[논문]FDM 3D 프린팅을 위한 Perlin 노이즈 기반 사전 시각화 기법

임재광; 장승호; 홍정모

doi:10.7315/cde.2016.224

[국내논문] FDM 3D 프린팅을 위한 Perlin 노이즈 기반 사전 시각화 기법
A Pre-Visualization Method for FDM 3D Printing Based on Perlin Noise 원문보기

한국CDE학회논문집 = Korean Journal of Computational Design and Engineering, v.21 no.3, 2016년, pp.224 - 233

임재광 (동국대학교 컴퓨터공학과) , 장승호 (동국대학교 컴퓨터공학과) , 홍정모 (동국대학교 컴퓨터공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a new method to visualize 3D models for FDM (Fused Deposition. Modeling) printing that appearance of the printed results can be predicted more realistically as that the efficiency of the modeling-printing process can be improved. The layered nature of horizontal slicing and the vibratory nozzle movements of customer-level FDM 3D printers leaving the characteristic patterns of noisy stripes on the surfaces of printed objects make difficulties in prediction of printed result in company with the thermal contraction of filament material. First, our method analyses the G-codes generated by common slicers to obtain proper outlines and take advantages of a modified version of Perlin noise based texturing method for rendering efficiency and enough number of control parameters on the visual details. The results show improved rendering details of pre-visualization of FDM printing.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 시각화 기법은 본래 3D 모델과 G-Code 분석으로 만들어진 텍스쳐를 이용하여 시각화가 이루어지기 때문에 실시간으로 결과를 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 기술의 활용도를 증명하고 개선하기 위해 WebGL을 기반으로 웹 환경에서 모든 예제들을 렌더링하였다.
3D 프린터의 노즐이 어떻게 움직여야 하는지를 명령하는 G-Code를 시각화하는 프로그램은 존재하지만 프린터 노즐의 경로를 확인하는 것만으로는 출력물 표면의 상세한 모습을 예측하기는 어렵다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하고자 G-Code를 분석하고 이를 3D 모델에 적용하여 보다 사실적으로 시각화하는 기법을 소개하고자 한다(3장).
개인용 3D 프린터는 산업용 3D 프린터에 비해 정밀하지 못하며 더 많은 진동을 발생하기 때문에 출력물 표면에 특유의 불규칙한 적층 패턴이 나타나는 것이 특징이다. 따라서 본 논문에서는 출력물 표면 품질에 영향을 주는 FDM 3D 프린터의 특성과 이를 효율적으로 가시화 하는데 필요한 텍스쳐링 기술들을 소개하고(2장) 이를 응용하여 고유의 적층 패턴을 생성해 보도록 하겠다. 그리고 실제 3D 프린터로 출력된 결과와 시각화된 결과를 비교하여 얼마나 흡사한지 알아보도록 하겠다(4장).
하지만 많은 수의 G-Code 경로를 이용하여 3D 모델의 출력 결과를 시각화하는 방법은 많은 컴퓨터 자원과 소요시간을 요구할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 텍스쳐 기술을 적용하여 실시간 응용 프로그램에서 사용가능한 시각화 기술을 소개한다. 이 시각화 기법은 본래 3D 모델과 G-Code 분석으로 만들어진 텍스쳐를 이용하여 시각화가 이루어지기 때문에 실시간으로 결과를 확인할 수 있다.
본 논문에서는 모델파일과 G-Code를 분석하여 해당 모델의 3D 프린팅된 결과를 시각화하는 시스템을 구현하였다. 모델의 G-Code 생성을 하기 위해서 Cura 슬라이서를 사용하였으며, 모든 예제의 출력물은 ALMOND 3D 프린터^[22] 제품을 사용하였다.
이 논문은 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 정보통신·방송 연구개발사업의 일환으로 수행하였음(R-20150217-000045, IoT 디바이스를 지원하는 HTML5 기반의 실감미디어 서비스 프레임워크기술 개발).

제안 방법

이러한 특징을 반영하기 위해 우리는 2차원 형태의 격자로부터 Perlin 노이즈를 계산하기로 했다. 2차원의 벡터장을 구성하고, 3D 프린터가 경로 세그먼트를 적층하듯이 격자의 각 행에 경로 세그먼트를 배치하였다. 그러면 노이즈를 계산하는 과정에서 보간을 통하여 각 층의 경로가 간접적으로 영향을 받게 되어 적층 패턴을 나타내게 된다.
모델의 외곽 근처에 인접하는 경로를 찾기 위하여 GCode에서 G00와 G01명령을 파싱(Parsing)하였고 각각 명령에서 위치 값을 추출하여 경로 세그먼트들을 계산하였다. 그리고 각각의 경로 세그먼트들이 외곽선에 해당하는지를 확인하기 위하여 모델을 구성하고 있는 메쉬와 교차 판별을 하였다. 메쉬의 양이 크면 교차 판별에 많은 부담이 되므로, 본 논문에서는 메쉬 정보를 사전에 몇 개의 레이어로 나눠서 관리하였다.
따라서 본 논문에서는 출력물 표면 품질에 영향을 주는 FDM 3D 프린터의 특성과 이를 효율적으로 가시화 하는데 필요한 텍스쳐링 기술들을 소개하고(2장) 이를 응용하여 고유의 적층 패턴을 생성해 보도록 하겠다. 그리고 실제 3D 프린터로 출력된 결과와 시각화된 결과를 비교하여 얼마나 흡사한지 알아보도록 하겠다(4장). 마지막으로 본 연구의 결론과 한계 그리고 개선사항에 대해 알아보도록 한다(5장).
일반적으로 G-Code는 많은 경로 데이터로 구성이 되어 있기 때문에 그 경로들을 기하학적으로 표현하기에는 다소 무리가 따르며 다른 프로그램에 응용하기에도 효율적이지 못하다. 따라서 본 논문에서는 실시간 응용을 위하여 G-Code의 경로들을 텍스쳐로 반영하여 시각화하였다. 이미 많은 연구에서 텍스쳐를 활용해 다양한 시각적 효과를 보여 주고 있다.
추가적인 텍스쳐링과 쉐이딩 기술이 적용된다면 이런 문제를 해결 할 수 있을 것이라 된다. 또한 본 논문에서 사용된 Perlin 노이즈 기법은 3D 프린팅의 불규칙한 패턴을 시각화하기 위해 적용되었고 노이즈 값을 계산하는 과정에서 3D 프린터 하드웨어의 정량적 특성(모터의 회전 수 노즐의 온도 등)은 고려되지 않았다. 이런 특성을 고려하여 노이즈 값을 계산한다면 지금보다 더 정밀한 시각화 결과가 나올 것으로 기대된다.
9에서는 실제 3D 프린팅된 물체와 시각화 기법을 통해 구성된 결과물을 비교하였다. 또한 출력물의 레이어 수와 각각의 시각화에 소요된 시간을 기록하였다. 일반적으로 레이어의 수에 비례하여 시각화 시간은 증가 하며 본 논문의 시각화 기법은 Intel CPU E5-2697 환경에서 단일 쓰레드만으로 10개의 레이어를 처리하는데 대략 0.
그리고 각각의 경로 세그먼트들이 외곽선에 해당하는지를 확인하기 위하여 모델을 구성하고 있는 메쉬와 교차 판별을 하였다. 메쉬의 양이 크면 교차 판별에 많은 부담이 되므로, 본 논문에서는 메쉬 정보를 사전에 몇 개의 레이어로 나눠서 관리하였다. 따라서 각 레이어에 해당하는 경로 세그먼트와 메쉬만 교차 판별을 함으로써 효율성을 높였다.
그림에서 보이는 바와 같이 모델의 외곽 근처 외에 존재하는 경로가 다수 존재하기 때문에 우리는 G-Code 분석을 통해 외곽에 해당하는 경로를 분류해야 한다. 모델의 외곽 근처에 인접하는 경로를 찾기 위하여 GCode에서 G00와 G01명령을 파싱(Parsing)하였고 각각 명령에서 위치 값을 추출하여 경로 세그먼트들을 계산하였다. 그리고 각각의 경로 세그먼트들이 외곽선에 해당하는지를 확인하기 위하여 모델을 구성하고 있는 메쉬와 교차 판별을 하였다.
본 논문에서 제안하는 시각화 기법은 3D 모델 데이터와 G-Code를 분석하여 텍스쳐를 생성하고 3D 프린팅 결과를 렌더링한다. Fig.
본 연구에서는 G-Code에서 경로의 위치 값만을 추출하였고 텍스쳐를 생성하여 출력물을 시각화하였다. 따라서 3D 프린터의 여러 가지 옵션(속도, 사출량 등)에 따른 변화를 반영하지는 못했다.
실제 출력물과 비슷한 가로줄 무늬의 패턴을 구현하기 위해 우리는 경로 세그먼트들에 저장된 노이즈 값을 한쪽 방향으로 전파하였다. 식 (1)와 같이 각 레이어 l 별로 n − 1번째 경로 세그먼트의 노이즈 #을 가중치 α에 따라 #으로 전파하였다.
우리는 실시간 고속처리를 위하여 G-Code 경로를 직접 렌더링하지 않고 텍스쳐를 생성했다. 때문에 서포터(Supporter)의 형태를 시각화 할 수는 없었으므로 정확하게 3D 프린팅 결과를 시각화하기 위해선 서포터 경로까지 고려되어야 한다.
노말 맵(NormalMap)기술은 범프 맵핑과 비슷하나 높이 값 대신 노말 값을 직접 텍스쳐에 저장한다는 차이점이 있다^[18]. 우리는 이러한 텍스쳐 기술들을 이용하여 효율적으로 3D 프린팅 결과를 시각화 할 수 있었고 웹 환경에서도 실시간 렌더링이 가능하도록 하였다.
2처럼 출력물의 표면은 완벽하게 매끄럽지 못하며 각층마다 미세한 틈이 발생하게 된다. 우리는 이러한 형태를 Bump Map으로 표현하여 3D모델에 적용하였다.
4와 같이 그 선을 일직선을 펼쳐서 격자 각각의 행에 매칭하여 배치하였다고 가정해 보자. 이때 각각의 레이어에 존재하는 총 경로의 길이는 모두 다르기 때문에 가장 긴 총 경로의 길이를 기준으로 벡터장의 가로 길이에 맞게 각 경로의 길이를 조절하여 배치하였다. 그런 다음 경로 세그먼트 별로 경로의 벡터를 격자에 투영하여 Gradient 벡터장을 얻어낸다.
3D 프린팅 결과물의 시각적인 특징은 모델의 외곽선 근처를 지나가는 G-Code 경로에 의해 결정된다. 이러한 사실을 고려하여 본 연구에서는 메쉬 표면 근처에 존재하는 G-Code 경로들을 모델의 텍스쳐에 반영하여 3D 프린팅 결과를 시각화 하였다. 3D 프린터는 필라멘트를 녹여 한층 한층 적층하는 방식으로 물체를 완성해 간다.
단 3D 프린팅 과정에서는 여러 개의 선을 적층하여 물체를 완성하기 때문에 적층 패턴을 보이게 되는 특징이 있다. 이러한 특징을 반영하기 위해 우리는 2차원 형태의 격자로부터 Perlin 노이즈를 계산하기로 했다. 2차원의 벡터장을 구성하고, 3D 프린터가 경로 세그먼트를 적층하듯이 격자의 각 행에 경로 세그먼트를 배치하였다.
앞서 설명한 바와 같이 Perlin 노이즈는 일반적으로 무작위로 생성된 값으로 Gradient 벡터장을 생성한다. 하지만 본 논문에서는 G-Code 데이터를 노이즈 생성에 반영하기 위하여 추출된 세그먼트들을 사용하여 2차원 Gradient 벡터장을 구성하였고 G-Code의 레이어 수에 맞춰 벡터장의 가로와 세로 해상도를 설정하였다. 앞서 모델의 외곽선에 인접하는 경로 세그먼트들이 추출되었다면 층별로 모델을 두르고 있는 선의 형태를 생각해 볼 수 있다.

데이터처리

이와 같이 우리는 Gaussian kernel을 사용하여 단순한 형태의 G-Code 경로를 텍스쳐에 반영하였고 Perlin 노이즈를 이용한 시각화 기법과 비교하였다. Fig.

이론/모형

모델의 G-Code 생성을 하기 위해서 Cura 슬라이서를 사용하였으며, 모든 예제의 출력물은 ALMOND 3D 프린터^[22] 제품을 사용하였다. 또한 시각화된 결과물들은 응용프로그램으로 쉽게 확장 할 수 있도록 하기 위해서 WebGL 기반의 Three.js^[23]를 통해 렌더링 되었다.
본 논문에서는 모델파일과 G-Code를 분석하여 해당 모델의 3D 프린팅된 결과를 시각화하는 시스템을 구현하였다. 모델의 G-Code 생성을 하기 위해서 Cura 슬라이서를 사용하였으며, 모든 예제의 출력물은 ALMOND 3D 프린터^[22] 제품을 사용하였다. 또한 시각화된 결과물들은 응용프로그램으로 쉽게 확장 할 수 있도록 하기 위해서 WebGL 기반의 Three.
Perlin 노이즈는 주로 2차원이나 3차원 형태로 사용되지만 1차원에서도 적용되어 횡스크롤(Side-Scrolling)지형이나 필기체 모양의 라인(Handwritten Line)을 생성하는 등 다양하게 활용되고 있다. 본 연구에서도 3D 프린팅의 불규칙한 패턴을 표현하고자 Perlin 노이즈 기법을 사용하였고 Gradient 벡터장을 구성하기 위해 G-Code의 경로 벡터를 활용하였다.
이러한 요인에서 3D 프린팅 결과를 보다 정확하게 예측하기 위하여 표면의 패턴을 미리 시각화할 필요가 있다. 진동에 의해 생성된 패턴은 예측 불가한 노이즈라고 할 수 있으므로 우리는 많이 사용되고 있는 Perlin 노이즈 기법을 적용하여 모델의 텍스쳐를 생성하였다.

성능/효과

메쉬의 양이 크면 교차 판별에 많은 부담이 되므로, 본 논문에서는 메쉬 정보를 사전에 몇 개의 레이어로 나눠서 관리하였다. 따라서 각 레이어에 해당하는 경로 세그먼트와 메쉬만 교차 판별을 함으로써 효율성을 높였다.
또한 출력물의 레이어 수와 각각의 시각화에 소요된 시간을 기록하였다. 일반적으로 레이어의 수에 비례하여 시각화 시간은 증가 하며 본 논문의 시각화 기법은 Intel CPU E5-2697 환경에서 단일 쓰레드만으로 10개의 레이어를 처리하는데 대략 0.7초 정도의 시간을 소요했다. 우리의 시각화 기법은 Gaussian kernel을 사용한 경우 보다는 25% 정도의 성능저하를 보인다.
우리의 시각화 기법은 Gaussian kernel을 사용한 경우 보다는 25% 정도의 성능저하를 보인다. 하지만 여러 도형 모델들을 통해 비교해 보았을 때, Gaussian kernel을 사용한 경우 보다 본 논문의 시각화 기법이 보다 더 실제 출력물과 가까운 결과를 보여준다.

후속연구

또한 모델 표면에 인접한 경로를 계산하기 위하여 G-Code파일을 파싱하고 분석하는 과정이 요구되고 있지만 이는 슬라이싱 과정에서 쉽게 처리 될 수 있을 것이라 생각된다. 따라서 본 논문의 시각화 기법을 슬라이서에 응용한다면, 슬라이싱하는 과정에서 3D모델의 출력 결과를 미리 보기 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 본 논문에서 사용된 Perlin 노이즈 기법은 3D 프린팅의 불규칙한 패턴을 시각화하기 위해 적용되었고 노이즈 값을 계산하는 과정에서 3D 프린터 하드웨어의 정량적 특성(모터의 회전 수 노즐의 온도 등)은 고려되지 않았다. 이런 특성을 고려하여 노이즈 값을 계산한다면 지금보다 더 정밀한 시각화 결과가 나올 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FDM 방식의 개인용 3D 프린터의 한계는 무엇인가?	최근 등장한 개인용 3D 프린터는 주로 FDM 방식을 따르고 있으며 이미 여러 제품이 출시되어 3D 프린팅의 대중화를 이끌고 있다. FDM 방식의 개인용 3D 프린터는 점점 발전하고 있지만 아직 상업용 3D 프린터만큼의 안정성을 갖추지는 못했다. 출력 도중에 출력물이 베드에 고정에 되지 않고 이탈하는 경우도 발생하며 외부 충격이나 3D프린터 자체 진동에 의해 예상과는 다른 출력물이 나오기도 한다. 따라서 대부분의 FDM 방식의 3D프린터의 출력물들은 모터에서 발생되는 진동과 노즐(Nozzle)에서 발생하는 열 그리고 온도 차에 의한 재료 수축 등으로 인해 불규칙한 가로줄 무늬 패턴의 표면을 갖는다.
	개인용 3D 프린터의 특징은 무엇인가?	개인용 3D 프린터는 산업용 3D 프린터에 비해 정밀하지 못하며 더 많은 진동을 발생하기 때문에 출력물 표면에 특유의 불규칙한 적층 패턴이 나타나는 것이 특징이다. 따라서 본 논문에서는 출력물 표면 품질에 영향을 주는 FDM 3D 프린터의 특성과 이를 효율적으로 가시화 하는데 필요한 텍스쳐링 기술들을 소개하고(2장) 이를 응용하여 고유의 적층 패턴을 생성해 보도록 하겠다.
	3D 프린터의 시초는 어디인가?	3D 프린터는 본래 기업에서 어떤 물건을 제품화하기 전에 시제품을 제작하기 위한 용도로 개발되었다. 1980년대 초반에 미국의 3D 시스템즈사(3D Systems)에서 플라스틱 액체를 굳혀 입체 물건을 만드는 프린터를 세계 최초로 개발하였다. 그 후 플라스틱 소재에 국한되었던 초기 단계에서 발전하여 나일론과 금속 소재로 범위가 확장 되었고, 산업용 3D 프린터뿐만 아니라 개인용 3D 프린터까지 등장하게 되었다.

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상세보기
ALMOND 3D Printer, http://opencreators.net/
three.js documentation, http://threejs.org/docs/

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