“3차원 형상 가공 실습과 형상 스캐닝 훈련, 모델링 테크닉 습득 및 데이터 적용 사례에 대한 연구”

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1 “3차원 형상 가공 실습과 형상 스캐닝 훈련, 모델링 테크닉 습득 및 데이터 적용 사례에 대한 연구”
1 / 20 스캔실습 중간 과제 “3차원 형상 가공 실습과 형상 스캐닝 훈련, 모델링 테크닉 습득 및 데이터 적용 사례에 대한 연구” 역 설계 공학 – 하 충열

2 Process Scanning Analyzing Preparing Meshing Re-designing Finishing
2 / 20 Process Preparing Scanning Meshing Re-designing Analyzing Finishing

3 Introduction Preparing Scanning Meshing Re-designing Analyzing
3 / 20 Introduction Preparing Scanning Meshing Re-designing Analyzing Applying

4 4 / 20 Preparing (1/4) 우선, 본 과제에 필요한 형상을 선정해야 했고, 고민 해본 결과, 3차원 형상을 수작업으로 제작하여 그 형상 스캔 데이터를 처리해보고자 하였다. 사람의 얼굴로 형상을 결정하게 되었고, 완벽하지는 않지만 최대한 좌우 대칭 형상을 만드는데 심열을 기울였다. 형상의 재료는 시중에서 쉽게 구 할 수 있는 스티로폼이고, 30cm X 30cm X 10cm 의 스티로폼 두 개를 풀로 접착하여 가공재료를 준비하였다. 형상 가공에는 커터 칼을 사용하였다.

5 5 / 20 Preparing (2/4) 사람의 얼굴이라고 하기에는 디테일이 많이 부족하지만 1박2일 동안의 작업을 통해 스캐닝에 필요한 어느정도의 형태는 갖추게 되었다. 정면에서 보는 모습으로도 알 수 있듯이 형상은 완벽한 좌우 대칭이 아니다. 원래 정상적인 사람도 좌우 대칭은 아니라고 하기에, 이 데이터를 이용해 형상의 왼쪽 얼굴만 가지고 대칭을 해보고, 또 나머지 오른쪽 형상만 대칭을 하여 그 결과가 어떤지를 연구해보는 것이 이번 과제의 목표로 정해졌다. 후에, 실제 사람의 얼굴을 이용하여 그 사람의 얼굴이 얼마나 대칭적인 구조를 가졌는지를 알 수 있다는 게 이번 연구의 종착점이다.

6 6 / 20 Preparing (3/4) 스캐닝에 앞서, 완성된(?) 사람 머리 형상에 점을 찍었다. 그 이유는 스캐닝을 하는 과정에서 스캔 된 이미지들을 정렬하기 위해서는 정렬포인트가 있어야 하는데, 수작업으로 제작된 형상에는 일관성이 결여돼 스캔 후 이미지 정렬이 어려울 수도 있기 때문이다. 스캐닝에 사용된 스캐너는 비 접촉 식 스캐너이며, 암실에서 형상의 사진을 찍고 나타나는 잔영으로 스캐닝 데이터를 얻는 방식이므로, 흰색이 스캔에 유리하다.

7 7 / 20 Preparing (4/4) 스캐닝에 걸린 시간은 정확히 한 시간이었다. 스캐닝 된 이미지는 총 18장으로 두 장의 이미지는 정렬이 되지 않은 체 저장이 되어 삭제 하게 되었다. 총 16장의 이미지가 최종 스캔 데이터로 저장 되게 되었다. 스캔 데이터는 “BRE”라는 형식의 파일인데, 다소 생소했던 이 파일은 브로이크만(Breuckmann)이라는 독일의 유명한 3차원 스캐너 회사의 제품에서 사용되는 파일 확장명이다. 준비단계에서 스캐닝을 모두 마친 후 그 다음 단계인 스캐닝 데이터 처리 과정으로 넘어 간다.

8 8 / 20 Scanning (1/2) 국내 기업인 INUS Technology에서 개발한 XOR2 라는 소프트웨어를 사용하여 스캐닝했던 데이터를 불러 들였다. 이미지들은 이미 데이터를 처리하는 과정에서 일차적으로 정렬이 되어 있었기 때문에 XOR을 사용해서는 정렬만 되어 있는 데이터를 하나의 Mesh데이터로 만들어 주는 작업을 하였다. 그림에서 자세히 보면 얼굴 형상의 입술 부위에 점 데이터가 비어 있는데 이는 스캔기술의 부족으로 데이터를 얻을 수 없던 곳이었다. 추후, 스캔 전문가를 통해 기술을 배우도록 해야 겠다.

9 9 / 20 Scanning (2/2) 오른쪽 그림은 하나의 Mesh데이터로 통합된 형상이다. 기존의 어두웠던 형상의 밝기도 작업하기 편하게 조정하였다. 화면에 표시되는 데이터의 질을 조금 낮춰 프로그램을 가동하는데도 불편함이 없이 조정할 수 있었다. 본격적인 역 설계를 위한 단계인 Mesh데이터 처리 단계로 넘어간다. 참고로 Mesh란, 망사형 모델링데이터를 말하는데, 네트워크로 연속된 형상을 말한다. 삼각형이 Mesh데이터의 최소 기본 단위가 된다.

10 Meshing (1/3) 오른쪽 사진에서 보이는 것은 수 백 만개의 삼각형으로 이루어진 Mesh데이터 이다.
10 / 20 Meshing (1/3) 오른쪽 사진에서 보이는 것은 수 백 만개의 삼각형으로 이루어진 Mesh데이터 이다. 삼각형의 개수가 의미하는 바는, 그 수가 클 수록 그만큼 형상이 조밀하게 구성되어 있다는 의미이다. 디지털 카메라로 예를 들자면 해상도가 높은 비율로 사진을 찍게 되는 것이다. 이렇게 되면 형상의 세부적인 부분까지 깔끔하게 역 설계를 할 수 있겠지만, 본 과제에서는 그렇게 불필요하게 큰 정확도가 필요하지 않으므로 Mesh데이터를 줄여 모델링 파일을 간소화 시키기로 하였다. 사진에서 보이는 Mesh데이터 면의 개수는 대략 460만개로 나타난다.

11 11 / 20 Meshing (2/3) 스캔 형상에서 코(?) 부분을 확대 시켜 놓은 것이다. 사진에서 보면 위 그림에는 엄청 조밀하게 Mesh데이터가 밀집 되어 있는 반면 아래의 그림에서는 대략적으로 코를 표현하는 데만 필요한 Mesh데이터로 형상이 줄어 들었다. 모델링 형상 전체로 460만개나 존재 하던 원본 Mesh데이터를 4만개 까지 줄여 놓았다. 당연히 모델링 형상이 가벼워져 파일 용량이 줄어들었음에 놀랍지 않다. 파일 용량은 무려 250Mb에서 10Mb까지 줄어 들게 되었다. *Decimate: 사전적 의미는 ‘학살하다’는 의미를 가졌지만, 모델링 기법에서 이 용어는 Mesh데이터를 ‘줄인다’는 뜻으로 사용된다. Decimate

12 12 / 20 Meshing (3/3) 여기까지 하여 역 설계를 위한 전초 작업이 모두 끝이다. 하지만 본격적으로 리 모델링을 해 나가기 위해서는 모델링 기법을 선택하여야 한다. 모델링을 하는데 가장 자신 있는 방법은 수업시간에 여러 차례 예제를 통해 연습해왔던 Mesh Sketch인데 이 과제를 진행하면서는 다른 방법이 필요 하였다. 3D Sketch와 3D Mesh Sketch에 대한 연구가 필요하여 소프트웨어 매뉴얼을 참고하여 문제점 해결에 접근 하였다.

13 Re-designing (1/3) Method 1. “Separating Regions”
13 / 20 Re-designing (1/3) Method 1. “Separating Regions” 제품을 역 설계 하는데 있어서 중요한 것은 말 그대로 설계 기술일 것이다. 그리고 그것은 혹독한(?) 훈련을 통해서 얻을 수 있는 것이다. 우선, 3차원 사람 얼굴을 역 설계 하기 위해서 기존의 양산 제품의 리 모델링에 적용했던 방법으로 문제 해결을 도모해 보았다. 형상의 표면을 자동으로 그룹화 시키는 작업을 뜻하는 “Region-ing.” 하지만 한가지 문제가 있었다. 손으로 형상을 제작해서 생긴 문제인데, 그건 바로 컴퓨터가 인식 해버리는 표면의 개수가 너무 많아서 그룹 자동화 방법은 사실상 리 모델링의 해결책으로는 도움이 되지 않는다는 것이었다. 그래서 또 다른 방법을 제시하였다.

14 Re-designing (2/3) Method 2. “Auto Surfacing”
14 / 20 Re-designing (2/3) Method 2. “Auto Surfacing” 이 기능을 사용하기 위해 매뉴얼을 두 번 훑어 보았다. 동영상을 보며 예제를 이해하기도 해야 했다. 두 번째 방법은 바로 “Auto Surfacing” 인데, 이 방법은 삽입된 Mesh데이터를 이용하여 자동으로 표면을 만들어 내는 기능이다. 물론 만들어진 표면은 속이 꽉 찬 고체 형상이다. *이 방법 말고도 3D Mesh Sketch 라는 기능에서 표면을 따라 선을 그리는 기능도 있었으나, 그 기능까지 사용하여 똑같은 형상을 만들기에는 프로젝트 준비 기간이 짧아져 추후에 도전해 보기로 하였다.

15 Re-designing (3/3) Result of “Auto Surfacing”
15 / 20 Re-designing (3/3) 자동으로 표면을 만들어 낸 결과이다. 작업자는 면이 생성될 때, 쉽게 분할될 면의 개수를 조정 할 수 있었다. 이 작업에서는 400개의 표면을 “uniform”하게 나누어 보았다. “Uniform”하게 라는 옵션을 사용했지만, 형상은 그다지 고르지 만은 않다. 귀나 입과 같은 얼굴 파트에서는 표면이 균일하게 나누어져 보이진 않기 때문이다. 하지만 균일하게 나누어 졌든 그렇지 않든 일단 만들어진 고체 형상은 변함이 없기에 이 형상을 이용해 그 다음 과정인 검사 단계를 마치도록 할 것이다. Result of “Auto Surfacing”

16 16 / 20 Analyzing (1/3) Deviation기능을 이용해 검수 작업을 거친 모습이다. 아래 사진의 복원된 고체 형상과 원본 Mesh데이터의 편차가 얼마나 나는지를 색깔로 쉽게 보기 위한 기능. 사진에서 보는 것과 같이 전체적인 형상이 녹색으로 나타나는데 이는 거의 모든 형상에서 심한 굴곡 없이 모델링 데이터가 원본 스캔 데이터와 일치 한다는 것을 보여준다. “Auto Surfacing”이라는 기능의 모델링 구현 능력을 새삼 느끼게 되었다. 그리고 여기서 과제의 취지였던, 수 작업된 형상의 좌우 대칭 비교도 해보게 되었다.

17 17 / 20 Analyzing (2/3) 우선, 얼굴을 절반으로 나눌 수 있는 평면을 만들어 얼굴을 반으로 나누었다. 스캔 초기 당시 스티로폼이 반절로 나뉜 부분에 점을 찍어 두었기 때문에 큰 어려움 없이 형상의 절반이 되는 부분을 잘라 낼 수 있었다. 얼굴의 좌측 형상(제3자의 눈으로 좌측)을 평면을 이용해 대칭시켜 보았다. 그것이 바로 아래에 보이는 사진이다. 사진에서는 이제 얼굴 형상의 좌우가 같게 되었다. 하지만 기존 형상과의 차이점을 구별하기 위해서 다시 deviation 기능을 이용하였다. 구별된 색깔을 보면, 왼쪽 얼굴 형상은 원본과 동일 하기에 녹색으로 표기되는 반면, 다소 오른쪽 얼굴보다 두꺼웠던 왼쪽 얼굴의 대칭형상은 빨간색을 통해 알 수 있다.

18 Analyzing (3/3) 이 전 단계와는 반대되는 결과물이다.
18 / 20 Analyzing (3/3) 이 전 단계와는 반대되는 결과물이다. 오른쪽 얼굴 형상을 대칭 시키고 원본과 비교해보니 왼쪽 얼굴이 두껍다는 파란색을 통해 확인 할 수 있었다. 손으로 작업을 할 당시, 아무래도 한쪽에 작업 하는 시간과 힘이 더 들어 갔다는 가정에 증명을 낼 수 있었다. 작업자의 세심한 손길로 좌우가 완벽하게 대칭 하는 구조는 만들 수는 있겠지만, 그런 장인 정신은 마음만으로 충분히 배우고 싶다. 이 결과를 통해서 추후 모델링 데이터를 어떻게 응용 할 지 생각해 보게 되었다.

19 Applying (1/2) 여기까지 하여, 본 과제를 위한 역 설계는 끝이 났다.
19 / 20 Applying (1/2) 여기까지 하여, 본 과제를 위한 역 설계는 끝이 났다. 과제를 확장시킨다면 2차적으로 눈, 코, 입과 같은 형상을 변형 시켜 볼 수도 있었다. 하지만 이번 단계에서는 미뤄두기로 하였다. 손으로 만든 형상을 digitize 해보았다라는 점에서 이 과제는 큰 의미를 부여해 주었다. 오른쪽 이미지는 또 다른 수업시간에 사용하고 있는 3차원 모델링 소프트웨어인 “Rhinoceros”를 이용해 랜더링을 시도해본 사진이다. 랜더링을 통해 흉측했던(?) 스티로폼 얼굴 형상에 사람의 기운을 불어 넣어 주었다. (웃음)

20 20 / 20 Applying (2/2) 이번 과제는 과제 이후의 적용분야의 범주가 크다는 점에서 좋았던 것 같다. 이렇게 리 모델링 된 가공물을 공작기계 또는 3차원 mock-up 가공기를 이용해 원본과 동일한 형태를 몇 개 씩이나 만들 수 있기 때문이다. 물론 형태에 변화도 줄 수도 있다. 산업에서 역 설계 분야가 어떻게 사용될 수 있을지에 대한 가능성도 충분히 배울 수 있었다. 비록 중간과제에서는 산업에서 사용될 만한 부품이나 제품의 리 모델링이 아니어서 설계도면은 준비가 되지 않았지만, 최종 과제를 위한 아이템 선정 때는 양산까지 가능하도록 도면도 준비 할 수 있는 아이템을 선정해서 꼭(반드시!) 의미 있는 수업이 될 수 있도록 노력해야겠다.

21 2009학년도 1학기 역 설계공학 이 충호 교수 하 충열, The22.tistory.com