[미러 3D 스캐닝] 제 1부 - 구조광 (Structured-Light) 방식의 광학식 3D 스캐너의 작동 원리

'미러 3D스캐닝'에 잘 오셨습니다. 반갑습니다! 미러 (ME.RROR)는 보유한 다양한 모델 별 3D스캐너를 알리고 장비의 작동방법이나 이점 등을 소개하고자 미러 3D스캐닝이라는 섹션을 블로깅합니다.

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"미러 3D스캐닝"에서는 총 5부작으로 아래와 같은 컨텐츠로 구성되어 있습니다. 해당 블로그 글은 미러 3D스캐닝-1부로서 광학식 3D스캐너의 3D스캐닝 작동방식의 원리를 확인하실 수 있습니다.

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미러 3D스캐닝(1부) - 구조광 방식(Structured-Light)의 광학식 3D스캐너의 작동 원리

미러 3D스캐닝(2부) - 광학식 3D스캐너가 활용되는 분야는?

미러 3D스캐닝(3부) - 광학식 3D스캐너가 스캔할 수 있는 대상체의 사이즈는?

미러 3D스캐닝(4부) - 광학식 3D스캐너를 왜 써야 하나요?

미러 3D스캐닝(5부) - 광학식 3D스캐너를 사용할 때의 이점은?

 

 

1. 구조광(Structured-Light)방식의 광학식 3D스캐너의 장치 구성

How structured-light 3D scanners work?

 

 

광학식 3D스캐너는 아래와 같은 장치로 구성되어 있습니다.

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1) 3D스캐너 헤드 : 3D스캐닝 시스템의 하드웨어 부분(카메라와 프로젝터로 구성)

2) 3D스캐닝 소프트웨어 : 3D스캐닝 작업의 모든 프로세스를 담당하는 소프트웨어

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Polyga 3D스캐너의 경우, Polyga Compact 혹은 Polyga Carbon 등의 모델별 3D스캐너 헤드를 삼각대에 올려 놓습니다. 그리고 랜선 케이블로 3D스캐너 헤드와 PC를 연결합니다. PC에는 3D스캐닝 소프트웨어를 설치합니다. Polyga의 모든 3D스캐너를 프로세싱하는 전용 소프트웨어의 이름은 FlexScan3D입니다.

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결론 : Polyga 3D Scanner Head + PC or Laptop + FlexScan3D S/W 이 세가지로 Polyga의 광학식 3D스캐너를 구동할 수 있습니다.

 

<Polyga Compact S1과 노트북에 설치된 FlexScan3D의 모습>

 

 

2. 단계별로 확인하는 광학식 3D스캐너의 3D스캐닝 프로세스

총 3단계로 알아보는 광학식 3D스캐너의 프로세스

<Polyga Carbon 으로 기계 부품을 3D 스캐닝 하는 모습>

 

■ 1단계 : 데이터 수집 단계

 

3D스캐너 헤드는 패턴을 조사하는 프로젝터 1개와 패턴을 캡처하는 고해상도의 CCD 카메라 2개로 구성됩니다. 프로젝터는 모델에 따라 LED 혹은 DLP방식의 프로젝터가 활용됩니다. 3D스캐닝 원리를 설명하자면, 우선 프로젝터에서 조사되는 일련의 평행한 대비 패턴줄이 빛과 함께 스캔 대상에 투여됩니다. 빛과 패턴이 물체의 표면에 투영되면 패턴이 굴곡(왜곡)됩니다. 카메라는 이 패턴 이미지를 캡처하고 처리를 위해 3D스캐닝 소프트웨어로 보냅니다.

 

■ 2단계 : 데이터 처리 후 3D스캔 데이터 생성

 

3D스캐닝 소프트웨어는 3D스캔 헤드에서 취득한 굴곡된 패턴 이미지에서 물체의 깊이와 표면정보를 계산하여 3D스캔 데이터를 생성합니다. 3D스캔 헤드는 모델에 따라 다른 Field of View(FOV=스캔 가능 범위 및 시야각)을 가지고 있습니다.

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시야각이 큰 스캐너는 큰 면의 굴곡된 패턴 이미지를 한 번에 많이 캡처합니다. 시야각이 작은 스캐너는 작은 면의 굴곡된 패턴 이미지를 한 번에 캡처합니다. (시야각이 작을수록 3D스캐너의 정확도는 높습니다. 시야각이 크더라도 CCD카메라의 화소수가 높다면 3D스캐너의 정확도도 높습니다. 시야각이 작고 CCD카메라의 화소수가 높다면 정확도는 매우 높습니다.)

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광학식 3D스캐너는 이렇게 FOV에 따른 대상체의 특정 각도 별 3D스캔 데이터를 생성하고, 최종적으로 각도 별 3D스캔 데이터를 하나의 덩어리로 정합하여 최종 데이터를 생성합니다.

 

■ 3단계 : 단일 3D스캔 데이터들을 결합하여 하나의 완전한 3D모델로 생성

 

광학식 3D스캐너는 물체의 특정 각도에서 한 번에 하나의 스캔을 수행합니다. 대상체의 전체 형상이 담긴 디지털 3D 모델을 만드는 것은 의류를 재봉하는 것과 비슷합니다. 먼저 전체 형상을 여러 각도에서 모두 캡처한 하나 하나의 조각난 3D 스캔 조각을 가져온 다음 개별 스캔을 정합(Align)하고 연결(Merge)하여 모든 각도에서 보아도 틈이나 손실된 부분이 없는 완전한 3D개체를 형성해야 합니다.

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대부분의 3D 스캐닝 소프트웨어는 스캔 데이터의 후처리를 수행할 수 있습니다. 즉, 여러 스캔을 정리(Trim), 정합(Align) 및 연결(Merge)하여 하나의 완전한 디지털 3D 모델을 생성할 수 있습니다.

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최종 모델은 3D 모델링 소프트웨어, 리버스 엔지니어링 소프트웨어 또는 치수검증 소프트웨어에서 사용할 수 있는 일반적인 파일 형식(PLY, OBJ, STL, ASC, FBX)으로 내보낼 수 있습니다.

 

 

3. 사진으로 보는 광학식 3D스캐닝 단계 프로세스

Polyga Compact S1으로 Logitec의 소형 블루투스 스피커를 스캐닝하는 사례

<스캔 대상체: Logitech 소형 블루투스 스피커 (지름 약 9.5 cm)

<Polyga Compact S1과 전용 턴테이블 그리고 PC에 설치된 Flex Scan 3D 소프트웨어의 모습>

<Logitech 스피커의 여러 부분을 스캔하고 FlexScan3D로 정합해 나가는 모습>

 

<광학식 3D 스캐너는 3D스캐너 헤드가 보이는 시야각 (FOV)로 3D 데이터를 생성합니다.

<각도 별로 시야각을 바꿔 나가며 3D 스캔 데이터 조각을 모아 서로 정합 (Align & Merge) 해 줍니다.

<빠짐 없이 360도로 모든 부위를 스캔하여 3D 스캔 데이터를 형성 / 정합 / 연결하여 완벽한 하나의 디지털 3D 모델로 생성합니다.

<조각난 스캔 데이터를 최종 연결 (Merge) 하고 보정 (구멍 메꾸기 및 불필요한 스캔 부분 삭제 등)을 마친 데이터의 모습

Logitech 블루투스 스피커의 여러 각도 별 3D스캔 데이터를 모으고, 이를 하나하나 정합하고 연결하면 완전한 3D디지털 모델을 만들어 낼 수 있는 모습을 확인하셨나요? 이렇듯 광학식 3D스캐너는 여러 스캔 컷을 하나로 묶어주어 최종 데이터를 생성합니다.

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이를 자동화 하기 위해, 전용 턴테이블을 활용하기도 합니다. 전용 턴테이블과 전용 소프트웨어 FlexScan3D으로 사용자는 "360도로 12번 찍고 정합 및 연결하기" 까지의 프로세스를 자동으로 수행할 수 있습니다.

 

미러 3D스캐닝(1부) - 구조광 방식(Structured-Light)의 광학식 3D스캐너의 작동 원리

미러 3D스캐닝(2부) - 광학식 3D스캐너가 활용되는 분야는?

미러 3D스캐닝(3부) - 광학식 3D스캐너가 스캔할 수 있는 대상체의 사이즈는?

미러 3D스캐닝(4부) - 광학식 3D스캐너를 왜 써야 하나요?

미러 3D스캐닝(5부) - 광학식 3D스캐너를 사용할 때의 이점은?

 

미러 3D스캐닝(1부)를 마칩니다. 다음 미러 3D스캐닝(2부) - 광학식 3D스캐너가 활용되는 분야는?의 포스팅도 조만간 올릴 예정이오니 기대해 주세요!

 

 

 

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