구조화 광 3D 스캐닝은 어떻게 작동합니까?

2022년 11월 25일
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요약

몇몇 세계 최고의 3D 스캐너가 크기와 복잡성에 상관없이 물체를 캡처하는 방법을 정확히 이해하려면 먼저 구조화 광이 작동하는 방식을 면밀히 살펴봐야 합니다. 읽기 쉬운 이 기사에서는 CMM 기계 및 CGI 사진 측량을 비롯한 다른 기술에 비해 구조화 광이 갖는 이점에 대해서도 알아봅니다. 그런 다음 구조화 광 3D 스캐너에 대해 잠재적으로 까다로운 몇 가지 표면을 다룰 것입니다.

스캐너 유형
탁상용, 휴대용, 휴대용 무선
대상 응용 분야
리버스 엔지니어링, 의료, 검사, 고고학, 포렌식, CGI
물체 크기의 범주
초소형(<90×60×60 mm), 소형(5-20 cm), 중형(20-50 cm), 대형(50-200 cm), 초대형(>200 cm)

개요

Structured light 3D scanning

구조화 광 3D 스캐너가 어떻게 놀라운 속도와 정확도로 물체를 캡처할 수 있는지 알아보기 전에 먼저 구조화 광이 실제로 무엇인지 이해해야 합니다.

실질적으로 구조화 광은 3D 스캐너가 스캔하는 물체에 비추는 정밀하게 보정된 흰색 또는 파란색 빛의 패턴입니다. 일반적으로 이 패턴은 일련의 평행선, 줄무늬 또는 격자입니다.

구조화 광이 물체의 표면에 닿으면 빛의 패턴은 곡선, 오목한 곳 또는 융기된 영역을 향하면서 왜곡됩니다.

Structured light 3D scanning

스캐너의 프로젝터(왼쪽)는 백색광을 방출하며, 이는 중앙의 그리드를 통과한 후 선 또는 줄무늬로 구조화됩니다. 그리드의 막대가 두꺼워지고 그 사이의 공간이 줄어들수록 "출구"에서 광선이 좁아집니다. 이러한 원래 직선은 꽃병의 곡면에 닿으면서 왜곡됩니다.

이런 현상이 발생하면 스캐너의 카메라는 이러한 왜곡된 빛 패턴이 반사될 때 프레임을 캡처하고 스캐닝 소프트웨어는 패턴을 분석하고 이를 사용하여 스캔 중인 물체의 모든 표면을 디지털 3D로 정확하게 재구성합니다.

스캔 중인 물체의 크기와 스캔한 시간에 따라 한 번의 스캐닝 세션에서만 3D 스캐너가 수십, 수백 또는 수천 개의 프레임을 캡처할 수 있습니다.

반사광을 고해상도 3D 모델로 변환

스캐닝 소프트웨어의 패턴 인식 및 재구성 알고리즘은 한 줄기 빛이 장소에 따라서 더 두껍거나 더 얇다는 것은 표면의 해당 지점이 각각 카메라에서 더 가깝거나 멀다는 것을 의미하며, 다른 모양과 구조는 구조화 광 패턴에서 다양한 유형의 변형에 의해 결정된다는 것을 알고 있습니다.

일부 3D 스캐너에는 물체의 텍스처를 캡처하는 카메라도 추가로 장착되어 있습니다. 3D 스캐닝 및 모델링 분야에서 텍스처는 물체의 색상과 기타 가시적인 표면 특성을 나타냅니다.

Structured light 3D scanning

프레임은 캡처된 후 3D 모델로 변환됩니다. 스캔하는 동안 텍스처 프레임이 캡처된 경우, 프레임은 이후에 3D 모델에 "매핑"되어 실제 원본과 거의 동일하게 보이고 치수상으로 반영될 수 있는 최종 3D 모델을 생성할 수 있게 합니다.

휴대용 3D 스캐너의 경우, 물체의 모든 측면을 캡처하기 위해 스캐너를 집어 물체 주위를 도는 동안 스캐너의 구조화 광은 다양한 각도와 위치에서 물체의 표면을 비추며 엄청난 양의 정밀한 표면 디테일을 수집합니다(일부 스캐너는 매초 수백만 개의 표면 데이터 포인트를 캡처합니다!). 휴대용 스캐너를 상대적으로 움직이지 않게 하면서 턴테이블을 사용하여 소형 물체를 회전하고 사방에서 스캔할 수도 있습니다.

예를 들어, 탁상용 Artec Micro, 와 같은 고정식 구조화 광 스캐너를 사용하면 스캔할 물체를 작은 스캐닝 플랫폼에 장착하기만 하면 나머지는 스캐너가 알아서 처리합니다. 물체를 뒤집고 이전에 숨겨진 표면을 캡처할 때만 개입하면 됩니다.

Structured light 3D scanning

실 태엽에서 고래 턱뼈까지: 물체 크기에 관하여

구조화 광 3D 스캐너의 확실한 강점은 아주 초소형에서 초대형에 이르기까지 물체를 비파괴적으로 캡처하는 기능이며, 일부 솔루션은 백혈구 크기의 절반도 안 되는 10미크론의 높은 정확도를 보여 줍니다!

요점

특정 유형 또는 크기의 물체로 계속 작업하는 경우, 작업에 맞게 설계된 스캐너를 선택하십시오!

Structured light 3D scanning

개별 스캐너를 사용하여 다양한 물체의 매우 정밀한 디지털 트윈을 만들 수 있지만, 특정 크기의 물체로 주로 작업하는 경우, 가장 작업 효과가 좋은 특정 스캐너를 고려하는 것이 좋습니다.

예를 들어, 스프링, 기어, 휠, 보석을 비롯한 초소형 시계 부품을 정기적으로 스캔해야 한다고 가정해 보겠습니다. 부품마다 클릭하고 스캔하기만 하면 되는 Artec Micro와 같은 탁상형 구조화 광 스캐너에 대해 진지하게 생각하고 싶을 것입니다. 구형 CNC 밀링 밸브, 나사산 볼트, 스위치 등과 같은 초소형 항공우주 부품의 경우에도 마찬가지입니다. 반면에, 선택한 스캔 대상이 사람과 같은 큰 규모라면 사람 머리카락 너비의 1/7 정도의 정확도까지는 필요하지 않을 것입니다. 그러한 큰 물체 심지어 방 크기의 물체의 경우, 고품질의 휴대용 구조화 광 3D 스캐너는 어렵지 않게 작업을 수행할 수 있습니다.

속도 및 휴대성

작업 흐름에 사람 또는 어떤 동물을 디지털 방식으로 캡처하는 작업이 들어 있는 경우, 빠르게 스캔하는 솔루션이 필요합니다. 그렇지 않으면 물체가 움직일 때 스캔이 잘못 정렬되기 쉽고 스캔 후 수정 작업이 지루해질 수 있습니다. 이 경우, 관심 있는 스캐너의 FPS(초당 프레임 수) 캡처 속도를 확인해야 합니다. 움직이지 않을 것이 확실한 물체로 작업하지 않는 한 높을수록 좋습니다.

빠른 속도, 최고의 휴대성 및 확고한 정확도를 위해 설계된 3D 스캐너의 한 예로 최대 80FPS의 프레임 속도와 초당 3,500만 포인트의 빠른 데이터 수집 속도를 자랑하는 무선 휴대용 Artec Leo, 가 있습니다.

Structured light 3D scanning

구조화 광 3D 스캐닝 솔루션을 평가하려면 작업할 물체와 아주 동일한 유형의 물체를 캡처하려는 스캐너를 직접 사용하는 것을 볼 수 있는 시연을 보는 것이 현명합니다. 직접 해 보면 더욱더 좋습니다! 결과물로 얻은 스캔을 처리하는 것뿐만 아니라 물체를 설치하고 스캔하는 것이 얼마나 쉬운지(또는 어려운지) 주의 깊게 살펴보십시오.

다른 기술 대비 구조화 광의 이점

구조화 광 3D 스캐너가 수년 동안 전 세계적으로 수천 명의 사용자가 선택한 기술인 데에는 그만한 이유가 있습니다. 사실 그 이유는 많습니다. 여기서는 이러한 이점이 가장 큰 영향을 미친 몇 가지 영역과 아울러 가장 널리 알려진 강점을 다룰 것입니다.

비접촉 수많은 종류의 물체의 경우, 접촉식 측정(CMM) 또는 표적을 사용한 사진 측량에 필요한 취급 정도는 단순히 옵션이 아닙니다. 예를 들어, 독특한 고고학적 표본이나 박물관 유물 또는 개인 소장품의 가치가 높은 품목으로 작업하는 경우입니다.

구조화 광을 사용하면 대부분의 경우 접촉이 거의 또는 전혀 필요하지 않은 상태에서 이러한 물체 전체를 1mm 이하의 정확도로 캡처할 수 있습니다. 포렌식 및 고고학에만 신경 쓰고 대부분의 물체를 발견된 그대로 그 자리에서 스캔하면 됩니다. 이렇게 하면 물체와 주변 현장의 무결성을 보존할 수 있기 때문입니다. 이로 인해 접촉으로 인한 손상 위험은 아주 미미하게 있더라도 최소한으로 줄어듭니다.

빠른 속도 완료해야 할 긴급한 프로젝트가 있는 경우, 도구로 인해 작업 속도가 늦춰지는 것은 아주 바람직하지 않습니다. 전통적인 사진 측량, CMM 기계 또는 수동 측정 도구를 사용하면 하루 종일 걸릴 수 있는 작업을 구조화 광 3D 스캐너로 단 1~2시간 만에 완료할 수 있는 경우가 많습니다.

Structured light 3D scanning

위에서 간략히 언급한 바와 같이 고속 솔루션을 사용하는 것이 중요한 또 다른 이유는 일부 스캔할 대상, 예를 들어 사람들은 1~2초 이상 가만히 있지 않는 경향이 있기 때문이다. 그리고 이런 일이 생기면 앞서 언급한 정렬 불량 가능성 외에도 스캔하는 물체의 캡처한 모양도 바뀌어 실망스러운 결과가 나올 수 있습니다.

뛰어난 정확도 캘리퍼스와 자와 같은 전통적인 측정 방법 또는 심지어 CMM 기계와 달리 3D 스캐닝 작업 흐름을 강화해 주는 구조화 광을 사용하면 표면의 개별 포인트 및 선형 스트레치뿐만 아니라 전체 물체 또는 현장을 캡처할 수 있습니다.

실제 세계에서 우리가 작업하는 제품, 부품 및 기타 유형의 물체는 일반적으로 측정을 위해 선택되는 몇몇 선택 지점 사이에 수많은 표면과 수백만 개의 있을 수 있는 데이터 지점으로 구성됩니다. 즉, 구조화 광을 사용한 3D 스캐닝을 사용하면 1mm 이하 정확도로 모든 것을 캡처하여 물체나 현장에 대한 포괄적인 고정밀 디지털 기록을 얻을 수 있습니다.

사람들에게 전적으로 안전 구조화 광은 수년 동안 의료 산업의 여러 영역에 걸쳐 널리 사용되었습니다. 구조화 광은 병원, 학교, 기업 또는 다른 곳에서 아주 어린아이부터 아주 허약한 노인에 대해 광범위하게 테스트되고 의학적으로 승인되었습니다.

Structured light 3D scanning

물체의 표면과 내부 형상을 캡처하기 위해 방사선을 사용하는 CT 스캐너와 달리 구조화 광은 위험하지 않고 효과적인 스캐닝 기술로 확실하게 선택을 할 수 있는 입증된 기록을 가지고 있습니다.

구조화 광 3D 스캐닝 및 두 가지 유형의 사진 측량

CGI 및 예술 작품의 사진 측량에는 전용 3D 스캐너가 필요하지 않으며 분명히 텍스처가 인상적인 3D 모델을 만드는 데 사용할 수 있지만, 단점이 없는 것은 아니며, 가장 분명한 것은 정확도가 높지 않다는 것입니다.

다음 섹션에서 살펴보겠지만 계측 등급 성능의 정확도가 필요한 프로젝트에서 사용할 수 있는 또 다른 유형의 사진 측량 솔루션이 있습니다. 그러나 이 섹션의 나머지 부분에서는 위에서 소개한 바와 같이 CGI 팀과 3D 모델러 사이에서 널리 사용되는 기존의 사진 측량에 중점을 둘 것입니다.

앞서 언급한 바와 같이 CGI 사진 측량의 느리고 길어진 캡처 세션으로 인해 사람들을 캡처하는 데 거의 사용되지 않으며, 스캔할 때 조금이라도 움직이면 모델의 최종 정확도 및 정렬에 상당한 영향을 미칩니다.

시간에 민감한 프로젝트에도 사진 측량을 사용할 수 없습니다. 이것은 제조를 위한 대부분 다양한 품질 검사와 관련이 있으며, 신뢰할 수 있고 정확한 결과를 몇 분 안에 제공하는 것이 공급망 병목 현상을 피하는 데 중요한 구성 요소입니다.

게다가 이러한 유형의 사진 측량은 수천은 아니더라도 수백 개에 달할 수 있는 모든 이미지를 처리하기 위해 강력한 컴퓨터가 필요할 수 있습니다.

예술적 사진 측량의 또 다른 문제는 피드백 지연입니다. 본질적으로 이미지를 처리하기 전까지는 물체를 완전히 캡처했는지 여부를 알 수 없습니다. 그리고 그때쯤이면 너무 늦을 수 있습니다.

이것에 대한 적절한 실례는 탐험 중에 또는 멀리 떨어진 발굴 현장에서 발굴된 유물과 화석을 원래 있던 곳에서 가져갈 수 없거나 가져가서도 안 되는 고고학 분야에서 볼 수 있습니다.

계측 시너지 효과: 3D 스캐닝 + 계측 사진 측량

계측 시장 등에서 풍파를 일으키는 최신 디지털 캡처 솔루션 중 하나는 3D 스캐닝 작업 흐름에서 사용할 수 있는 특수 사진 측량 키트인 DPA 사진 측량측량입니다. CGI 사진 측량과 달리 이 솔루션은 믿을 수 없을 정도로 정확하며 산더미 같은 사진을 연결하기 위해 시간 단위로 처리할 필요가 없습니다.

Structured light 3D scanning

3D 스캐닝과 시너지 효과를 발휘할 때 DPA 사진 측량은 프로세스 초기에만 사용되어 물체나 현장의 정확한 물리적 치수를 캡처한 다음 매우 정확한(최대 10미크론) 포인트 클라우드 형태로 3D 스캐닝 소프트웨어에 전달됩니다.

거기에서 방금 사진으로 캡처한 것을 3D 스캔하고 스캐너에서 결과물로 나온 3D 다각형 메시를 사진 측량 포인트 클라우드와 병합하면, 후속 3D 모델은 광범위한 스펙트럼에 이상적인 탁월한 수준의 정확도와 해상도를 갖게 됩니다.

구조화 광 3D 스캐닝의 인기 있는 응용 분야

구형 부품 및 어셈블리 리버스 엔지니어링

오늘날 많은 기업이 오래된 장비를 수리하거나 교체해야 하는 상황에 있지만, 원래의 제조업체가 더는 이러한 제품을 공급하지 않거나 아예 폐업한 경우가 많습니다. 이런 경우, 구조화 광 3D 스캐닝 솔루션을 통해 이러한 부품을 직접 다시 제작하면 엄청난 노동 시간은 말할 것도 없고 막대한 비용을 잠재적으로 절약할 수 있습니다. CAD에서 이러한 부품을 수작업으로 측정하고 힘들게 그리는 데 필요한 시간과 전문 지식을 고려할 때 휴대용 3D 스캐너는 매우 가치가 있습니다.

고고학적, 문화적 및 역사적 유물의 기록

Structured light 3D scanning

전 세계의 박물관과 연구원을 위해 구조화 광 3D 스캐너를 통해 매우 귀중한 물체인 유물과 화석을 위험에 빠뜨리지 않고 모든 표면 디테일을 캡처할 수 있습니다. 선사시대 석기,중세 성곽 또는 고대 인간 조상의 두 두개골에 대한한 치도 틀리지 않는 정확한 디지털 기록 복제본을 만들어야 할 수도 있습니다. 그럼에도 불구하고 손상을 방지하려면 이러한 물체를 최소한으로 취급해야 합니다.

초현실적인 풀컬러 CGI 및 특수효과 제작

영화, 텔레비전 및 게임을 위한 실제와 같은 컴퓨터 그래픽을 생성하기 위해 구조화 광 3D 스캐닝을 사용하는 것은 이제 업계 표준이 되었습니다. 또한 Artec Leo와 같은 휴대용 휴대용 3D 스캐너를 사용하면 촬영장이나 스튜디오를 방문하고, 스캔 후 몇 분 만에 배우의 디지털 대역, 소품, 심지어 전체 현장을 스캔, 처리 및 배포할 수 있습니다.

완벽하게 맞는 옷을 위한 신체 측정

Structured light 3D scanning

인체를 정확히 측정하고자 할 때 줄자는 한계가 있습니다. 여기서 구조화 광 3D 스캐닝이 이전의 아날로그 측정 방법을 훨씬 능가합니다. 특히 방해가 되는 전선이나 케이블이 없는 빠른 휴대용 3D 스캐너를 사용하면 몇 분 만에 모든 각도에서 디지털 방식으로 캡처하면서 사람 주위를 쉽게 이동할 수 있습니다. 그렇게 하면 아무리 꼼꼼한 재단사라도 부러워할 만한 정확한 치수를 얻게 될 것입니다.

제조 라인의 광학 측정 및 검사

Structured light 3D scanning

많은 제조업체가 제품을 검사할 때 갖는 본질적인 관심사 중 하나는 그 과정에서 제품을 손상하지 않으면서 물리적 구조의 편차를 정확하게 감지하고 정량화할 수 있어야 한다는 것입니다. 캘리퍼스, 마이크로미터, 심지어 CMM 기계와 같은 물리적 측정 솔루션과 달리 3D 스캐너를 사용하면 어떻게든 표면에 흠집이 나거나 긁히거나 변형될 가능성이 없습니다. 또한 3D 스캐닝 소프트웨어를 사용하면 존재하는 제조 편차를 1mm 이하까지 정확하게 시각적으로 확인할 수 있습니다.

구조화 광 스캐너의 잠재적 약점

새로운 기술에 대한 결정을 내리기 전에 상대적인 강점과 있을 수 있는 단점을 함께 이해하는 것이 중요합니다. 이와 관련하여 구조화 광은 단점보다 훨씬 더 많은 강점을 가지고 있습니다. 그럼에도 불구하고 여기 특정 구조화 광 3D 스캐너의 한계를 테스트할 수 있는 몇 가지 조건이 있습니다.

스캐닝 중 물체의 과도한 움직임

휴대용 구조화 광 3D 스캐너로 물체를 캡처할 때는 스캔 중인 물체가 정지해 있거나 턴테이블에서 회전할 때와 같이 제어된 방식으로 움직이도록 해야 합니다.

Structured light 3D scanning

모든 3D 스캐너는 적든 많든 이러한 단점에 직면하지만 결과는 스캐너의 FPS 캡처 속도에 크게 좌우됩니다. 예를 들어, 물체나 스캐너의 움직임이 과도할 경우, 스캐너가 추적을 잃을 수 있습니다. 그러나 FPS가 매우 높은 구조화 광 스캐너의 경우, 이는 문제가 되지 않을 것입니다.

3D 스캐너 및 사진 측량으로 캡처하기 어려운 표면

3D 스캐너와 CGI 사진 측량으로 캡처하기 어려운 여러 유형의 표면이 있습니다. 그렇다고 그러한 표면을 스캔하는 것이 불가능하다는 의미는 아닙니다. 적절하게 준비하고 고품질 3D 스캐너를 사용하면 디지털 성공 가능성을 크게 높일 수 있습니다.

매우 어두운 표면: 이러한 종류의 표면은 흔하지 않지만 존재하며 구조화 광을 충분히 흡수할 수 있으므로 패턴이 스캐너의 카메라에 제대로 반사되지 않습니다. 사용자가 소프트웨어에서 감도 설정을 조정할 수 있는 스캐너를 사용하는 경우 스캔 미리 보기 중에 표면이 스캐너에 명확하게 보일 때까지 스캐너의 감도를 높이십시오.

반사율이 높은 표면(예: 크롬 또는 기타 반짝이는 금속): 구조화 광이 이러한 표면에 닿으면 예측할 수 없는 방향으로 반사될 수 있으므로 스캐너의 카메라가 왜곡된 빛 패턴의 정확한 이미지를 적절하게 캡처하는 것이 기술적으로 불가능해집니다. 물체로부터 다양한 각도와 거리에서 스캔을 실험해 보십시오. 때로는 스캐너 위치를 변경하고 각도를 조정하여 물체에 수직으로 스캔하지 않도록 합니다. 이렇게 하면 구조화 광은 카메라로 바로 반사되기보다는 점진적으로 분산될 수 있습니다.

유리 같거나 투명하거나 반투명한 표면: t스캐너의 구조화 광이 재료를 통과하거나 스캐너를 통과하는 동안 확산될 경우, 카메라로 되돌아가서 실제 표면 형상을 정합할 수 없습니다. 이러한 표면이 구조화 광을 흡수 및/또는 확산시키는 대신 적절하게 반사하도록 만들 수 있는 다양한 옵션이 있습니다. DIY 접근법에는 스캔할 물체에 옥수수 전분이나 베이비파우더를 뿌리는 것이 포함될 수 있습니다. 또한 몇 분에서 몇 시간 후에 사라지는 고품질 무광택 스프레이가 있습니다.

털이 많은 표면: 구조화 광이 이러한 종류의 재료에 닿으면 빛이 여러 방향으로 반사될 수 있으며, 스캐너의 카메라는 일반적으로 물체의 실제 표면 형상을 구별할 수 있는 빛 패턴을 충분히 캡처할 수 없습니다. 어두운 표면과 마찬가지로 스캐너에 소프트웨어의 감도 설정 기능이 있는 경우, 스캐너가 머리카락의 미묘한 형상을 감지할 수 있도록 매우 높게 설정할 수 있습니다. 그리고 머리를 스캔하는 경우, 스캐너를 머리의 정수리 쪽으로 위쪽으로 그리고 위쪽에서 반대쪽으로 움직이면서 "귀에서 귀로" 스캔해야 합니다. 또한 스캐너의 시야에서 목과 어깨를 최대한 유지하면 스캐닝 소프트웨어가 이러한 기능을 참조로 추적할 수 있습니다.

Structured light 3D scanning

매우 얇은 물체(또는 물체의 부분): 이 모든 것은 구조화 광으로 조명하고 스캐너의 카메라에 충분한 양으로 다시 반사할 수 있는 표면 영역이 충분하지 않기 때문입니다. 예를 들어, 스캐너가 물체의 얇은 가장자리를 캡처하려고 할 때 나타나는 표면 영역의 폭이 몇 밀리미터(또는 그 이하)에 불과할 수 있습니다. 많은 경우 이 장애물은 스캐너의 시야에 컬러풀하거나 패턴이 있는 배경을 포함함으로써 극복할 수 있습니다. 이것은 스캔 중인 얇은 물체/표면 바로 뒤에 텍스트 및/또는 형상 모양과 패턴이 있는 종이 한 장을 두는 것처럼 간단할 수 있습니다.

오목한 표면 및 깊은 언더컷: 스캐너의 성능과 관계없이 휴대용 스캐너를 사용하여 이러한 영역에 도달하는 것이 더 쉽습니다. 구조화 광이 캡처 중인 물체나 현장의 부분이나 일부에 도달하지 못하고 스캐너의 카메라로 되돌아오면 스캐너는 단순히 그것을 "볼” 수 없습니다. 즉, 그것은 캡처되지 않습니다. 일부 스캐너는 이점에서 다른 스캐너보다 더 좋습니다. 또한 이러한 종류의 도달하기 어려운 표면에 가장 효과적인 솔루션 중 하나는 스캔에서 다양한 부분적 특징을 시각적으로 인식하고 이러한 표면을 고해상도 컬러 3D로 디지털 방식으로 재구성하는 AI 기반 스캐닝 소프트웨어입니다.

Structured light 3D scanning

결론

위의 개요에서 분명히 알 수 있듯이, 오늘날 구조화 광 3D 스캐닝 기술은 그 어느 때보다 다양한 크기와 복잡성의 물체와 현장을 캡처하기 위한 빠르고, 사용하기 쉽고, 정확하고, 효과적인 접근 방식을 제공합니다. 전 세계의 학교와 대학이 3D 스캐닝 솔루션을 점점 더 많이 채택함에 따라 교육뿐만 아니라 제조, 포렌식, 의료, 연구 등 모든 종류의 산업 전반에 걸쳐 미래가 밝아 보입니다.

목차
글:
matthew-mcmillion

Matthew McMillion

기술 기자