]〉, 《네이버 블로그》, 2017-11-22
 +
* 한국기술, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=komocim&logNo=221532488757 3D스캐너 활용사례 및 교육]〉, 《네이버 블로그》, 2019-05-08
 +
* 이리아찌, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=frenzy7&logNo=140163719225 역설계란?]〉, 《네이버 블로그》, 2012-07-18
 +
* The One Thing, 〈[https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=no1techkjs&logNo=220506045545 3D 스캐너의 원리와 종류]〉, 《네이버 블로그》, 2015-10-12
 +
* 수수깡, 〈[https://m.blog.naver.com/msnayana/221457720475 3D 스캐너 원리]〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-03
  
 
==같이 보기==
 
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* [[3D]]
 
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2021년 7월 15일 (목) 14:47 기준 최신판

3D 스캐닝(3D Scanning)은 하드웨어 장비를 이용하여 물체의 3D 형태를 측정하는 방법이다. 사람이나 사물을 3D 모델링 프로그램으로 모델링할 필요 없이 3D 스캐너를 이용하여 직접 데이터를 얻는 것이다.[1][2]

개요[편집]

3D 스캐닝은 레이저를 발사하여 물체에 맞고 돌아오는 시간으로부터 거리를 측정한다. 특별히 고안된 패턴 광을 사용하여 물체까지의 거리를 측정하는 방법이 있다. 패턴 광을 사용하여 거리를 잴 때는, 미리 고안된 여러 가지 무늬의 빛을 물체에 가한 뒤, 빛이 물체에 맺힌 형태로부터 물체까지의 거리를 측정한다.[1]

3D 스캐닝 기술이란 3D 스캐너를 이용하여 레이저나 백색광을 대상물에 투사하여 대형물의 형상 정보를 취득하고 디지털 정보로 전환하는 모든 과정을 통칭하는 용어다. 3D 스캐닝 기술을 이용하면, 볼트와 너트를 비롯하여 초소형 대상물, 항공기, 선박 더불어 빌딩이나 다리 또는 지형과 같은 초대형 대상물의 형상 정보도 쉽게 얻을 수 있다.[3]

특징[편집]

3D 스캐너로부터 얻어진 형상 정보는 다양한 산업군에 역설계(Reverse Engineering)나 품질 관리(Quality inspection) 분야에 적극적으로 활용되고 있다. 기존에는 특정 제품의 형상 정보를 얻기 위해선 대상 제품을 일일이 캘리퍼스와 같은 도구를 이용해, 수작업으로 대상물의 측정이 이루어졌다. 기존의 방식은 작업 시간도 많이 지체되고 정확한 작업을 실행하기 어렵다. 3D 스캐너는 단 몇 번의 샷을 통해서 단시간 내에 제품 전체의 형상 정보를 쉽고 정확하게 취득할 수 있게 해주는 혁신적인 툴이다. 3D 스캐닝 기술은 대상물의 전체 형상을 한꺼번에 측정하며, 마이크로미터 단위로 매우 정밀하게 물체의 3D 데이터를 가질 수 있는 장점이 있다.[3] 그 결과 여러 산업 분야에서 생산성이 많이 증가하였다. 하지만 장비가 고가이고 장비의 이동이 어려워 보통 실내에서만 측정할 수 있다는 단점이 있다. 최근에는 노트북에 연결하여 사용할 수 있는 휴대용 스캐너가 소개되면서, 이동성은 많이 개선되었으나 물체에 그림자가 그리운다든지 물체 표면이 털로 덮여 있거나 빛나는 재질인 경우 데이터를 얻는 데 많은 어려움이 있다. 그에 따라서 3D 스캐닝은 현재 디지털 캐릭터 구성 과정에서 기하 모델링 작업에 참조하기 위한 기본 모델을 얻는 데 사용되고 배우의 얼굴 등과 같이 섬세함이 요구되는 캐릭터에는 3D 스캐닝을 활용하여 정밀한 모델을 얻는다. 콘텐츠 제작 용도 외에도 3D 스캐닝은 문화재 복원, 정밀 계측 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있다.[1]

3D 스캐닝 기술[편집]

4차 산업혁명이 제조업의 새로운 트렌드로 주목받으면서, 다양한 기술들을 융합할 수 있는 소프트웨어 솔루션이 주목받고 있다.[4]

역설계[편집]

역설계(Reverse Engineering)는 캐드(CAD) 데이터가 존재하지 않는 실물의 형상을 여러 가지 방법을 활용하여 디지털화된 형상 정보를 습득하고 이것을 기반으로 캐드 데이터를 생성하는 기술 및 이와 관련된 작업을 의미한다. 이러한 리버스 엔지니어링은 국내에서 리버스 모델링, 또는 역설계 등의 용어와 같은 의미로 통용된다.[5] 역설계는 디지털 설계 공정에 사용할 목적으로 실제 제품을 캡처하는 경우 반드시 거쳐야 하는 과정이다. 물리적 부품을 측정한 수치를 바탕으로 제품 설계 요소를 파악하는 과정은 제조혁신을 위한 토대가 된다.[4]

캐드(CAD)란?[편집]

CAD라는 이름의 뜻은 (Computer Aided Design)의 약자이다. 오토데스크사에서 만든 프로그램이다. 컴퓨터 지원 설계의 약어로써 컴퓨터를 이용하여 도면을 만드는 설계 프로그램이다. 건축이나 인테리어 또는 기계 설비 쪽에서 주로 사용되는 프로그램이다. 벡터 방식을 기본으로 사용하고 도면을 문서화하여 빠르고 효율적으로 일을 할 수 있음으로 3D 프로그램이 많이 발달한 2021년 기준 현재까지도 많이 사용되고 있다.[6]

역설계 역사[편집]

2000년대 이전에는 실물의 형상 정보를 획득하는 방식으로써 대부분 캘리퍼스와 같은 접촉식 측정기 등을 사용하여 형상을 대표하는 치수를 측정하고 이를 기반으로 기존의 캐드 모델러에서 제품 설계 작업을 하거나 조금 발전된 형태인 좌표 측정기(CMM)를 활용한 자동화 측정을 통해서 형상 특징들을 취득한 후 이것을 기반으로 제품을 설계하는 방식을 활용했다.

2000년대에 들어오면서 3D 스캐닝이라는 기술이 업계에서 본격적으로 알려지면서 이를 기반으로 하는 역설계 기법이 시도되었다. 2016년 기준에 대부분 역설계 작업이 이러한 3D 스캐닝 기술 기반으로 이루어졌다. 기존 캘리퍼스 및 좌표 측정기(CMM) 기반의 접촉식 측정 방식과 최신의 3D 스캐닝 기법을 이용한 비접촉식 측정 방식의 차이점은 측정 결과물에서 직관적으로 설명이 가능하다. 속도가 느린 좌표 측정기와 비교했을 때, 3D 스캐너를 이용한 경우 대상 제품에 대한 고밀도의 측정 데이터를 빠른 시간 안에 획득이 가능하다. 그로 인해 기하 특징 형상 및 자유 곡면을 점군 자체로 표현할 수 있을 정도의 충분한 데이터 획득이 가능하다. 작업 시간을 대폭 단축할 수 있고 기존에 모델링이 어려웠던 자유 곡면도 수월하게 캐드에서 설계가 가능하다.

3D 스캐닝 기술이 제품 설계, 개발, 생산, 품질 관리 등에 효과적으로 적용됨으로써 전체적인 신제품 개발 사이클이 혁신적으로 단축될 수 있었을 뿐만 아니라 기술의 특성상 토목, 건축 문화재, 의료, 컴퓨터 그래픽스 등 다양한 응용 분야에서도 3D 스캐닝 기술이 빠른 속도로 파급되고 있어 다양한 분야에서 주목받는 혁신적인 솔루션으로 정착하고 있다. 최근 들어 활용 현장에서 3D 스캐닝 관련 솔루션에 대한 기술적 이해는 이제 상당한 수준까지 상승했으며, 자동차 또는 전자 업계를 중심으로 제품의 설계 및 생산 공정에 3D 스캐닝 기술 도입이 활발하게 이루어지고 있다.[5]

역설계 프로세스[편집]

일반적으로 제품을 개발하는 설계 프로세스는 디자인 검토, 개념 설계, 조립품 설계, 단품 상세 설계, 성능 해석, 시제품 제작 등의 과정을 거친다. 반면에 역설계 프로세스는 대상물을 측정하는 것과 측정한 데이터로부터 3D 모델을 생성하는 두 가지 단계로 나눌 수 있고 세분화하면 다음과 같은 네 가지 단계로 나눌 수 있다.

역설계 프로세스
  • 두 번째 단계(스캔 데이터 프로세싱) : 스캔 데이터 프로세싱은 첫 번째 단계에서 획득한 점군 데이터를 처리하여 양질의 포인트 혹은 폴리곤 데이터를 생성하는 과정이다. 대상의 물체와 상관없는 점들을 삭제하고 노이즈에 해당하는 점들을 솎아내며 후속 작업에 필요한 양만 얻기 위해 일정 비율만큼 줄이고 점 데이터로부터 삼각 메시를 생성하는 폴리곤 화와 서로 다른 위치와 방향에서 측정한 데이터를 동일 기준 좌표계를 맞추는 정합, 각각의 데이터를 하나의 단일 데이터로 합치는 병합, 삼각 메시 데이터를 간략화하여 줄이는 데시메이션, 삼각 메시의 표면을 매끄럽게 만드는 스무딩 등의 과정들이 모두 이 단계에 포함된다.
  • 세 번째 단계(곡면 또는 솔리드 모델링) : 두 번째 단계에서 생성된 포인트, 폴리곤 데이터로부터 곡선, 곡면, 솔리드 형상과 같은 캐드 모델을 생성하는 과정이다. 일반적인 설계 프로세스에서 캐드 모델을 생성하는 것과 달리 역설계에선 측정 데이터로부터 생성된 폴리곤 모델과 같거나 닮은 모델을 생성하는 것임으로 역설계 과정의 핵심이다. 곡선이나 곡면처럼 역설계 파라미터를 추출하기 어려운 형상에 대해서는 주로 피팅을 이용하여 생성한다. 피팅은 보간법, 근사법과 같은 방식으로 분류된다. 보간법은 측정 데이터를 지나는 곡면을 생성하고 근사법은 측정 데이터를 오차 범위 내에서 지나는 곡면을 생성한다. 보간법은 측정 데이터가 높은 정밀도를 갖고 있으며 피팅 결과가 측정 데이터를 유지하려는 경우에 사용된다.
    근사법의 대표적인 사례는 최소 지승 피팅이다. 피팅에 의해 생성된 곡면은 IGES나 STEP 같은 파일 포맷을 통해 캐드 소프트웨어 사이에서 변환이 가능하지만, 수정할 수 없는 덤 지오 메트리임으로 진정한 역설계를 실현하기 위해 스캔 데이터를 설계 가이드 또는 템플릿으로 활용하여 원시 설계 변수 및 설계 의도를 파악하는 파라메트릭 역설계 과정이 필요하다. 이러한 과정은 폴리곤 데이터를 최적화하고 잘못된 기하 형상을 고치는데 시간이 훨씬 적게 걸림으로 피팅 방식보다 빠르게 진행할 수 있다. 이러한 프로세스를 예를 들어 설명하면, 임의의 3D 스캔 데이터로부터 추출된 형상을 찾아서 해당 형상이 추출된 방향을 찾는다. 그리고 폴리곤 상에서 횡단면을 잘라, 이것을 2차원 스케치를 생성하기 위한 참조 데이터로 이용한다. 스케치 상에서 사용자는 설계 변수에 필요한 모든 조건을 충족할 수 있도록 특정 부분을 제약하거나 임의의 치수를 스케치에 입력할 수도 있지만, 대부분의 변수는 스캔 데이터로부터 자동, 반자동으로 추출할 수 있다. 이러한 스케치 기반의 역설계 방식은 일반 캐드 시스템에서 형상을 설계하는 경우에도 가장 일반적으로 활용되는 방식이다.
    3D 스캔 데이터 기반의 역설계 과정은 일반 캐드 시스템을 사용하여 형상을 설계하는 방식과 동일하지만, 설계 과정 중에 다양한 설계 특징 형상의 변수를 입력해야 하는 것과 설계 의도를 3D 스캔 데이터로부터 자동으로 추출하는 것에 차이점이 있다. 역설계의 시작은 스캔 데이터를 후작업이 용이하게 처리하는 것으로부터 시작한다. 스캔 데이터는 메쉬 모델링으로 더욱 완벽하고 중요한 형상 정보를 만들 수 있다. 스캔 데이터로부터 피팅 방식의 곡면 모델링은 자유 형상을 정확하고 빠르게 캐드 서피스로 제작할 수 있으며 일반적인 캐드의 파라메트릭 방식의 솔리드 모델링은 스캔 데이터를 기반으로 한 역설계에서 설계에 변경된 스캔 데이터를 역설계된 모델 전체에 쉽고 빠르게 반영할 수 있다. 이러한 역설계의 모델링 방법은 전통적인 캐드 모델링과 비교한다면, 스캔 데이터를 처리하고 이것을 기반으로 모델링이 이루어진다는 것이 차이점이다. 이러한 혼합 설계 방식은 역설계 과정에서 복잡한 형상을 빠르고 정확하고 효과적으로 생성할 수 있다.
  • 마지막 단계(모델 검증) : 최종 결과물인 캐드 모델을 검증하는 과정이다. 일반적인 설계 프로세스에서의 캐드 모델과 마찬가지로 가공하기에 적합한 곡면으로 이루어져 있는지 표면의 품질과 곡면 간의 연속성 등을 검사하는 것은 기본이다. 역설계 과정에서 중요한 것은 생성된 캐드 모델과 원래 측정 데이터인 점군 또는 폴리곤 모델과의 편차를 검사하는 것이다. 역설계 과정에서 흔하게 발생하는 에러를 방지하기 위해서는 측정 대상물과의 오차를 검사하고 오차를 최소화하려는 노력이 필요하다. 실제 모델링 과정에서 이러한 오차 최소화의 작업이 역설계 프로세스의 마지막 단계가 아니라 곡선, 곡면, 솔리드 형상을 생성하는 중간 단계에서도 이루어지지만, 스캔 데이터는 불완전한 측정 결과물이므로 설계자는 스캔 데이터를 정확하게 따르는 역설계를 활용할지 깨끗하고 이상적인 캐드 모델을 생성하기 위해 스캔 데이터와 편차를 두어야 할지 선택해야 한다.[5]

최신 3D 스캐닝 기술과 소프트웨어를 사용하는 역설계 기술은 각 제품 생산 공정에서 반복적으로 발생하고 비즈니스 가치를 높이는 방안이다. 3D 스캐닝 기술 및 역설계 프로세스 활용은 오래된 부품 및 공구의 캐드 데이터를 재생성하고 기존 제품에 적합한 새로운 맞춤형 제품을 설계할 수 있다. 이 뿐만 아니라 프로토타입 혹은 제조를 위해서 변경 사항을 기록하고 분실된 부품 및 캐드(CAD) 데이터를 재설계하며, 신제품 설계를 위해 물리적 부품을 캐드로 변환한다.[4]

역설계 프로세스 사례[편집]

3D 시스템즈는 3D 스캐닝 기술을 활용한 역설계 프로세스에 초점을 맞췄다. 역설계 소프트웨어인 지오매직 디자인 엑스(Geomagic Design X)는 전 세계에서 가장 많이 사용되는 역설계 솔루션 중 하나이다. 지오매직은 기존 캐드 환경에 직접 연결되고 다른 모델과 같은 방식으로 사용할 수 있는 네이티브 파일을 생성한다. 무엇보다 기존 역설계 프로그램과 차별화되는 부분은 3배에서 최대 10배가 빠른 캐드 변환 속도이다. 이러한 장점은 비용 절감과 생산성 향상으로 이어져 해당 솔루션을 이용하는 기업에 이익으로 작용한다. 이외에도 메시 편집 및 포인트 클라우드 공정, 편차 분석 도구, 자동 솔리드 모델 추출을 활용한 실시간 결과 제공 등의 기능이 포함되어 있다.[4]

역설계 구현을 위한 팁[편집]

1. 측정과 설계를 가로막는 장벽을 허문다. 이 의미는 제품 개발 부서 또는 엔지니어링 부서가 직접 스캐너를 조작하고 스캐너를 조작하는 검사, 품질 부서와 긴밀하게 협력하는 것이다. 설계자는 스캔 및 스캔 기반 캐드 모델링에 직접 참여를 한다.

2. 3D 스캐닝과 역설계가 가능한 여러 응용 분야를 탐색한다. 해당 부서 및 담당자는 기업 내에서 역설계 전문지식을 활용하고 이해 관계자의 지원을 구축하여 투자 수익(ROI)과 비즈니스 효과를 극대화한 다.

3. 적합한 3D 스캐너를 선택한다. 대부분의 측정 요건을 만족하는 3D 스캐너를 선택하고 나머지는 신뢰하는 외부 서비스 업체와 협력하는 것이 좋다.

4. 측정 소프트웨어를 설계하는 용도로 사용하지 않는다. 번들로 제공되는 스캐너 소프트웨어는 대부분 스캔 효과를 높이는 것에 집중되어 있기 때문에 기본적인 부품 의도를 파악하는 작업엔 적합하지 않다.

5. 설계 소프트웨어를 측정에 사용하지 않는다. 기존 캐드 소프트웨어를 사용하여 3D 스캔에서 캐드 모델을 제작하고 싶어도 이는 번거롭고 정기적으로 역설계에 사용하기에는 비효율적이다.

[4]

제품마다 변하는 역설계 적용 방식[편집]

그림 1. 지오매직 디자인 엑스가 적용된 주조 형상 모델

역설계 프로세스 종류는 세 가지로 정리된다.

  • 서피스 모델링 프로세스 : 복잡한 형상을 구현할 때, 형상에 대한 표면 정보만 그대로 가져와 간단한 솔리드 형태로 변환하는 과정이다.

사용자가 어떠한 형식의 최종 데이터를 원하는가에 따라서 다르겠지만 일반적으로는 파라메트릭 모델링 프로세스를 주로 활용한다. 사례로, 서피스 모델링 프로세스는 대부분 형상의 표면만 필요할 때 사용된다. 그림 1은 주조 형상 모델로서 공기 역학적 흐름과 표면 곡률, 전반적인 형태가 중요한 제품이다.

오토 서피스 기능은 이 형상의 전체적인 영역을 구분한다. 패치 네트워크가 만들어지게 되면 서피스를 채워 솔리드 데이터로 출력한다. 이것은 스캔 데이터를 기반으로 소프트웨어가 자동을 계산한 값이다. 얼마나 정확하게 맞아떨어지는지 편차를 체크하는 기능을 통해 공차 범위 내에 들어오는지 아닌지 실시간으로 모델링을 만들며 지원할 수 있다. 오토 세그먼트 기능은 연산을 통해 특정한 기하 형상을 찾은 뒤에, 캐드 데이터처럼 영역을 구분할 수 있다. 사용자는 특정한 R 값을 가진 서피스를 삽입하여, 면의 조도 등 품질 검사 또한 할 수 있다.[4]

역설계의 주요 분야[편집]

그림 2. 지오매직 디자인 엑스는 누락된 스캔 데이터를 활용해 완전한 모델링 데이터로 구현

2020년 기준 가장 많이 사용하는 분야는 자동차다. 역설계 소프트웨어는 자동차 내장재, 외장재 제작에 활용되고 이외에도 항공 우주, 의료, 장난감 등의 산업에도 사용된다. 그림 2를 보면, 곳곳에 빈 스캔 데이터가 있다. 형태가 추측 가능한 부분만 있어도 지오매직 디자인 엑스는 완벽한 차량의 모델링 데이터를 만든다. 더불어 항공기 경량화에 대한 관심이 높아지면서 위상 최적 설계를 적용하는 사례가 늘었다. 하지만 실제 제품으로 적용하고 싶어도 기존의 가공 프로세스로 진행하기에 어려움이 있다. 3D 시스템즈는 3D 프린팅 활용으로 완성된 데이터에 추가 가공을 통해 실제 항공기에 3D 프린팅 기술을 적용한 사례도 있다.[4]

3D 스캐너[편집]

입체의 사물을 스캔 장비를 사용하여 모델링 데이터를 만들어주는 장치이다. 레이저나 백색광을 대상물에 투사하여 대상물의 형상 정보를 습득한 뒤, 3D 모델링 데이터를 만들어주는 장치다.[7] 3D 스캐너는 주로 물체의 표면 정보만 취득하는데, 카메라는 물체 표면에 있는 2D 정보(x, y)에 색상 정보만 취득하는 반면 3D 스캐너는 물체의 깊이 정보(Depth, z)까지도 취득한다. 3D 스캐너의 목적은 물체의 표면으로부터 기하 정보(X, Y, Z)가 샘플링된 점군을 형성하는 것이다.[8][9]

3D 스캐너 원리[편집]

1. 물체 스캐닝 이미지

2. 정렬 및 정합 : 스캐닝 된 이미지들은 각각 특정 부분의 데이터이므로 하나의 좌표계로 합치는 작업

3. 머징(Merging) : 정렬된 여러 데이트 세트를 하나의 데이터로 합치는 작업

4. 3D 모델링 데이터 생성

물체를 스캐닝한 이미지들을 하나의 좌표계로 합친 후, 정렬된 여러 데이터 세트를 하나의 데이터를 합하여 3D 모델링 데이터를 생성한다.

[7]

3D 스캐너 방식[편집]

분류 스캔 기본 방식 방식별 스캐너 측정방식
접촉식 방식 접촉식 3D 스캔 좌표 측정기(Coordinate Measuring Machines, CMM), 다관절 RM, 다관절 로봇 스캐너 터치 프로브(Touch Prove)를 이용한 인코딩(Encoding) 방식
비접촉식 방식 장거리 비접촉식 3D 스캔 레이저 방식 3D 스캐너 티오피(Time of Flight, TOP) 방식
위상 변이(Phase shift) 방식
디지털화된 에코 신호 실시간 분석 방식(Online Waveform Analysis)
단거리 비접촉식 3D 스캔 레이저 방식 3D 스캐너 광 삼각법 방식
광학 방식 3D 스캐너 백색광 방식
변조광 방식
포토(PHOTO), 광학 방식 3D 스캐너 핸드헬드 리얼 타임(Handheld Real Time) 방식
광학 방식, 레이저 방식(전신 스캐너) 패턴 투사(Pattern Projection) 방식
라인 스캐닝(Line Scanning) 방식
중·단거리 비접촉식 3D 스캔 사진 방식 스캐너 사진 측량(Photogrammetry) 방식
리얼 타임(Real Time) 스캐너 키넥트 퓨전(Kinect Fusion ) 방식
[10]
접촉식 스캐너 방식
비접촉식 스캐너 방식

3D 스캐너를 두 종류로 구분한다면 접촉식과 비접촉식으로 구분할 수 있다. 접촉식 스캐너 방식은 탐촉자를 물체에 직접 닿게 하여 스캐닝하는 방식이다. 정확도는 높지만, 물체 표면에 직접 접촉하여 스캔하기 때문에 물체의 변형 및 손상을 가져올 수 있다. 비접촉식 스캐너 방식은 빛을 이용하여 물체를 스캐닝하는 방식이고 레이저나 백색광으로 물체에 빛을 발사한 후, 반사된 빛의 시간을 측정하고 거리를 수치화하는 두 가지 방식이 있다. 레이저 방식은 가장 널리 사용되고 있고 다양한 솔루션과 안정화가 장점이다. 하지만 측정 속도, 대상물 크기 제한이 있고 측정물 난반사가 있다. 백색광 방식은 2019년 기준 정확도가 상승했으며, 광 삼각법을 사용하고 기구 부가 불필요한 것이 장점이다. 하지만 외부 광 간섭이 침투할 수가 있다.[7][9]

비접촉식 단거리 3D 스캔, 레이저 스캐너 

비접촉식 스캐너는 3D 스캐너가 직접 빛을 피사체에 쏘는 여부에 따라서 능동형과 수동형 스캐너로 분류될 수 있으며, 2019년 기준 산업계의 주류는 대부분 능동형 스캐너이고 이 스캐너만 3D 스캐너라고 한정하기도 한다. 가장 일반적인 비접촉식 단거리 3D 스캔 중 레이저 스캐너는, 깊이 데이터를 센서에 맺히는 레이저 반사 영상이 중심 지점과 벗어나는 거리가 생긴다. 이것을 삼각법을 이용하여 깊이를 구할 수 있다. 이때 센서와 레이저 및 물체의 거리와 각도는 고정이다. 스캔은 레이저에 라인 구성 렌즈를 부착하여 스캔시키면 짧은 시간에 표면 스캔이 가능하다. 이런 식으로 스캔을 하여 만들어진 선이 프로필(Profile)로 윤곽선이 된다. 이러한 프로필이 일정한 간격으로 뽑혀야 하므로 엔코더를 사용하여 일정량만큼 이동시킨다. 이런식으로 구할 수 있는 깊이는 통상 10㎛ 이내 이다. 렌즈의 구성으로 분해능을 변경할 수 있다.

머신 비전에서 3D 스캔을 위한 방법 

위의 이미지에서 광 삼각법이 대표적으로 많이 사용된다. 포인트(Point) 광을 이용한 3D 형상 측정법(Point Beam Projection)은 3D 측정의 가장 기본적인 형태로써 표면 위 측정 대상체의 3D 형상을 기존 접촉식 프로브를 광학식 변위 센서를 사용하여 측정한다. 광학식 변위 센서는 표면에 일정한 각도로 레이저 다이오드(Laser Diode)로부터 발사된 레이저 빔을 초점거리가 5mm 안팎의 발광 렌즈(집광 렌즈)로 집광하여 통과한 레이저 광원을 표면상의 측정 대상체에 조사한다. 측정 대상체로부터 반사된 레이저 광원은 다시 결상 렌즈(수광 렌즈)로 수신받아 에어리어 센서(Area Sensor) 위에 결상된다. 센서는 결상 위치에 따른 전기 신호를 출력한다. 여기서, 센서는 측정 대상체의 높이 변화에 따라 센서 위에 결상되는 위치가 변하기 때문에 한 점의 높이 값을 측정한다. 이러한 광학식 변위 센서는 한 번에 표면상의 측정 대상체의 한 점의 높이 값만 측정하기 때문에 표면상의 측정 대상체의 곡면형상을 측정할 경우, 광학식 변위 센서를 이송시키면서 동시에 광학식 변위 센서의 3차원 위치 좌푯값을 읽어야 하므로 고정도의 이동이 가능한 기구 부가 필요하다. 광학식 변위 센서는 많은 제품이 출시되고 있지만, 보편적으로 사용되고 있는 센서의 측정 정도는 약 2~5㎛의 것들이 사용되고 있다.[10]

각주[편집]

  1. ↑ 1.0 1.1 1.2 〈3D 스캐닝〉, 《네이버 지식백과(훤히 보이는 디지털 시네마)》
  2. ↑ 〈3D 프린팅을 위한 3D Scanner〉, 《스마트베리》
  3. ↑ 3.0 3.1 〈3D 스캐닝이란〉, 《3D 시스템즈》
  4. ↑ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 서재창 기자, 〈(Webinar Review) 3D 스캐닝 기술을 활용한 역설계 프로세스 알아보기〉, 《헬로티》, 2020-10-26
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 에이치티씨, 〈제품을 다시 설계하는 역설계(Reverse Engineering)의 의미와 작업 프로세스〉, 《네이버 블로그》, 2016-04-04
  6. ↑ Design Winner, 〈캐드(CAD)란 무엇인가?〉, 《네이버 블로그》, 2017-11-22
  7. ↑ 7.0 7.1 7.2 The One Thing, 〈3D 스캐너의 원리와 종류〉, 《네이버 블로그》, 2015-10-12
  8. ↑ 이리아찌, 〈역설계란?〉, 《네이버 블로그》, 2012-07-18
  9. ↑ 9.0 9.1 한국기술, 〈3D스캐너 활용사례 및 교육〉, 《네이버 블로그》, 2019-05-08
  10. ↑ 10.0 10.1 수수깡, 〈3D 스캐너 원리〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-03

참고자료[편집]

같이 보기[편집]


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