[논문]포토 스캐닝 기술을 기반으로 한 3D 모델링 제품디자인 프로세스에 관한 연구

이준상

doi:10.6109/jkiice.2018.22.11.1505

포토 스캐닝 기술을 기반으로 한 3D 모델링 제품디자인 프로세스에 관한 연구
3D Modeling Product Design Process Based on Photo Scanning Technology 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.22 no.11, 2018년, pp.1505 - 1510

이준상 (Department of Product Design Engineering Dong-Eui University)

초록
AI-Helper

그래픽스 분야의 제품모델링 제작기술은 급속하게 발전하고 있고 3차원 데이터 응용과 활용성은 계속 증가하고 있다. 제품디자인 제작에 있어 3차원 모델링 제작에는 많은 시간이 소요된다. 최근 역설계 방식은 3D 데이터의 응용과 제작시간단축으로 활용성이 크다. 본 연구는 영상데이터 기반으로 포토메트리를 이용하여 3차원 포인트 클라우드 및 메쉬 데이터를 추출하고 이를 응용하여 제품의 1차 시안을 제작한다. 디자인 수정에 중점을 두어 2차 시안이 제작되었으며 3차 시제품 제작을 위한 3D 프린팅 작업을 진행한다. 이러한 제품디자인 제작과정에서 영상데이터의 활용과 가능성 및 3D 모델링 제작시간의 단축, 효율적인 프로세스를 제시한다. 또한 제품디자인 환경변화에 대응하기 위한 신제품 개발 프로세스 시스템의 모델을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Product modeling technology for graphics is rapidly developing. And 3D data application and usability are increasing.modeling of product design is a very important factor in constructing. 3D modeling in product design takes a lot of production time. Recently, the reverse design method is very useful because of application of 3D data and shortening of production time. In this study, first, 3D point cloud and mesh data are generated using photographs based on image data. The second is to modify the design and the third is to make the prototype with the 3D printer. This product design and production process suggests the utilization and possibility of image data, the shortening of 3D modeling production time and efficient processes. Also, the product design process proposes a model of a new product development system to adapt to the production environment.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Product Design Process
그림 Fig. 2 3D scan work fiow
그림 Fig. 3 Contact type and Noncontact type
그림 Fig. 4 Toy car image
표 Table. 1 Shooting environment
표 Table. 2 camera image data
그림 Fig. 6 Create point cloud
그림 Fig. 5 Camera movement Distance
그림 Fig. 8 Car design
그림 Fig. 7 Mapping process
그림 Fig. 9 Data transformation by drawing
그림 Fig. 10 3D Modeling process
그림 Fig. 11 Convert to G-code
그림 Fig. 12 Toy car printing
그림 Fig. 13 Proposed design process

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 제작 프로세스는 초기의 제품설계에 소요되는 시간을 경제적으로 단축하는데 의미가 있다. 따라서 본 연구는 신제품 개발에 있어 효율적인 제품디자인 프로세스의 방향을 제시하고 디지털 제작환경에 대응하기 위한 제작 시스템 모델을 제안한다.
이 과정에서 모델링 데이터를 생성하는데 프로그램의 숙련도에 따라 제품설계의 정확성 및 디자인이 결정된다. 본 연구는 제작시간의 단축과 리디자인의 설계 데이트를 획득하기 위해 포토스캐닝 기법을 활용하여 리모델링 기법을 제안한다. 첫 번째 기존의 생산된 제품을 바탕으로 영상데이터를 얻는다.
제품디자인 프로세스도 각각의 환경에 따른 경쟁력 있는 차별화 방법이 필요하다. 본 연구에는 포토스캐닝 기술을 활용하여 완구자동차의 실물 모델링 데이터 생성하고 이 데이터를 변형, 추가함으로써 새로운 제품을 디자인 할 수 있는 제작 프로세스를 제안했다. 일반적인 제품디자인의 제작에서는 초기 모델링에 대한 제작시간이 많이 소요된다.
세 번째 수정된 모델링 데이터는 여러 조건과 환경으로 제품디자인을 렌더링하고 3D 프린터를 활용하여 시제품을 제작한다. 제안하는 제작과정은 제작시간 단축의 경제적인 측면과 신제품 개발에 대한 새로운 프로세스 모델을 제시하고자 한다.

제안 방법

생성된 맵 재질과 모델링 데이터는 리디자인의 맵 형성과 데이터의 응용에 활용된다. 3D 모델링 데이터 생성이후 3D MAX에서 다양하게 작업하기 위하여 3ds 파일로 전환하여 export 하였다. 다른 응용소프트웨어를 사용할 경우에는 obj, wrl, stl, fbx, dxf등 다양한 포맷의 데이터로 변환하여 지원한다.
import된 3D 데이터는 3D MAX에서 총 48개의 카메라가 설치되어 있다. 가상카메라를 활용하기 위하여 기존의 촬영된 카메라의 위치 값을 모두 삭제하고 새로운 가상카메라로 셋팅 했다. 또한 리디자인을 위한 기본 도면을 가지고 데이터 변형에 들어간다.
제작프로세스는 영상데이터를 기반으로 포토메트리를 이용하여 3차원 포인트 클라우드 및 메쉬 데이터를 보다 쉽게 생성하여 1차 시안을 제작했다. 데이터의 변형과 리디자인 수정에 중점을 두어 2차 시안을 제작하고 제품의 검증을 위해서 3D프린팅 작업을 하여 3차 시제품을 제작했다. 이러한 제작 프로세스는 초기의 제품설계에 소요되는 시간을 경제적으로 단축하는데 의미가 있다.
8, shuter:100, 해상도 4096×2160 UHD 사이즈로 촬영하였다. 또한 사진의 일정한 간격으로 촬영하기 위해 짐벌 기능이 추가된 카메라를 이용하였다.
이때 폴리곤의 점과 면을 이루는 일정한 간격유지와 점의 추가 및 시그먼트(segment)의 추가는 매우 정교하게 이루어져야 한다. 또한 제품디자인의 품질을 높이기 위해 부분적 노이즈가생성되어 있는 폴리곤 데이터를 정리 및 추가를 반복하여 완성도를 높였다.
촬영에서 48장의 영상데이터를 획득한 후 이를 조합하여 포인트 클라우드 생성 및 메쉬데이터로 변환하여모델링데이터를 획득하고 3D MAX 전문 소프트웨어를 활용하여 리모델링데이터의 대한 활용을 시도하였다. 리모델링 된 데이터는 3D 프린터를 이용하여 시제품을 제작했다. 3D 출력은 FDM 방식을 사용하였다.
포토스캐닝 기술을 적용한 결과 포토스캔에서 리모델링까지 제작시간은 4시간이며 시제품 출력 시간은 12시간 소요되었다. 모델링데이터 획득방식은 영상데이터를 활용하여 기존의 모델링데이터에서 변형 및 추가의 방식으로 리디자인 한다. 장점으로는 초기의 모델링데이터생성에 소요되는 제작시간의 단축이다.
두 번째 기존의 모델링 데이터를 기반으로 새롭게 추가되고 수정된 2차 모델링 데이터를 생성한다. 세 번째 수정된 모델링 데이터는 여러 조건과 환경으로 제품디자인을 렌더링하고 3D 프린터를 활용하여 시제품을 제작한다. 제안하는 제작과정은 제작시간 단축의 경제적인 측면과 신제품 개발에 대한 새로운 프로세스 모델을 제시하고자 한다.
최근 비접촉식 3D 스캔방식에서 포토스캐닝 기술을 기반으로 한 3D 모델링 데이터 생성 기술이 발전하고 있다[9]. 이 기술은 여러 장의 영상데이터를 활용하여 물체와 카메라의 위치정보를 찾아내고 영상정보의 특정 패턴 및 픽셀에 대한 정보를 찾아서 합성한다[10]. 포토스캐닝 방식은 대형의 조형물이나 건축에 많이 활용되고 있다.
사진스캐닝 작업의 경우 대상물을 3차원으로 재구성하는 기술로 3D 스캐너에서 포인트 클라우드를 생성하고 이를 기반으로 3차원 좌표 및 메쉬 데이터를 구할 수 있다. 이를 위해 선정된 완구 자동차의 대상물을 놓고 일정한 거리에서 규칙적인 동선의 카메라 포지션을 정하고 촬영하였다. 그림 4는 선정된 완구 자동자이다.
이러한 단점을 보완하기 위해서 포토스캐닝 기술을 적용했다. 제작프로세스는 영상데이터를 기반으로 포토메트리를 이용하여 3차원 포인트 클라우드 및 메쉬 데이터를 보다 쉽게 생성하여 1차 시안을 제작했다. 데이터의 변형과 리디자인 수정에 중점을 두어 2차 시안을 제작하고 제품의 검증을 위해서 3D프린팅 작업을 하여 3차 시제품을 제작했다.
촬영에서 48장의 영상데이터를 획득한 후 이를 조합하여 포인트 클라우드 생성 및 메쉬데이터로 변환하여모델링데이터를 획득하고 3D MAX 전문 소프트웨어를 활용하여 리모델링데이터의 대한 활용을 시도하였다. 리모델링 된 데이터는 3D 프린터를 이용하여 시제품을 제작했다.

대상 데이터

이러한 단계는 맞춤형 신발을 제작하기 위해 발의 외각의 형태를 스캔하고 모델링데이터를 획득한다. 3D스캐너로 획득된 사물의 외형적 형상은 포인트 클라우드 데이터로 획득된다. 이러한 포인트는 면을 이루기 위한 초기 작업이다.
여러 장의 포토로 이루어진 영상데이터는 포토메트리를 형성하고 3차원 포인트 클라우드를 통해 메쉬 모델링 데이터를 획득한다. 두 번째 기존의 모델링 데이터를 기반으로 새롭게 추가되고 수정된 2차 모델링 데이터를 생성한다. 세 번째 수정된 모델링 데이터는 여러 조건과 환경으로 제품디자인을 렌더링하고 3D 프린터를 활용하여 시제품을 제작한다.
첫 번째 기존의 생산된 제품을 바탕으로 영상데이터를 얻는다. 여러 장의 포토로 이루어진 영상데이터는 포토메트리를 형성하고 3차원 포인트 클라우드를 통해 메쉬 모델링 데이터를 획득한다. 두 번째 기존의 모델링 데이터를 기반으로 새롭게 추가되고 수정된 2차 모델링 데이터를 생성한다.
패턴의 변형 형태를 파악해 서 발 모양을 스캔하고 있다. 이러한 단계는 맞춤형 신발을 제작하기 위해 발의 외각의 형태를 스캔하고 모델링데이터를 획득한다. 3D스캐너로 획득된 사물의 외형적 형상은 포인트 클라우드 데이터로 획득된다.
제품의 완구자동차를 촬영하기 위해서는 고품질의 사진정보가 필요하며 카메라에서 지원되는 화소는 700만 이상의 화소를 가진 카메라로 촬영하였다.
정렬하는 시간은 용량에 따라 지연되기도 한다. 총 48장의 사진으로 3개의 사이클로 1주 기당 16장의 이미지를 획득했다. 이미지의 해상도는 4096×2160 사이즈이다.
표 2는 촬영된 영상데이터이다. 카메라로 촬영된 총 48장의 영상데이터를 가지고 포토스캔(photoscan) 프로그램을 활용하여 데이터를 조합한다. 여러 장의 사진을 모두 선택한 후 이미지를 정렬(align photos)시킨다.

이론/모형

리모델링 된 데이터는 3D 프린터를 이용하여 시제품을 제작했다. 3D 출력은 FDM 방식을 사용하였다. 그림 12는 완구자동차의 리디자인된 시제품이다.
일반적인 제품디자인의 제작에서는 초기 모델링에 대한 제작시간이 많이 소요된다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 포토스캐닝 기술을 적용했다. 제작프로세스는 영상데이터를 기반으로 포토메트리를 이용하여 3차원 포인트 클라우드 및 메쉬 데이터를 보다 쉽게 생성하여 1차 시안을 제작했다.
완구자동차의 리모델링 된 stl파일은 3D 프린터로 제작할 수 있다. 출력방식은 FDM(fused deposition modeling)방식으로 출력하였으며 출력에 소요되는 시간은 12시간이다.
표1은 고해상도를 지원하기 위해 DJI에서 제공하는OSMO PLUS 모델을 선택했다. 카메라는 F 2.

성능/효과

그림 10은 실물 모델의 완구 자동차를 3D MAX 프로그램을 활용하여 리디자인된 모델링데이터이다. 기존디자인의 변형 및 수정이 용이했고 리모델링 제작도 효율적으로 이루어졌다. 리모델링에 소요된 시간은 2시간이다.
포토스캐닝 기술을 적용한 결과 포토스캔에서 리모델링까지 제작시간은 4시간이며 시제품 출력 시간은 12시간 소요되었다. 모델링데이터 획득방식은 영상데이터를 활용하여 기존의 모델링데이터에서 변형 및 추가의 방식으로 리디자인 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린팅 기술의 장점은 무엇인가?	최근 3D 프린팅 기술이 발달함에 따라 제품디자인 분야 및 제조업에 혁명을 일으키고 있는 것이 사실이다. 또한 3D 프린팅 기술은 제품디자인의 자유도가 높아서 가상의 모델링 데이터만으로 제품을 제조할 수 있는 장점이 있고 개발의 주기와 비용 절감에도 많은 효과를 볼 수 있다[4]. 제품디자인분야에서 신제품의 3차원 모델링 데이터를 디자인하는데 있어서 많은 시간이 소요되고 있는 부분이 있다.
	3D 스캐닝이란 무엇인가?	3D 스캐닝은 3D 모델링 데이터를 생성하기 위해 기본적인 시점을 다각화하여 기존의 사물에 대한 표면적 깊이 및 정보를 3D 디지털 데이터로 생성하는 기술이다[5]. 이러한 기술은 물체에 대한 외형적 데이터를 대상물과 접촉시키거나, 직접 접촉하지 않고 레이저나 거리 영상 카메라(range image camera)를 이용해 대상물의 형상정보를 획득한다.
	3D 스캐닝은 사물에 대한 정보를 어떻게 획득하는가?	3D 스캐닝은 3D 모델링 데이터를 생성하기 위해 기본적인 시점을 다각화하여 기존의 사물에 대한 표면적 깊이 및 정보를 3D 디지털 데이터로 생성하는 기술이다[5]. 이러한 기술은 물체에 대한 외형적 데이터를 대상물과 접촉시키거나, 직접 접촉하지 않고 레이저나 거리 영상 카메라(range image camera)를 이용해 대상물의 형상정보를 획득한다.

참고문헌 (10)

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S. H. Han, S. I. Hong, N. S. Kim, S. S. Kim, "Generation of 3D Models for 3D Printers based on the Characteristics of Objects," The Journal of Korean Institute Information Technology, vol. 12, no. 5, pp. 149-156, Dec. 2014.
H. K. Oh, "A Study on the Utilization of Reverse Engineering for the Modeling Process of Product Design," Joumal of Korea Design Knowledge, vol. 27, pp. 13-20, Sept. 2013.
S. J. Kim, Y. D. Chun, "A Research of 3D Printers in Industrial Toy Production - Mainly in Manufacturing Design -.," Journal of Korean Society of Communication Design, vol. 23, pp. 21-29, Dec. 2014.
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J. B. Koo, "The Study on Recording Method for Buried Cultural Property Using Photo Scanning Technique," Journal of Digital Contents Society, vol. 16, no. 5, pp. 835-847, Oct. 2015.
K. S. Park, "A Study on the Reproduction of 3D Shapes using Multi-view Shooting and 3D Scanners," The Society of Modern Photography & Video, vol. 20, no. 3, pp. 53-65, Nov. 2017.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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