3D 스캐너

3D 스캐너(3D Scanner)는 사물이나 특정 제품 등을 3D 컴퓨터 그래픽으로 모델링하는 것이 아니라 스캐너를 활용하여 물체의 외곽선의 좌표값을 추출하여, 넙스 또는 폴리곤, 패치 형식으로 데이터를 얻을 때 사용하는 스캐너를 말한다. 컴퓨터에 3D 모형을 재현하는 외곽선들을 만드는 물리적 모형의 표면을 따라 스캔하는 회전 플랫폼에 붙는 레이저 빔으로 쓰는 디지타이징 장비다. 카메라, 레이저 등의 소스를 사용해서 한 번 측정할 때 보이는 곳의 데이터를 한꺼번에 얻을 수 있는 것이 특징이다.

역사

최초의 3D 스캐닝 기술은 1960년대에 만들어졌다. 초기의 3D 스캐너는 이 작업을 수행하기 위하여 조명, 카메라 및 프로젝터를 사용했다. 초기 기술의 한계로 물체를 정확하게 스캔하는 데 많은 시간과 노력이 소요되었다. 1985년 이후 그 장비들은 백색광과 레이저 및 그림자를 사용하여 물체의 표면을 포착할 수 있는 스캐너로 교체되었다.

3D 스캐너 역사

구분	스케일	구동 방식	정확도	컴퓨터	프로브	기타
1세대	다이얼게이지(Dial Gauge)	수동	0.1mm	무	기계식	레이아웃 머신 개조
2세대	인덕토신(Inductosyn)	조이스틱	0.01mm	무	접촉 신호식	스케일 발달 정확도 향상
3세대	모아레 무늬(Moire Fringe)	CNC	0.01mm	유	스캐닝	소프트웨어 발달
4세대	레이저 간섭계(Laser Interferometer)	CNC	0.0001mm	유	비접촉식	프로브 교환 오차정보 CAD데이터

원리

다양한 이미징 원리에 따라 3D 스캐닝에는 여러 가지 접근 방식이 있다. 일부 기술은 협대역 스캔에 이상적인 반면, 다른 기술은 중 대역 또는 광대역 스캔에 더 적합하다. 만들어지는 순서는 다음과 같다.

• 물체의 스캐닝 이미지
• 정렬 및 정합 : 스캐닝 된 이미지들은 각각 특정 부분의 데이터이기 때문에 하나의 좌표계로 합치는 작업이다.
• 머징(Merging) : 정렬된 여러 데이터 모음을 하나의 데이터로 합치는 작업이다.
• 3D 모델링 데이터 완성

종류

3D 스캐너는 크게 두 종류로 접촉식과 비접촉식으로 구분할 수 있다. 비접촉식 스캐너는 3D 스캐너가 직접 빛을 물체에 쏘는 여부에 따라 능동형과 수동형 스캐너로 분류될 수 있다. 산업계는 대부분 능동형 스캐너이고, 능동형 스캐너만을 3D 스캐너라고 하기도 한다. 수동형은 주로 머신 비전(Machine vision)또는 로봇 비전(Robot Vision)의 한 분야로 인식되곤 한다.

접촉식 3D 스캐너

탐촉자라 불리는 프루브(Probe)를 물체에 직접 닿게 해서 측정하는 방식이다.

좌표 측정 기계

일반적으로 'CMM(Coordinate-measuring machine)'이라 불리며, 대표적인 접촉식 3D 스캐너다. 1960 년대에 개발 된 고효율 3D 치수 정밀 계측기의 새로운 유형으로 고정밀 유연하고 우수한 디지털 기능을 갖추고 현대 디자인, 개발, 제조, 가공 및 제조 및 품질 보증의 중요한 수단이 된다. 정반에 좌표를 맞춰 올려놓은 제품을 한 번의 터치당 1개의 포인트의 x, y, z 좌표를 얻어낼 수 있다. 이 때 제품의 위치는 고정되어야 하고 3축 이상의 축을 가진 머신 끝의 프로브가 움직여서 제품을 터치하게 된다.

구성요소

• 본체 : 서로 수직 방향으로 운동하는 세 축을 가진 기계 부분으로, 각 축은 공기베어링 등에 자유롭게 이동할 수 있으며, 각 축에는 리니어 스케일과 같은 길이 측정 장치가 부착되어 있다.

본체 소재에 따른 특징

구분	장점	단점
화강암	경년변화가 적고 방진효과가 크다. 열팽창계수가 작다.	가공성이 나쁘고 열전도도가 적다. 습기 흡수에 의한 변형이 있고 측정속도에 제약이 크다.
주물강	가공성이 좋고 가격이 저렴하다. y축 가이드 부와 일체형으로 제작하여 구조적으로 안적정이다.	녹발생이 쉽고 변형에 약하다.
알루미늄 합금	열전도가 좋고 가볍다. 빠른 측정이 요구되는 곳에 사용된다. 온도 환경 조건이 나쁜 현장에서 사용이 적합하다.	합금 자체의 기계적 특성이 나쁘다.
세라믹	기계적 특성 및 열적인 특성이 우수하고 화강암에 비해 가공성이 좋다.	가격이 비싸지만, 충격에 약하다.

• 컨트롤러 : 본체 및 부속 장치 등에 전력을 공급하고 좌푯값을 지시하는 등 컴퓨터와 몸체의 매개 역할을 담당하고, 측정기의 안정성과 정확도 유지를 위한 측정 감시 장치이다. 정확한 위치제어를 위한 3차원 측정기 구동부의 위치, 속도 및 가속도를 제어한다. 조이스틱이나 프로브에서 입력되는 각종 명령의 접수 및 반응 컴퓨터와 통신한다.

• 프로브 시스템: 공작물의 좌표를 검출하는 센서다.

프로브 종류

사진	이름	특징
	스캐닝 프로브 헤드.	높은 프로빙 정밀도로 많은 데이터를 연속적으로 취득 가능하다. 3D 곡선/곡면측정/원통도 측정 등에 적합하다.
	자동 회전 프로브 헤드	대부분의 좌표 측정 기계에서 사용한다. 확장성이 탁월하고 최대 300mm까지 프로브 연장이 가능하다.
	수동 회전 프로브 헤드	가격이 저렴하며 각도 회전이 가능해 기계 이동에 의한 프로브 자세 자동 변경 가능하다.
	터치 트리거 프로브	대부분의 기계에서 사용하며 빠른 측정속도와 다양한 모듈 및 스타일러스 적용가능하다.
	스캐닝 프로브	고밀도와 탁월한 호환성이 탁월하다. 짧은 시간에 많은 데이터를 연속적으로 취득가능하다.
	자동 교환 장치	다양한 프로브 그룹 운영 가능하여 프로브 재교정으로 인한 시간이 단축된다. 측정부위가 많고, 다양한 측정물 측정시 편리하다. 각 프로브헤드와 프로브에 따라 사용되는 장치가 다르다.

• 스타일러스

스타일러스 종류

볼 스타일러스	스타형 스타일러스	반구형 스타일러스	실린더 스타일러스	포인터 스타일러스	디스트 스타일러스

• 조이스틱 : 장비 구동 방향을 입력받고, 이를 전자 제어 장치로 전송시킨다. 수치제어(CNC) 프로그램 작성을 위한 도구로도 사용된다. 일반적으로 x, y축을 이동시킬 수 있는 1개의 조이스틱과 z축을 이동시킬 수 있는 1개의 조이스틱으로 구성된다.
• 컴퓨터 : 전자 제어 장치와 통신 및 제어 역할을 하며, 공작물의 수학적 정렬을 하고 각종 측정요소에 대한 계산 및 출력한다. 측정 자동화, 공작기계 제어, 캐드(CAD)와 데이터 통신도 한다. 윈도를 이용한 측정 항목 그래픽, 도움말을 제공한다.

구조에 따른 종류

구조에 따른 CMM 종류

<브릿지 형>

• 고정 브릿지 형 : 수직 방향으로 이동하는 z축 스핀들과 그 안내부가 양단을 2개의 칼럼에 지지해서, z축에 직교한 수평 방향의 빔 상에서 x 방향으로 이동한다. 빔을 지지하고 있는 2개의 칼럼은 베드에 고정되어 있다. 측정 테이블은 z축 및 x축에 직교한 수평면 내의 레일 상을 y축 방향으로 이동한다. 이 구조는 브리지가 y축으로 이동하는 대신에 측정 물이 설치된 측정 테이블이 이동하기 때문에 베어링의 강성을 항상 일정하게 유지할 수 있다. 따라서 칼럼형과 같은 높은 정확도를 유지할 수 있고 측정기의 크기에 비해 넓은 측정 범위를 갖고 있으며 기계적인 안정성을 유지할 수 있다. 측정 물이 y축 방향으로 이동하기 때문에 수동식의 사용이 불가능하고, 측정 물의 중량에 제한을 받는 단점이 있다. 브릿지 구조를 이동시킬 필요가 없기 때문에 빔을 충분한 강성을 가진 단면 형상으로 할 수가 있으며, 기하학적으로 높은 정밀도를 얻을 수 있다.

• 이동 브릿지 형 : 이 구조는 가장 많이 사용되고 있는 일반적인 형태로 수직 방향으로 이동하는 z축 및 x축에 직교한 수평면 내의 레일 상을 y축 방향으로 이동한다. 이 형식은 3차원 측정기 구조 형태 중에서 가장 일반적인 구조다. 빔 양단이 지지가 되어 있기 때문에 빔의 휨 현상이 적다. 브리지 구조를 측정기의 한쪽 방향으로 밀면 측정 테이블이 개방되어 측정 물의 설치 및 해체가 용이하다. 또한, 동일한 브리지 구조를 사용하고 전후 방향의 레일 길이를 변화시켜서 시리즈 화 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 가동부의 질량이 크기 때문에 관성도 크고 메뉴얼식 측정에서는 조작성이 뒤떨어진다. 전후 방향이 측정범위가 큰 기종에서는 측정기의 측면에서의 조작이 늘어나고 칼럼이 조작상 방해가 되는 경우가 있다. 여기서 대형의 경우 각 축을 모터로 구동해서 결점을 해소하고 있다.

• 베드형 : 중, 소형에 적합하고 이동형보다 높은 정밀도를 얻을 수 있다. y축 구동 중심과 무게중심이 일치하여 안정적이고 이동 부의 무게가 적어 수동형이다. y축 가이드 부의 변형에 대한 보상이 필요하고 측정 물의 설치, 해체가 불편하다.

• L-형 브리지형 : 중대형 측정기에 주로 사용되며 이동형의 관성 완화 목적으로 제작되었다. 이동형의 단점을 보완한 형태로 안정적이며 일반적인 특징은 이동형과 비슷하다. 가이드 부의 강도를 높이기 위해 중량의 증가로 정도 유지나 경년변화에 주의가 필요하다.

• 갠트리형 : 가장 긴 축은 높은 정밀도의 치형 구동을 사용하여 다소 우수한 전달 강성을 보장한다. 나머지 2축은 고성능 동기 벨트를 채택하여 측정 속도를 높이기 위해 오히려 빠른 동작 속도를 얻을 뿐만 아니라 운동 가속을 향상시키기 위해 전동기의 관성을 최대한 줄인다. z축은 조정 가능한 공기압력 균형 장치를 채택하여 다른 프로브 시스템이 장착되어 있어도 설비의 균형을 조정할 수 있음으로 최상의 상태에 도달 할 수 있다. x축에 적용된 브리지 기술로 x축 및 z축에 저중량 알루미늄 합금을 사용한다. 자동차 및 항공우주의 대형 부품뿐만 아니라 중장비 운송과 통신, 그리고 위성 장비의 측정 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 제공한다. 공작물 상차가 용이하고 부품 운송 장치를 내장하고 있을 뿐만 아니라 측정 대상으로의 접근이 쉽고 최고 등급의 역동성 및 정밀도를 자랑한다.

<캔틸레버 형>

• 고정 테이블 캔틸레버형 : 수직 방향으로 이동하는 z축 스핀들과 그 안내부가 z축에 직교한 수평 방향의 캔틸레버(외팔보)를 y축으로 이동한다. 이 캔틸레버는 z축 및 y축에 직교한 수평면 내의 레일 위를 x축 방향으로 이동한다. 측정기의 3면이 개방된 구조이기 때문에 측정 물의 설치 및 해체가 쉽고, 큰 측정 물의 경우 테이블보를 튀어 나와도 측정할 수 있는 장점이 있다. 그러나 캔틸레버가 전방으로 돌출되어 있기 때문에 측정 물의 적재 및 해체 시에 크레인의 이용은 위험하다. 이 형식은 전면이나 좌우에서 조작성은 양호하지만, 뒷면에서의 조작성 및 작업은 극히 어렵다. y 빔은 캔틸레버 때문에 양단 지지의 다른 모델에 비해서 자세 유지력이 약하고, 처짐이 일어나기 쉬운 구조다. 캔틸레버 때문에 보수, 유지가 어려워 이 형식의 사용은 줄어들고 있다.

• 이동 테이블 캔틸레버 형 : 고정도 3차원 측정기에 채용되고 있는 구조다. 테이블과 칼럼 등이 강성이 높아 변형이 거의 일어나지 않고 기하학적으로 높은 정밀도를 얻도록 설계되어 있다. 측정물의 무게와 크기에 제한을 받는다.

<암 형>

• 수평 암형 : (초)대형 3차원 측정기에 사용하며 측정물에 측정기 자체는 비교적 소형으로 제작한다. 크기에 비해 가격이 저렴한 보급형으로 제작된다. 수평 암의 휨으로 인한 측정 정도에 영향을 미치기 때문에 고정도용으로 부적합하다.

• 이동 테이블 수평 암형 : 수평 암의 휨 발생을 제거하기 위해 고안된 구조로 측정 물의 반·출입이 용이하다. 측정 테이블의 이동으로 대형 측정물에는 적합하지 않다.

설치환경

온도, 습도, 유분, 부식 가스, 진동, 공기 흐름의 속도 등이 정도에 영향을 미친다. 프레스, 대형 공작기계 또는 송풍기 등 진동이 심하게 발생하는 지역에는 설치하면 안 된다. 온도의 변화가 스케일 및 공작물의 크기를 변화시키고 기계를 구조적으로 변화시켜 정도를 저하시킨다. 추천 환경은 온도 20±2℃, 습도 55% 이하, 진동 0.001mmpp (10 Hz 이내), 0.01mmpp (10 ~ 50 Hz)다.

장단점

• 장점 : 복잡한 제품도 측정이 간단하고 응용범위가 넓고 실시간 품질관리가 가능하다. 수학적인 정열이 가능하고 데이터 통신이 편리하다. 오래전부터 대부분의 제조업에서 사용한 방식으로 측정 포인트 1개에 대한 정확도가 뛰어나다. 이러한 이유로 장비나 지그(jig)의 치수를 잴 때에는 하이엔드 급 좌표 측정기계를 사용한다.

• 단점 : 제품 표면에 접촉해야 하므로 물체에 변형이나 손상을 줄 수 있고 다른 스캐닝 방식에 비해 속도가 느리다. 제품을 한번 설치한 위치에서 이동 할 수 없고 측정해야 할 포인트를 미리 지정해야 하므로 선 작업이 까다롭다. 같은 제품을 여러 번 측정 할 경우에도 다시 위치에 고정시켜야 하므로 어려움이 있다. 또한, 사용법이 까다로워 전문가만 사용 할 수 있다. 온도, 진동 등 환경 변화에 민감하다.

휴대용 좌표 측정 기계

휴대용 CMM

기존의 좌표 측정 기계는 세 개의 카르테시안 축을 이동하여 물체의 물리적 특성을 측정하는 프로브를 사용하는 반면, 휴대용 은 관절형 팔을 사용하거나 광학 좌표 측정 기계의 경우 광학 삼각측량 방법을 사용하고 물체 주의의 이동을 자유롭게 하는 무방비 스캐닝 시스템을 사용한다. 관절형 암을 가진 휴대용 좌표 측정 기계에는 선형 축 대신 회전형이 장착된 6~7개의 축이 있다. 휴대용 팔은 가볍고 거의 모든 곳에서 운반 및 사용할 수 있다. 광학 좌표 측정 기계는 업계에서 점점 더 사용되고 있다. 컴팩트한 선형 또는 매트릭스 어레이 카메라로 설계된 광학 좌표 측정 기계는 팔을 가진 휴대용 좌표 측정 기계보다 작고, 전선이 없으며, 사용자가 거의 모든 곳에 있는 모든 유형의 물체를 3D 측정할 수 있도록 한다. 리버스 엔지니어링, 신속한 프로토타이핑 및 모든 크기의 부품에 대한 대규모 검사와 같은 특정 불연속 응용 분야는 휴대용 좌표 측정 기계가 적합하다. 모든 유형의 부품을 어려운 위치에서도 3D 측정을 할 수 있다. 쉽고 정확한 측정을 위해 제어된 환경이 필요하지 않다.

다관절 로봇

인체공학적 환경을 제공하는 최초의 컬러 휴대용 경량 3D 스캐너다. 컬러 정보는 게임, 영화 및 온라인 마케팅에서 렌더링 대상을 고품질로 3D 시각화하는데 사용된다. 8축이 추가되어 스캔 중인 대상을 실시간으로 회전할 수 있음으로, 낭비되는 시간이 없고 손상되기 쉬운 대상에 대한 위험이 줄어들며 더 완전한 스캔 물을 지원한다. 기존의 캐드 모델을 사용하지 않으면서 다양한 코딩, 재료, 몰드 부품이나 표면 마감재와 같이 부품이나 애프터마켓 제품을 개발하거나 제조해야 하는 모든 조직에 이상적인 해결책이다. 또한 설계를 변경하거나 교체하기 위해 레거시 부품을 역설계하거나 재고 및 창고 비용을 줄이기 위해 디지털 라이브러리를 만들거나 자유로운 형태의 아름다운 표면을 디자인하고 빠른 프로토타입에 활용할 수 있다.

비접촉식 3D 스캐너

장거리

레이저 방식

TOF방식 스캐너

• TOF(Time Of Flight) 방식 : 레인지 파인더(Range Finder or Laser Range Finder)라고도 불리는 빛을 물체 표면에 조사하여, 그 빛이 돌아오는 시간을 측정해서, 물체와 측정원점 사이의 거리를 구하는 기술이다. 정확도는 시간을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는지에 따라 측정된다. 2021년 기준 기술로는 약 3.3ps(1조 분의 1초)의 측정이 가능하므로, 이 방식은 약 1mm 단위까지가 측정이 한계다. 따라서 토목 측정이나, 건물 등 대형물 측정에 많이 활용되고 레인지 파인더는 오직 측정기가 바라보는 방향으로의 거리밖에 구하지 못하기 때문에, 이 방식은 레이저의 방향을 정밀하게 바꿔주는 장치가 추가되어야 한다. 이 장치에는 레이저가 발사되는 소스를 직접 모터를 이용해 움직이는 방식과 회전 거울을 이용하는 방식이 있는데, 거울을 이용하는 방식이 훨씬 더 가볍고 빠르고 정확한 조정이 가능해서 대부분 이 방식을 채택하고 있다. 대부분 초당 10,000~100,000개의 점군을 얻는 속도로 측정할 수 있다. TOF 방식의 레이저 스캐너에서는 측정 장치를 회전축 상에 설치하여 장치를 일정 각도씩 바꿔줌으로써 유리한 기능을 수행한다.

• Phase-shift 방식 : 특정 주파수를 가지고 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방출하고 측정 범위 내에 있는 물체로부터 반사되어 되돌아오는 신호의 위상 변화량을 측정하여 시간 및 거리를 계산하는 방식이다. 초당 수십만 개의 데이터를 저장하여 스캐닝 속도가 매우 빠르지만, 측정 거리가 TOF 방식 대비 매우 짧다. 또한, 연속신호의 강도에 따라 측정 정밀도 및 측정 거리가 결정되며, 거리가 멀어질수록 파형 변화가 매우 길어져 신호 대비 노이즈가 커지고 정밀도가 줄어들게 된다.

중·단거리

사진 방식

• 사진 측량 방식 : 포토그라메트리(Photogrammetry) 방식이라고도 불리는 이 방식은 2D이미지에서 3D 형상 추출하는 방법이다. 일반적인 캄라로도 활용이 가능하지만 수많은 각도에서 사진을 촬영해야 한다. 이 방법을 활용하기 위해서는 사진 데이터를 취합하여 3D 데이터로 변환해주는 프로그램이 필요하다. 대표적인 소프트웨어는 메타쉐이프(Metashape), 리캡(Recap), 3DF 제피르(3DF Zephyr), 리얼리티 캡처(RealityCapture)등이 있다. 또한, 이미지뿐만 아니라 중, 대형 물체를 스캔하기 위해 사진으로 좌표를 측정하여 중, 대형 물체의 좌표를 먼저 읽고 데이터를 습득하기 위해서도 이 방식을 활용한다.

실시간 스캐너

• 키넥트 퓨전(Kinect Fusion) 방식 : 키넥트에 비추기만 하면, 사람, 방, 물건 모두를 실시간으로 모델링 할 수 있고 새로 물건을 넣으면 그 즉시 그 물건도 3D 모델로 추가되는 기술이다. 키넥트는 RGB 카메라, 적외선 카메라, 적외선 프로젝터로 구성되어있다. RGB 카메라는 플레이어를 인식하고, 게임 중간에 사진을 찍거나 비디오를 촬영한다. 적외선 프로젝터는 적외선을 픽셀 단위로 쏴주는 역할을 하고, 이것을 적외선 카메라로 보게 되면, 무수히 많은 점이 보이게 된다. 적외선 프로젝터가 적외선을 쏴주면, 물체에 닿아 반사되는 적외선을 적외선 카메라감지하여, 형체와 거리를 분석 할 수 있는 것이다.

단거리

레이저 방식

광삼각법 원리

• 광 삼각법 방식 : 능동형 스캐너로 분류되며, TOF 방식의 스캐너처럼 레이저를 이용한다. 레이저가 얼마나 멀리 있는 물체에 부딪혔는가에 따라 레이저를 수신하는 CCD 카메라(charge-coupled device camer) 소자에는 레이저가 다른 위치에 보이게 된다. 카메라와 레이저 발신자 사이의 거리, 각도는 고정되어 이미 알고 있음으로, 카메라 화각 내에서 수신 광선이 CCD 소자의 상대적인 위치에 따라 깊이의 차이를 구할 수 있는 걸 '삼각법'이라 한다. 대부분의 경우 단순히 하나의 레이저 점을 조사하는 게 아니라 스캐닝의 속도를 높이기 위해 라인 타입의 레이저가 주로 사용된다. 이 기술은 캐나다 국립 연구 재단이 1978년에 처음으로 개발하여 대부분의 레이저 타입의 3D 스캐너는 이 방식과 TOF 방식을 이용한다.

광학방식

백색광 방식 원리

• 백색광 방식 : 특정 패턴을 물체에 투영하고 그 패턴의 변형 형태를 파악해 3차원 정보를 얻어낸다. 여기에 사용되는 패턴은 여러 가지가 있는데 1차원 패턴 방식은 선 형태의 패턴을 LCD 프로젝트나 움직이는 레이저를 이용해 물체에 투영시킨다. 카메라는 프로젝트로부터 적당한 거리를 두고 위치하는 데 패턴 라인을 인식하고, 그 라인을 구성하는 모든 화소의 깊이 값은 광 삼각법을 이용해 구해낸다. 1차원 패턴 방식은 하나의 라인 패턴을 물체에 쭉 훑어 내는 방식인 데 반해 2차원 패턴 방식은 그리드 또는 스트라이프 무늬의 패턴이 이용된다. 스트라이프나 그리드를 사용할 경우엔 1차원 패턴 방식보다 많은 데이터를 얻을 수 있으나 물체의 형태에 따라, 패턴의 순서가 바뀔 수 있다는 것이 기술적인 병목이었다가 최근 들어 멀티 스트라이프 레이저 삼각 측량(MLT, Multi stripe Laser Triangulation)이라고 불리는 방식이 개발되어 이러한 한계가 극복되었다. 이러한 패턴과 관련한 다양한 연구들이 이 분야에서 활발하게 진행되고 있다. 백색광 방식의 최대 장점은 측정 속도에 있다. 한 번에 한 점씩 스캔하는 것이 아니라 전체 촬상 영역 전반에 걸려있는 모든 피사체의 3차원 좌표를 한 번에 얻어낼 수 있다. 이 점 때문에 모션 장치에 의한 진동으로부터 오는 측정 정확도의 손실을 획기적으로 줄일 수 있으며 어떤 시스템들은 움직이는 물체를 거의 실시간으로 스캔해낼 수도 있다. 이러한 점 때문에 산업계에서 정밀한 스캐닝을 위한 목적으로 널리 사용되고 있다.

변조광 방식 원리

• 변조광 방식 : 물체 표면에 지속적으로 주파수가 다른 빛을 쏘고 수광부에서 이 빛을 받을 때, 주파수차이를 검출해 거릿값을 구해내는 방식으로 작동한다. 이 방식은 스캐너가 발송하는 레이저 소스 외에 주파수가 다른 빛의 배제가 가능해 간섭에 의한 노이즈를 감소시킬 수 있다. 이런 타입의 스캐너는 TOF 방식의 단점인, 시간 분해능에 대한 제한이 없어 훨씬 고속(약 1M Hz)으로 스캔이 가능한 데 비해 레이저의 세기가 약하다. 이는 일정 영역의 주파수대를 모두 사용해야 하기 때문이다. 따라서 중거리 영역인 10~30m 영역을 스캔할 때 주로 이용한다.

사진, 광학방식

핸드헬드 방식 스캐너

• 핸들헬드 방식 : 핸드헬드 스캐너는 3D 이미지를 얻기 위해, 광 삼각법을 주로 이용한다. 점 또는 선 타입의 레이저를 피사체에 투사하는 레이저 발송자와 반사된 빛을 수신 장치(CCD)와 함께, 내부 좌표계와 연결하기 위한 시스템으로 구성되어 있다. 기준 좌표와 연결하기 위한 시스템은 정밀한 인코더가 부착된 소위 이동형 좌표 측정 기계이라 불리는 접촉식 로봇팔과 유사한 장치의 끝 단에 스캐너가 직접 붙여서 구성되기도 하고, 기준 좌표계를 만들기 위한 마크를 피사체 표면에 붙여서 해결하기도 한다. 최근에는 모션 트레킹 시스템과 유사하게, 외부 두 대 이상의 카메라가 스캐너의 동작을 따라갈 수 있도록, 스캐너 외부에 5개의 자유도를 측정할 수 있는 적외선 발신자를 붙여 스캐너 외부에 설치된 트레커가 발신자의 위치를 추적한다. 이 정보를 이용해 내부 좌표계로 생성된 3D 이미지 데이터를 기준 좌표계로 변환시키는 시스템들도 다수 출시되었다.

광학 방식, 레이저(전신 스캐너)

• 프린지 패턴 투영 방식 : 3차원 형상 측정에서의 푸리에 변환 프로파일 메트릭(FTP, Fourier Transform Profilometry)를 이용한 이중 파장법을 제안한다. 프린지 패턴 투영 방법은 프린지 패턴을 측정 대상 물체에 투영한 후 변형된 프린지 패턴을 분석하여 측정 대상 물체의 높이를 측정한다. 위상 측정 프로필로메트리 (PMP, Phase Measuring Profilometry)기반의 프린지 투영 방법은 측정 대상의 반사율과 배경의 영향에 강건하면서 측정 분해능이 높다. 하지만, 2π 모호성으로 측정 범위가 작다는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위한 방법 중에 주기가 다른 이중 파장을 사용하는 방법은 측정 분해능을 유지하면서 측정 범위를 높일 수 있지만, 2배의 영상 수 획득으로 측정 시간이 두 배 정도 더 소요된다. 본 논문에서 제안하는 FTP를 이용한 이중 파장법은 2π(파이) 모호성을 해결하기 위해 한 장만의 영상을 추가적으로 획득하여 FTP를 이용함으로써 기존의 이중 파장법과 동일한 정밀도를 유지하면서 측정에 소요되는 시간을 효과적으로 단축시킨다.

• 라인 스캐닝 방식 : 광학식 스캐너의 프로젝터처럼 광범위하게 레이저를 투영시킬 수 없기 때문에 라인 방식으로 물체 표면에 선(Line)을 투영시킨다. 그러면 카메라가 라인의 휘어짐을 판단하여 2D 커브(Section)를 만든다. 2D 형상이기 때문에 스캐너를 움직여 가면서 촘촘히 겹쳐야 3D가 구현된다.

활용

• 역설계 : 이미 만들어진 제품을 토대로 그 제품의 설계도를 그리는 작업할 때 사용한다.
• 검사 : 제품의 외형과 정확히 나왔는지 검사할 때 활용한다.
• 의료 : 사람의 장기, 뼈, 치아 등을 스캔하여 3D 프린터로 출력하고, 수술하기 전 미리 체크하는 용도로 활용할 수 있다. 미용, 성형 등에서 현재 모습과 변화될 모습을 미리 비교해 보는 용도로 쓰인다.
• 피규어 : 각종 피규어 제작 및 피규어의 합성을 위해 스캐너를 이용할 수 있다.
• 건축 분야 : 기존의 지형도와의 대조, 기존 건물과의 비교, 역사적 가치가 있는 건물을 데이터로 저장 등 목적에서 활용 가치가 높다.
• 문화재 복원 및 유지보수 : 문화재를 3D 스캐닝을 통해 데이터화 한 후, 이를 저장, 문화재의 파손 및 분실, 화재 등의 피해를 입었을 경우 복원할 때 사용한다.
• 게임 : 캐릭터, 배우, 운동선수들 등 실존 인물들을 3D 스캐닝하여 활용한다.
• 자동차 산업 : 가장 널리 사용되고 있는 분야로써, 자동차의 외관부터 내부 엔진까지 매우 광범위하게 사용되고 있다.
• 플라스틱 산업 : 플라스틱 변형, 치수 검사에 주로 사용되며, 플라스틱의 특성상 접촉식 스캐너와 비접촉식 스캐너를 혼용하여 사용해야 하는 경우가 많고 작은 소형 장비들을 사용한다.
• 항공 산업 : 주로 항공기 부품이나 임펠러, 블레이드와 같은 항공요소 제품 측정에 사용이 되며, 다른 산업과는 달리 요구사항이나 측정 방법이 매우 까다로운 분야 중 하나다.
• 반도체 부품 : 주로 비접촉식 스캐너의 사용이 대부분이며, 특수한 경우에만 접촉식 스캐너를 사용한다. 반도체 부품의 측정이나, 부품의 검사 등에 주로 사용되며, 기계 산업의 정밀도 보다 높은 정밀도를 요구하는 경우가 많다.

관련 용어

• 지오메트리 : 수식과 이론을 통해 컴퓨터 화면 속 가상의 형체
• 폴리곤 : 다각형을 의미한다. 그 중 컴퓨터 그래픽에서는 폴리곤 중 사각형을 가장 기본 단위로 사용한다.
• STL 파일 : 어떤 그래픽 소프트웨어를 사용해 데이터를 만들더라도 3D 프린터로 출력 가능한 파일, 폴리곤 포맷을 따른다.
• OBJ 파일 : STL 형식의 색상이나 질감을 보완하기 위해 나온 파일 형식, 3D 좌표, 텍스처, 맵, 다각형 면 및 기타 객체 정보, 색상, 재질에 대한 정보를 포함할 수 있다.
• 점군 데이터 : 3차원 스캔 데이터는 기본적으로 점으로 무리 지어 있어 '입체점묘화'로 볼 수 있다.
• ACIS : 솔리드 모델링을 제공하는 소프트웨어로 많은 연구기관들과 기업들로부터 캐드/컴퓨터지원제조(CAM)/컴퓨터 이용 공학(CAE)의 핵심요소로 사용되고 있으며, 포맷의 확장자는 SAT다.
• 안티앨리어싱(Anti-aliasing) : 내부 픽셀 보간법(pixel interpolation)으로, 모서리가 더욱 두드러지게 나타나게 해준다.
• 애스펙트 레이쉬오우(Aspect Ratio) : 폭과 높이의 비
• 베이죠 커브(Bezier Curve) : 세 점 이상으로 조절되는 부드러운 곡선으로 첫 번째 점과 마지막 점을 반드시 지나며, 다들 조절 점의 영향을 받는다.
• 비트맵(Bitmap) : 픽셀로 이루어진 이미지다.
• 바운더리(Boundary) : 모델의 경계다.
• 바운더리 엣지(Boundary Edge) : 다른 폴리건을 공유하지 않은 폴리건의 모서리다.
• 씨티(CT, Computed Tomgraphy) 스캔: 물 대비 섬유조직의 광선형 희석도를 측정한다. 세포와 뼈와 같은 석회질이 쉽게 구분되므로 고정밀 해부학 이미지를 쉽게 얻어낼 수 있으며, 해상도는 1 mm정도다.
• 커버처(Curvature) : 수학적으로 곡선 또는 곡면상의 한 점이 위치한 곳에 어느 정도의 곡률이 존재하고 있는가를 나타낸다.
• 데서메이션(Decimation) : 각 요소들의 수를 감소시키는 기능이다. 일반적으로, 형상의 전체적인 현상과 상세한 특징형상을 유지하기 위해 사용한다.
• 뎁쓰 큐잉(Depth Cueing) : 뷰포인트로부터 물체를 이동시킬 때 밀도를 낮추는 것이다.
• 드래프트 앵글 (Draft Angle) : 금형에서 제품을 분리할 수 있는 최소 각도로 금형 작업에 주로 이용된다.
• 페이스(Face) : 삼각형으로 구성된 세 개의 꼭짓점을 갖고 있고 서로 연결된 세 개의 모서리로 정의된다.
• 그리드(Grid) : 거리를 측정하기 위한 연속된 사각형의 격자
• 하이브리드(Hybrid) : 하이브리드 시스템이란 같은 데이터 내에 솔리드용 함수들과 곡면을 동시에 이용할 수 있게 만든 시스템이다.
• 이터펄레이션(Interpolation) : 일련의 점들을 지나는 곡선을 정의하는 방법이다.
• 매니펠러(Manipulator) : 일반적으로 모델을 이동시키는 데 사용되는 작용 적인 조절 도구다.
• 노이즈(Noise) : 스캐닝 과정으로부터 나온 에러가 있는 데이터다.
• 프라퍼게이트(Propagate) : 경계방향에 수직인 방향으로 두 개 이상의 인접한 두 곡면의 아이서커브(isocurve)의 숫자를 동일하게 만들어주는 방법이다.
• 셸(Shell) : 셸은 몇몇 페이스의 논리적인 집합이다.
• 터폴러지(Topology) :각 요소가 어떻게 연결되어 있는지를 소프트웨어 말해주는 데이터다.
• 트랜스퍼메이션(Transformation) : 좌표계의 변환으로 기하 형상과 참조 형상을 모델 좌표계에서 장치 좌표계로 바꾸어주는 일련의 수학적 과정이다.
• VRML(Virtual Reality Modeling Language) : 3D 모델을 사용하기 위해 웹 브라우저에 사용되는 언어로 특별한 뷰가 필요하다.
• 와이어 프레임(Wire frame) : 모서리를 이용하여 모델을 표현하는 기하학적 모델이다.

참고자료

• 〈3차원 스캐너〉, 《네이버 지식백과》
• 〈3우리가 생각하는 3차원 스캐너란〉, 《오엠에이곰》, 2020-10-08
• 스누피, 〈3D 스캐너의 역사.〉, 《네이버 블로그》, 2019-10-29
• 〈31. 3차원 측정기(CMM)의 소개〉, 《덕인》
• 변창수, 〈하이테커를 위한 매직 역설계〉, 《구글 도서》, 2020-01-10
• 〈3차원측정기〉, 《다음》
• 메저링, 〈3차원 측정의 기초지식과 이론 - 3.3차원 즉정기의 분류와 특징〉, 《네이버 블로그》, 2013-12-18
• 별하나사랑둘, 〈(3차원측정기)3차원 측정 이론과 실제 - 제4장 : 3차원 측정기의 분류_구조형태상 분류1〉, 《다음 카페》, 2008-01-16
• 〈CNC CMM〉, 《볼라이어 산업 유한 공사》
• 다잰다, 〈DEA DELTA SLANT - 신개념의 성능 표준이 되는 갠트리형 CMM - 헥사곤 그룹/하드웨어/3차원측정기/대형 3차원측정기〉, 《네이버 블로그》, 2017-11-27
• 〈좌표 측정 기계〉, 《위키백과》
• 에이치티씨, 〈3D스캐너로 스캔하는 스캐닝의 의미와 원리 측정방식의종류〉, 《네이버 블로그》, 2016-03-28
• 민은종 외 3명, 〈Time-of-Flight 방식과 Phase Shift 방식 LiDAR의 현장 적용성 기초연구〉
• SMC, 〈구조 패턴 광학식 3D 스캐너와 Photogrammetry(포토그라메트리)의 간단 비교 영상.〉, 《네이버 블로그》, 2019-10-30
• 〈kinect- 3d scan〉, 《kocoafab》, 2015-05-28
• 구자명, 조태훈, 〈FTP를 이용한 이중 파장법에 의한 3차원 형상 측정)〉, 《한국정보통신학회논문지》, 2015-06
• 아름다운녀석, 〈3차원 스캐너의 측정 원리)〉, 《네이버 블로그》, 2020-10-21
• 파라니 내가 머니, 〈3.3D 스캐닝(3D Scanning)〉, 《티스토리》, 2020-05-29
• 〈(3D 스캐너 정보) 3D 스캐너 초보자들을 위한 용어정리)〉, 《티스토리》, 2020-01-22
• 〈3D 스캐닝 및 3D 스캐너 관련 다양한 용어리)〉, 《3D Systems》

같이 보기

• 3D
• 3D 스캐닝

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