3D 스캐닝 기술의 작동 방식

수많은 레이저 스캐너, 구조광 스캐너, 디자인 소프트웨어, 3D 모형 등으로 3D 스캐닝 세계로 뛰어들기 전에 잠시 시간을 내어 가는 곳마다 우리 주변에서 얘기하는 3차원이 무엇인지 더 자세히 알아보기로 하겠습니다. 3D 스캐너가 무엇인지 전혀 모르는 사람도 우리가 3D 세계에 살고 있다는 것을 알고 있습니다 그런데 "3D 세계"가 실제로 의미하는 것은 무엇일까요? 그것은 우리 주변의 공간이 3차원이며, 모든 것의 위치는 매개 변수 또는 좌표라고도 불리는 3개의 숫자를 사용하여 설명할 수 있음을 의미합니다. 이 세 가지 매개 변수를 지정하는 다양한 방법이 있으며 그렇게 하는 규칙을 좌표계라고 합니

그림1a

가장 일반적인 좌표계는 직교 좌표계입니다.

우리 주변 물건의 폭, 높이 및 깊이에 대해 말할 때 직교 좌표계 용어를 사용합니다.이는 오른쪽 좌표계(RHS) 또는 왼쪽 좌표계(LHS)일 수 있습니다. 이 두 개 좌표계의 유일한 차이점은 물체의 깊이를 나타내는 z축의 방향입니다

그림1b

그림1c

구면 좌표계(왼쪽)와 원통 좌표계(오른쪽) 등 몇몇 다른 좌표계가 몇 가지 있습니다

다. 모든 3D 좌표계가 공통으로 공유하는 것은 표면이든 아니든 공간에 있는 점의 위치를 명확하게 설명하는 3개의 독립적인 매개 변수가 있다는 것입니다. 이것은 매우 간단한 것처럼 보이지만, 3D 스캐너 및 스캐닝에 관한 한 이 세계를 변화시키는 이 기술을 더 잘 파악하고 성공적으로 사용하는 데 도움이 되는 기본 원칙입니다.

현대의 전문 3D 스캐닝 솔루션 및 소프트웨어의 정확도와 해상도를 고려할 때 3D 스캐닝 및 스캐너의 세계와 관련된 치수에 대한 논의가 더욱 중요해집니다. 육안으로 볼 수 있는 수준을 훨씬 넘어서는 최신 3D 스캐너의 성능은 전적으로 신뢰할 수 있고 반복 가능한 하드웨어 및 소프트웨어 기반 좌표계에 달려 있습니다.

먼 물체에 관한 대부분의 정보는 빛의 도움으로 우리에게 전달됩니다. 빛은 단순히 가장 빠른 속도로 우주를 가로지르는 전자기 방사선입니다. 주로 태양에서 나오는 빛은 표면에서 반사되어 표면에 흡수되거나 반사되며 흡수되지 않는 한 계속 진행합니다. 빛에는 많은 일이 일어날 수 있습니다. 빛은 반사되거나, 굴절되거나, 흩어지거나 흡수될 수 있으며, 경로에 있는 물체에 부딪힌 후에는 색상, 강도, 방향 등의 속성을 변경할 수도 있습니다.

사람의 눈은 가시 광선의 방향, 강도 및 색을 감지 할 수 있는 감지 기관입니다. 눈에는 통과하는 빛을 망막으로 집중시키는 수정체가 있습니다. 망막에는 약 1억 2천만 개의 막대와 6백만~7백만 개의 원뿔로 구성된 특수한 감광성 세포가 있습니다. 이러한 막대로 흑백을 인식할 수 있고 원뿔로 색상을 볼 수 있습니다. 이러한 색상을 보기 위해, 눈은 주변 환경에서 광선을 모아 망막으로 보냅니다 

우리의 눈은 모든 거리에서 동시에 여러 물체에 초점을 맞춰 볼 수 없으므로, 가까이에 있는 물체를 볼 때 멀리 있는 물체는 흐릿하게 보이고 그 반대도 마찬가지입니다. “조절 반사”라고 하는 특수 초점 조정 프로세스를 통해 6~7cm(2.5인치)에서 무한대까지의 거리를 명확하게 볼 수 있습니다. 대부분의 경우 조절은 반사처럼 작동하지만, 의식적으로 제어할 수도 있습니다.

그림 2

초점 맞추기: a. 멀리 있는 물체…

b. 가까이 있는 물체

조절의 한 측면은 그림 2와 같이 다른 거리에 초점을 맞추기 위해 해당 근육이 눈의 수정체에 필요한 조정을 할 때입니다.

그림 3a

그림 3b

조절은 눈이 초점을 맞추도록 도움을 줌과 동시에 가까이 있는 물체와 멀리 있는 물체를 구별할 수 있게 해주지만, 한쪽 눈만으로 깊이를 잘 인식할 수는 없습니다. 그래서 두 번째 눈이 있음으로써 큰 차이가 있습니다.

인간의 3D 시각은 소위 입체 효과를 기반으로 합니다. 이 효과는 두 개의 다른 위치에서 물체를 보는 과정을 말하며, 각 눈이 보는 이미지는 비슷하지만 약간 이동합니다. 얼마나 많이 이동하느냐는 사용자와 물체 사이의 깊이(거리)에 따라 다르지만, 이미지는 가까이 있는 물체의 경우 더 많이 이동하는 경향이 있습니다. 이 현상은 망막(쌍안) 시차라고 하며, 양안 시차라고도 합니다.

안타깝게도, 보고 있는 물체에 대한 눈의 해상도는 동일하지 않습니다. 원뿔의 가장 높은 밀도는 중앙에 있으므로 해상도와 깊이 인식을 좋게 하려면 두 눈을 물체에 직접 초점을 맞춰야 합니다. 가까운 물체를 보기 위한 수렴(그림 3(b) 참조)은 안구 근육을 사용하며, 멀리 있는 물체에 초점을 맞출 때 시야각이 상당히 작아집니다.

두 사진(각 눈에서 하나씩)이 망막에 투영된 후 시신경을 통과하여 다양한 시각적 뇌 시스템으로 전달됩니다. 뇌의 다른 부분이 이미지를 동시에 분석합니다. 일부 부분은 간단한 표면 형상을 감지하고 일부는 동작을 인식하고 다른 부분은 이미지를 이전에 학습한 이미지 등과 비교합니다.

마지막으로, 약 50,000분의 1초 만에 이 모든 정보를 의식적으로 인식할 수 있으며, 보이는 물체의 색, 깊이, 움직임 및 모양을 알 수 있습니다. Artec 3D 스캐너는 거의 같은 방식으로 작동하지만, 인간의 시각 시스템보다 깊이 측정 측면에서 훨씬 더 정밀하며, 이는 구조광은 물론 Artec 3D 레이저 스캐너에도 적용됩니다.

3D 기술의 메시(3D 스캐너를 통해 제작된 모형 포함)는 컴퓨터 그래픽을 통해 표면이 소프트웨어에서 나타나는 방식을 나타냅니다. 간단히 말해 메시는 정점과 면의 모음으로 정점이 면을 구성하는 방법과 그들이 서로 연결되는 방법에 대한 정보를 제공합니다.

일반적으로 면은 모든 유형의 다각형으로 구성될 수 있지만, 대부분의 경우 GPU(그래픽 처리장치)에서 구현하기 쉽기 때문에 삼각형이 사용됩니다. 다양한 종류의 메시에는 특정 다각형 유형이 필요하며 해당 규칙은 다음의 적용에 따라 다릅니다.

• 면-정점 – 정점 및 사용하는 정점을 가리키는 다각형 세트.
• 날개 달린 모서리 – 각 모서리에는 2개의 정점, 2개의 면 및 그것들에 닿는 4개의 모서리가 있습니다.
• 정사각형 모서리 – 다각형과 관계 없는 모서리, 절반 모서리 및 정점으로 이루어집니다.
• 코너 테이블 – 정점을 사전 정의된 테이블에 저장하여 다각형을 정의합니다.

이것은 본질적으로 하드웨어 그래픽 렌더링에 사용하는 삼각형 팬입니다. 표현이 더 간결하고 다각형 검색이 더 효율적이지만 다각형을 변경하는 작업은 느립니다. 또한 코너 테이블은 메시를 완전히 나타내지 않습니다.  대부분의 메시를 나타내려면 여러 개의 코너 테이블(삼각형 팬)이 필요합니다.

정점-정점 메시 – 다른 정점을 가리키는 정점만 사용합니다. 수행할 수 있는 메시 효율적인 작업의 범위는 제한되어 있지만, 이것은 크기가 매우 효율적인 형식입니다.

간단한 메시는 수동으로 생성할 수 있는 반면, 복잡한 메시는 수학 방정식, 알고리즘을 통해 또는 3D 스캐너로 실제 물체를 디지털 방식으로 캡처하여 모델링할 수 있습니다. 메시의 가장 중요한 특성 중 하나는 단순성입니다. 동일한 표면을 캡처하고 디지털 방식으로 나타낼 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다.

정점

면

메시

삼각형 메시삼각형으로 구성된 다각형 메시)