3D 스캐너

3D 스캐너(3D Scanner)는 대상 물체의 3차원 형상 정보를 획득하여 디지털화하고 이를 용도에 맞게 분석 및 가공할 수 있도록 도와주는 장치이다.

개요

3D 스캐너는 대상 물체의 3차원 형상 정보를 획득하여 디지털화하고 이를 용도에 맞게 분석·가공할 수 있도록 도와주는 장치이다. 스캐너는 사진이나 각종 문서에 포함된 2차원 정보만 획득해주고, 카메라 역시 대상 물체 표면에 대한 2차원 정보만 제공하는 반면에, 3D 스캐너는 대상 물체의 크기, 형태, 색깔과 더불어 깊이 정보까지 획득해준다. 3D 스캐너는 크게 광원, 광수신부, 통신장치, 디스플레이 등으로 구성된 하드웨어와 데이터를 분석·가공하는 소프트웨어로 구성된다. 광원으로는 레이저, 백색 램프와 더불어 LED도 사용되는데, 광원으로부터 방출된 빛이 대상 물체 표면에서 반사되어 카메라나 광센서와 같은 광수신부에 도달하면 물체 표면을 이루는 점들에 대한 방대한 양의 점군 데이터가 얻어진다. 점군 데이터를 제품 생산이나 서비스 제공에 활용하기 위해서는 일반적으로 활용 목적에 맞는 전문적인 소프트웨어를 통해 데이터를 가공해야 한다. 아울러 대상 물체에 대한 완벽한 3D 입체 정보를 얻기 위해서는 여러 각도에서 측정되어야 하며, 이들을 하나의 좌표계로 정렬시켜 합치는 작업도 필요하다. 기존의 제품 생산 공정에는 프로브(probe)를 이용한 접촉식 3차원 측정기인 CMM이 주로 활용되었으나 대상 물체에 손상을 줄 수 있고 측정 속도가 느리다는 단점이 있었다. 에 비해 3D 스캐너는 휴대성과 사용 편리성이 뛰어나고 정밀도도 빠르게 개선되고 있으며 측정 대상 물체에 대한 제한이 적어 활용 분야가 크게 확대되고 있다. 실제로 3D 스캐너는 3D 영상 콘텐츠 제작, 제조업 분야의 역설계와 품질 관리, 문화재 형상복원, 성형수술과 치과 치료, 의류와 신발 등의 패션·디자인 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 이처럼 응용분야가 다양할 수 있는 이유는 다양한 원리의 3D 스캐닝 기술이 접목된 다양한 3D 스캐너가 존재하기 때문이다. 3D 스캐너는 CMM과 달리 빛을 이용하는 비접촉식에 한정되며, 스캐너 자체에 광원을 가지고 있는 능동형이 주를 이룬다. 이러한 범주 내에서 물체의 3차원 형상 정보를 얻는 기술은 광간섭, 컴퓨터 단층촬영(CT), 광삼각측량, 비행시간측정(TOF) 방법 등이 있다. 이 중 빛의 간섭을 이용한 복굴절 홀로그래피, 공초점 현미경 및 산업용 컴퓨터 단층촬영의 경우 크기가 작은 물체의 표면과 내부 3D 형상을 측정하는데 효과적이지만, 적용 가능한 대상 물체에 제약이 있고 1회 측정 면적이 작아 바이오 분야 등 특정 분야에 주로 활용되고 있다. 따라서 대부분의 산업용 3D 스캐너에는 비행시간측정법과 광삼각측량법이 적용되고 있다. 비행시간측정법은 3D 스캐너에서 방출된 레이저 빔이 대상 물체 표면에서 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하여 3차원 입체 정보를 파악하는 방식이다. 비행시간측정법에서는 레이저 펄스(pulse)를 이용하거나 반사된 빔의 위상(phase) 차이를 측정하는데, 다른 방법에 비해 상대적으로 분해능은 떨어지지만 대형 물체에 대한 원거리 측정이 가능하여 주로 건축물이나 지형지물을 측정하는데 활용된다. 광삼각측량법은 물체 표면의 깊이에 따라 광수신부에 도달하는 위치가 달라지는 원리를 이용하여 물체의 3차원 입체 정보를 획득한다. 광원으로는 레이저나 백색 램프가 이용되는데 측정 속도를 높이기 위해 선, 줄무늬, 격자 형태의 패턴 빔이 주로 이용된다. 빠른 측정 속도로 실시간 스캔도 가능하고 정밀도도 높아, 제조업 분야는 물론이고 패션, 문화재, 의료, 영상 분야 등에 가장 일반적으로 사용된다. 광삼각측량법을 이용한 휴대용 스캐너도 출시되고 있어 향후 활용 분야가 더욱 확대될 것으로 전망된다.

역사

3D 레이저 스캐닝은 20세기 후반에 다양한 물체와 장소 등을 정확하게 재현하기 위해 기발되었다. 특히 이 기술은 연구 및 디자인 분야에서 유용하다. 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. 컴퓨터가 등장하면서 기하학적인 형상을 구축할 수 있었지만 문제는 해당 형상을 모델링하는 데 있었다. 표면이 너무 복잡하여 줄자로 측정하기에도 어려움이 있었다. 1980년대 공구 제작 산업이 접촉식 프로브를 개발하여 정확한 모델을 만들 수 있었지만 매우 느렸다. 그 이후 동일한 양의 세부정보를 더 빠르게 캡처하기 위해 연구했고, 결과적으로 더 효과적으로 응용하기 시작했다. 이에 엔지니어 전문가들은 광학 기술을 개발하기 시작했다. 빛을 사용하는 것이 물리적인 프로브보다 훨씬 빠르기 때문이다. 이러한 광학 방식 기술의 개발로 인해 부드러운 물체의 스캐닝을 가능하게 했다. 당시에는 세 가지 유형의 광학 기술을 사용할 수 있었다. 3D 레이저 스캐너의 스트라이프는 분명히 발전해 왔지만, 실제로 마주한 과제는 소프트웨어의 중요성이라는 것이 확연히 드러났다. 센서는 물체를 3D로 캡처하기 위해 다른 위치에서 여러 번 스캔한다. 문제는 이러한 스캔 데이터를 함께 결합하고 중복으로 된 데이터를 제거하고 한 번에 수백만 포인트의 데이터를 수집할 때 필연적으로 수집되는 노이즈를 구별하는 것이었다. 최초의 응용프로그램 중 하나는 애니메이션 산업을 위해 사람들을 캡처하는 것이었다. 로스엔젤레스 사이버웨어 연구소는 80년대에 헤드 스캐너로 이 분야를 개발했다. 90년대 중반에 그것들은 전신 스캐너로 발전하였다. 레플리카(Replica)라는 제목의 최초의 3D 스캐너는 1994년에 처음으로 출시됐다. 이 제품은 레이저 스트라이프 스캐닝에서 진척을 이루는 매우 상세한 물체를 빠르고 정확하게 스캔할 수 있게 해준다. 한편 사이버웨어는 자체 컬러스캐너를 개발하여 일부 스캐너는 물체의 색상도 캡처할 수 있었다. 하지만 이러한 발전에도 불구하고 속도와 정확도를 갖춘 진정한 3D 스캐닝이라 부르긴 애매했다. 디지보틱스(Digibotics)는 한 번의 스캔으로 전체 3D 모델을 제공할 수 있는 4축 기계를 도입했지만 레이저 선 기반이 아닌 포인트를 기반으로 하므로 속도가 매우 느렸다. 또한 모든 물체의 전체 표면을 디지털화할 수 없었다. 이머전(Immersion)과 파도테크놀로지스(FARO technologies)가 저렴한 수동식 디지타이저를 도입하면서 값비싼 광학 스캐너는 잊혀갔다. 이것들은 완전한 모델을 생산할 수 있지만 느렸고 또한 자세한 모델은 더욱 느렸다. 더불어 컬러의 표면을 읽는 기능이 부족했다. 이에 3D 모델 제작자들은 1) 정확도 2) 속도 3) 완벽한 3D 4) 텍스처 캡처 기능 5) 합리적인 가격의 다섯 가지 조건에 부합하는 스캐너를 찾기 위해 힘을 합쳤다. 1996년 3D 스캐너는 수동조작식 암과 스트라이프 3D 스캐너의 핵심 기술을 채택하여 세계 최초의 매우 빠르고 유연한 리얼리티 캡처시스템(reality capture system)을 실현했따. 고급 기술은 텍스처의 색상을 통합한 기하학적인 모델을 생성하여 단 몇 분 만에 제작할 수 있게 되었다. 이와 같이 3D 스캐너가 발전했다.

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

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. 1960년대에 개발된 고효율 3D 치수 정밀 계측기의 새로운 유형으로, 고정밀의 유연하고 우수한 디지털 기능을 갖췄으며 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. 스캐닝 프로브헤드, 자동회전 프로브헤드, 수동회전 프로브헤드, 터치트리거 프로브, 스캐닝 프로브, 자동교환장치 등이 있다.

프로브 종류

사진	이름	특징
	스캐닝 프로브헤드	높은 프로빙 정밀도로 많은 데이터를 연속적으로 취득 가능하다. 3D 곡선/곡면측정/원통도 측정 등에 적합하다.
	자동회전 프로브헤드	대부분의 좌표 측정 기계에서 사용한다. 확장성이 탁월하고 최대 300mm까지 프로브 연장이 가능하다.
	수동회전 프로브헤드	가격이 저렴하며 각도 회전이 가능해 기계 이동에 의한 프로브 자세 자동 변경 가능하다.
	터치트리거 프로브	대부분의 기계에서 사용하며 빠른 측정속도와 다양한 모듈 및 스타일러스 적용가능하다.
	스캐닝 프로브	고밀도와 탁월한 호환성이 탁월하다. 짧은 시간에 많은 데이터를 연속적으로 취득가능하다.
	자동교환 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 : 형태는 스타형, 반구형, 실린더, 포인터, 디스트 등이 있다.

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 : 전자제어장치와 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

• 브릿지 형태

구조에 따른 CMM 종류

1. 고정브릿지 형태 : 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.
2. 이동브릿지 형태 : 가장 많이 사용되고 있는 일반적인 형태로 수직 방향으로 이동하는 z축 및 x축에 직교한 수평면 내의 레일 상을 y축 방향으로 이동한다. 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.
3. 베드 형태 : 중형 및 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.
4. L 형태 : 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.
5. 갠트리 형태 : 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 형태

1. 고정테이블 형태 : 수직 방향으로 이동하는 z축 스핀들과 그 안내부가 z축에 직교한 수평 방향의 캔틸레버를 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.
2. 이동테이블 형태 : 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 형태

1. 수평 암 형태 : 대형 및 초대형 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.
2. 이동테이블 수평 암 형태 : 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

좌표 측정 기계는 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. 반면 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 온라인마케팅에서 렌더링 대상을 고품질로 3D 시각화에 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

TOF방식 스캐너

레이저 방식

• TOF(Time Of Flight) : 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.
• PS(Phase Shift) : 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

• 사진측량 : 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), 리얼리티캡처(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) : 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 카메라로 감지하여, 형체와 거리를 분석할 수 있는 것이다.

광삼각법 원리

백색광 방식 원리

변조광 방식 원리

핸드헬드 방식 스캐너

단거리

레이저 방식

• 광 삼각법 : 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 캐나다국립연구재단이 1978년에 처음으로 개발하여 대부분의 레이저 타입의 3D 스캐너는 이 방식과 TOF 방식을 이용한다.

광학방식

• 백색광 : 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)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 : 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.

• 핸드헬드 : 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.

• 프린지패턴 투영 : 3차원 형상 측정에서의 푸리에 변환 프로파일 메트릭(FTP)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) 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.

• 라인스캐닝(line scanning) : 광학식 스캐너의 프로젝터처럼 광범위하게 레이저를 투영시킬 수 없기 때문에 라인 방식으로 물체 표면에 선을 투영시킨다. 그러면 카메라가 라인의 휘어짐을 판단하여 2D 커브를 만든다. 2D 형상이기 때문에 스캐너를 움직여 가면서 촘촘히 겹쳐야 3D가 구현된다.

활용

3D 스캐너를 이용하여 레이저나 백색광을 대상물에 투사하여 대상물의 형상정보를 취득, 디지털 정보로 전환하는 모든 과정을 통칭하는 것이 3D 스캐닝 기술이다. 이를 이용하면 볼트와 너트를 비롯한 초소형 대상물을 비롯해 항공기, 선박 심지어는 빌딩이나 다리 혹은 지형 같은 초대형 대상물의 형상정보를 손쉽게 취득할 수 있다. 차원 스캐너로부터 얻어진 형상 정보는 다양한 산업군에 필요한 역설계나 품질 관리 분야에 적극적으로 활용되고 있다. 기존에는 특정 제품의 형상 정보를 얻기 위해 대상 제품을 일일이 캘리퍼스와 같은 도구를 이용한 수작업으로 대상물의 측정이 이루어졌다. 이런 기존의 방식은 작업 시간도 많이 소요될 뿐 더러 정확한 작업이 이루어 질 수 없었다. 3차원 스캐너는 단 몇 번의 샷을 통해서 단 시간 내에 제품 전체의 형상정보를 쉽고 정확하게 취득할 수 있게 해 주는 혁신적인 툴이다. 3차원 스캐닝 기술은 대상물의 전체형상을 한꺼번에 측정함으로써 정확하고 신속한 결과를 도출할 수 있게 해주었고 그 결과 여러 산업분야에서 생산성이 크게 증대되었다. 다양한 산업 분야에서 CMM이라는 3차원 측정기를 이용하여 제품의 형상정보를 얻고 있다. CMM은 물체의 표면 위치를 검출할 수 있는 프루브가 3차원 공간을 이동하면서 각 측정 점의 공간 좌표를 검출하고 그 데이터를 컴퓨터가 처리함으로써 3차원적인 크기나 위치 또는 방향 등을 측정할 수 있는 장치다. 그러나 3차원 측정기는 시스템이 복잡하기 때문에 유지, 보수를 위한 노력이 필요하고 정상적으로 활용하기까지에는 일정한 시간과 관련 분야의 전문 지식이 필요하다. 또 온도나 진동 등에 민감하기 때문에 주변 환경을 잘 관리해야 하는 등의 어려움이 있다. 이에 반해, 3차원 스캐너는 CMM 측정기의 단점들을 보완한 편리한 사용방법과 빠른 측정 속도로 인해 기존의 산업 분야들에서 대체 솔루션으로 급부상하고 있다.

산업디자인 및 엔지니어링

3D 스캐너는 필요한 데이터를 신속하고 정확하게 캡처할 수 있기 때문에 산업 디자인, 엔지니어링 및 제조 분야에서 널리 사용된다. 이러한 첨단 3D 장치가 없으면 구식의 수동 방법으로 측정값을 수집해야 하므로 너무 비용과 시간이 소요될 수 있다. 제품 설계, 테스트, 개발, 출시 및 애프터 서비스의 각 단계에서 유용한 강력한 3D 스캐너 솔루션은 작업 흐름을 크게 가속하고 값비싼 실수를 방지하며 생산성을 향상한다. 이 분야의 다양한 응용 분야에 가장 적합한 3D 도구를 결정하려면 캡처할 물체의 크기와 기능을 고려해야 한다. 예를 들어, 트럭, 기차 그리고 비행기 같은 대형 산업 물체는 다기능의 고정식 3D 스캐너를 사용해야 캡처가 가장 잘 된다. 이러한 유형의 스캐너는 운영자가 최소한으로 감독 및 상호 작용하지만 짧은 시간 내에 정확한 결과물을 제공한다. 크지 않고 고해상도로 캡처해야 하는 복잡한 부분이 많은 물체를 스캔하는 경우 휴대용 3D 스캐너를 사용하는 것이 좋다. 이러한 3D 도구는 유연하고 사용하기 쉬우며 작은 물체와 복잡한 형상을 가장 높은 정밀도로 캡처한다. 어떤 옵션을 선택하든, 신속한 프로토타이핑, 품질 관리 및 기타 여러 응용 분야를 위해 강력한 3D 스캐닝 소프트웨어와 같이 사용하는 것이 중요하다. 일부 첨단 3D 스캐너는 광범위하게 사용되는 다양한 CAD/CAM 및 3D 모형화 소프트웨어를 사용하여 작동하도록 특별히 설계되어 사용자에게 더 많은 가능성을 제공한다.

의료 산업

의료 산업은 3D 스캐너를 수많은 시술에 적용함으로써 큰 이익을 얻었다. 연구, 환자 치료 및 맞춤형 의료 솔루션 창출에 사용된 3D 스캐너는 의료 분야 주목할 만한 변화를 가져왔다. 속도, 정밀도 그리고 가장 중요한 것은 다양한 고정식 및 휴대용 3D 스캐너의 안전성을 통해 전 세계의 의료 전문가가 이러한 선구적인 기술을 도입하고 최대한 활용하여 새로운 프로세스를 창출하면서 기존 프로세스를 크게 개선할 수 있었다. 예를 들어, 의료 종사자는 이제 3D 스캐너를 통해 손쉽게 전신을 스캔할 수 있다. 이것은 고정식 또는 휴대용 3D 솔루션으로 할 수 있다. 의사는 스캔 데이터를 사용하여 연구를 수행하고 시간이 경과하면서 나타나는 신체 측정치의 변화를 모니터링할 수 있다. 3D 스캐너를 통해 환자의 정확한 수술 전 및 수술 후 데이터를 훨씬 간단하게 얻고 비교할 수 있다. 등 부목, 임플란트, 보철 및 맞춤형 휠체어와 같은 맞춤형 의료 솔루션의 생성 또한 빨라지고 쉬워졌다. 필요한 데이터는 3D 스캐너로 쉽게 캡처하고 특수 3D 소프트웨어로 처리한 다음 제조를 위해 밀링 머신이나 3D 프린터를 통해 보낸다.

법의학

3D 스캐닝 기술은 그 휴대성, 유연성 및 정확성으로 인해 법의학에서도 점점 인기를 얻고 있다. 전문 3D 스캐너는 경찰력, 여러 보험 회사 그리고 심지어는 증거 제시를 위한 법원 청문회에서도 전 세계적으로 사용되고 있다. 법의학에서 3D 스캐너는 휴대성, 유연성 및 정확성이 가장 중요히다. 예를 들어, 직사광선이 비치는 실내와 실외 모두를 스캔할 수 있는 고정확도의 휴대용 3D 스캐너를 통해 법의학 데이터를 그 어느 때보다도 훨씬 쉽게 수집할 수 있다. 사진 촬영, 줄자 등을 포함하여 법의학에서 데이터를 캡처하는 전통적인 방법과 비교할 때 3D 스캐너는 몇 분 만에 매우 정확한 데이터를 캡처할 수 있는 매우 강력한 기술임이 입증되었다. 이러한 첨단 기술은 증거가 공식적으로 수집되기 전에 범죄의 전체 현장 또는 각각의 부분 캡처 등 다양한 법의학 응용 분야에 사용되고 있다. 3D 스캐너는 또한 회수한 증거 자체를 디지털화하는 데 탁월하여 수많은 범죄 시나리오를 수행하고 분석할 수 있는 시뮬레이션을 생성한다. 획득한 3D 스캔 데이터를 기반으로 한 결과 및 결론은 매우 정확하고 신뢰할 수 있기 때문에 보험 회사뿐만 아니라 경찰이 법원에서 증거로 제시할 수 있다.

고고학 및 유산보존

3D 스캐닝 기술을 많은 작업 흐름에서 실행한 다른 분야로는 고고학 및 유산 보존이 있다. 고고학 및 유산 보존에서의 3D 스캐너 응용 분야는 참으로 셀 수 없이 많다. 최신 3D 기술은 다양한 인공물의 디지털 복제본을 매우 정확하게 제작하여 이전 어느 때보다 역사를 되살리고 전 세계 사람들이 이에 쉽게 접근할 수 있게 해준다. 발굴 과정에서 발견된 작은 조각을 통해 물품을 재현하는 것부터 수백 가지 전시품을 갖춘 온라인 박물관을 생성하기까지 3D 스캐닝 기술은 고고학 및 유물 보존에 대한 보존, 전시 및 학습 방식을 근본적으로 변화시키고 있다. 이러한 분야에서 최고의 3D 솔루션을 선택할 때 스캔 환경을 염두에 두어야 한다. 어디가 되었든 현장의 인공물을 현장에서 직접 스캔해야 할 가능성이 크다. 또한 휴대형 배터리팩과 같은 외부 전원과 연결하여 사용할 수 있는 장치를 선택해야 어디서 사용하든 몇 시간 동안 스캔할 수 있다. 정확한 캡처는 스캔하는 물체의 정확한 복원 및 묘사에 필수적이므로 고도로 정밀한 휴대용 3D 스캐너를 선택하는 것이 좋다. 그러나 휴대용 3D 스캐너는 주로 작거나 중간 크기의 물체에 적합하지만, 프로젝트에 높은 기념물이나 건물과 같이 지나치게 큰 물체를 캡처해야 하는 경우, 짧은 기간에 상당한 양의 데이터를 캡처할 수 있는 전문 고정형 라이다(LIDAR) 솔루션을 활용할 수 있다. 크기가 다른 여러 가지 인공물이나 복잡한 부분이 있는 매우 큰 물체를 캡처하는 경우 휴대용 스캐너와 고정식 스캐너를 함께 사용하는 것이 가장 효과적이다.

예술 및 디자인

가상현실(VR) 게임 개발자, 할리우드 SFX 아티스트 및 재능 있는 예술 디자이너는 다용도의 3D 스캐닝 기술을 자신의 작업 흐름에 구현하여 예술 및 디자인의 세계에 신비한 힘을 불어넣는 전문가 중 일부에 지나지 않는다. 예술과 디자인에 가장 적합한 스캐너의 선택은 캡처해야 하는 대상 또는 인물 그리고 캡처하는 목적에 따라 달라진다. 예를 들어, 게임이나 가상현실 프로젝트를 위해 실물과 같은 아바타를 제작하기 위해 사람을 캡처할 경우, 안전하고 사용하기 쉽고 빠르게 데이터를 캡처하는 3D 솔루션을 고려하는 것이 좋다. 정확한 전신 스캔을 제공하는 휴대용 솔루션이 가장 안전하고 확실한 방법이다. 인테리어 장식품이나 보석 등 복잡하고 세밀한 작은 품목 또는 물체의 경우, 생생한 색상과 탁월한 정밀도로 3D 모형을 만들 수 있고 스캔하기 어려운 표면도 문제없이 스캔하는 매우 정확한 3D 스캐너를 선택해야 한다.

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같이 보기

• 3D
• 3D 스캐닝

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