3D스캐너의 개념과 원리

3D스캐닝의 개념

스캐닝의 의미는 측정 대상으로부터 특정 정보(문자, 모양, 크기, 위치 등)를 얻어내는 것으로, 3차원 스캐닝은 측정 대상으로부터 3차원 좌표 즉 X,Y,Z 값을 익어내는 일련의 과정이며, 기본적으로 측정 대상물의 준비 단계, 3차원 좌표를 다양한 측정 방식으로 추출하여 점군(Point clould)을 생성하는 단계, 3차원 모델로 재구성하는 최종 단계까지를 말합니다.

일반적인 스캐닝과 3D스캐닝의 차이

일반 스캐닝은 측정 대상으로부터 문자, 모양, 크기, 위치 등의 정보를 얻어내는 것인 반면 3D스캐닝은 측정 대상으로부터 3차원 좌표(X,Y,Z값)를 읽어내는 일련의 과정입니다.

3D스캐닝의 과정을 정리해보면 3차원 좌표를 측정하기 위한 피측정물의 측정 준비부터 3차원 데이터의 최종 생성까지 포함하고 이 과정을 통해 생성된 데이터는 후처리 과정을 거쳐 3D모델링으로 생성될 수 있으며 최종적으로는 3차원 프린팅 혹인 머시닝으로 가공할 수 있게 됩니다.

 

3D스캐닝의 원리

3차원 스캐닝은 터치 프로브(Touch probe)가 직접 측정 대상물과의 접촉을 통해서 좌표를 읽어내는 접촉식 방식과 거리를 두고 측정하는 비접촉식 방식이 있습니다.

 

CMM방식

접촉식의 대표적인 방법으로 터치 프로브(Touch probe)가 직접 측정 대상물과의 접촉을 통해 좌표를 읽어내는 방식입니다.

접촉식 방법으로 측정이 가능한 경우로는 측정 대상물이 투명한 경우, 거울과 같은 전반사 또는 난반사가 일어나는 단단한 측정물일 경우에만 가능합니다. 대부분의 3차원 스캐닝은 비접촉식 방법을 취하며 접촉식 방법을 쓸 수 없는 경우, 측정 대상물의 외관이 복잡한 경우, 접촉 시 피측정물이 쉽게 변형되는 경우입니다.

 

접촉식 스캐닝

터치 프로브 방식으로 측정할 대상물과 직접 접촉하여 좌표를 읽어내는 방식으로 정밀도가 매우 높지만 공간상의 한계가 있어서 현재는 대부분 비접촉 3차원 스캐닝을 사용합니다.

 

비접촉 3차원 스캐닝

3차원 프린팅과 관련해서 거의 대부분의 3차원 스캐닝은 광학 방식의 비접촉 3차원 스캐닝 방법을 취하고 있습니다.

3차원 스캐너는 여러가지 종류가 존재하지만 대표적인 방식인 TOF방식 레이저 3D스캐너, 레이저 기반 삼각 측량 3차원 스캐너, 패턴 이미지 기반의 삼각 측량 3차원 스캐너와 그외 사용되고 있는 스캐너에 대해 알아보겠습니다.

 

TOF(Time-Of-Flight) 방식 레이저 3D스캐너

레이저의 펄스가 레이저 헤드를 출발해서 대상물을 맞히고 반사하여 돌아오는 시간을 측정해서 최종적으로 거리를 계산하는 방식입니다. (거리 = 속도 X 시간)

주로 펄스 레이저를 사용하며 점 방식으로 측정하여 피측정물을 둘러싼 외관을 스캔해야합니다. 먼 거리의 대형 구조물 측정이 가능하다는 장점이 있으나 측정 정밀도가 상대적으로 낮다는 단점도 있습니다.

 

레이저 기반 삼각 측량 3차원 스캐너

라인 형태의 레이저를 측정 대상물에 주사하여 레이저 발진부, 수광부, 측정 대상물로 이루어진 삼각형에서 한 변과 2개의 각으로부터 나머지 변의 길이를 계산하는 방식입니다.

가장 많이 사용하는 방식으로 레이저 발진부, 수광부 사이 거리, 레이저 발진 각도는 정해져 있고  수광부 측정 셀의 위치를 통해 반사되어 오는 레이저 각도도 알수 있습니다. 또한, 한 번에 측정할 수 있는 점의 개수가 TOF보다는 많습니다.

 

패턴 이미지 기반의 삼각 측량 3차원 스캐너

측정된 패턴의 광을 측정 대상물에 조사하고, 대상물에 변형된 패턴을 가케라에서 측정한 후 모서리 부분들에 대한 삼각 측량법으로 3차우너 좌표를 계산합니다. 광 패턴을 바꾸면서 초점 심도 조절이 가능하고 광 패턴을 이용하기 때문에 한꺼번에 넓은 영역을 빠르게 측정할수 있는 것은 물론 휴대용으로 개발하기 용이하다는 장점이 있습니다.

 

그 외 3차원 스캐너로는 백색광 및 광 위상 간섭법 사용으로 나노미터 분해기능을 가지는 반도체 산업 고정밀용 스캐너와 3차원 스캐너의 일종으로 의료 영상을 3차원으로 복원하는 데 많이 사용되어 지는 의료분야 CT가 있습니다.

 

 

적용 가능한 스캐닝 방식의 종류

3D스캐닝은 성능, 단가, 부대 장비, 이동성(휴대성) 등에 따라 다양하게 나뉠 수 있는데, 비접촉 방식을 바탕으로 고정식 3D스캐너와 이동식 3D스캐너로 분류됩니다. 고정식 3D스캐너는 스캔을 하는 도중에 스캐너 혹은 피측정물을 이동할 수 없는 방식의 스캐너를 말하는데 저가형 3D스캐너와 고가형 3D스캐너로 나뉘어 집니다.

저가형 3D스캐너는 대부분 두 개의 레이저 빔을 사용하여 삼각 측량법으로 좌표를 구하는 방식인데, 두 개의 레이저가 동시에 사용되어 더 정밀하고 빠르게 측정할 수 있으며, 턴테이블이 돌아가기 때문에 360도의 모든 각도에서 측정이 가능하지만 측정 도중에 움직일 수 없다는 불편함은 있습니다. 고가형 3D스캐너는 제작된 형상에서 3차원 데이터를 획득하고 3D모델을 생성하는 역설계 분야에서 활성화 되었는데, 원리는 저가형의 레이저 삼각 측량법을 이용하는 방식과 동일합니다. 단, 그 측정 범위가 수 미터에 이르는 것도 있을 정도로 넓으며, 측정 정밀도도 수마이크론으로 매우 뛰어납니다. 고가형 고정식 스캐너는 보통 정밀 라인 레이저를 사용하고 정밀도를 높일 수 있는 정반, 고 정밀 이송 장치 등을 구비하고 있으며 주로 산업용으로 많이 사용합니다.

이동식 스캐너는 측정 도중 움직이면서 측정할 수 있는 스캐너로 스캐너의 광이 못 미치거나 스캐너를 설치하기 힘든 경우에 매우 유용합니다. 또한, 측정 대상물의 크기가 클 경우 혹은 특정 부위만 측정해야 할 경우에 스캐너를 이동하면서 측정 데이터를 획득할 수 있으나, 이동식이기 때문에 통상적으로 정밀도는 고정식에 미치지 못한다는 단점이 있습니다.

 

 

최적 스캐닝 방식 및 스캐너 선택

측정 대상물의 표면 재질 및 특성, 복잡도, 크기에 따라서 최적의 스캐닝 방식이 달라집니다. 뿐만 아니라 정밀한 데이터가 필요 없는 경우와 산업용과 같이 매우 정밀한 데이터가 필요한 경우에 따라서 스캐닝 방식 및 스캐너를 선택해야 합니다. 최적 스캐닝 방식을 선택하기 위해 유의해야할 사항으로는 최적의 스캐닝 방식은 측정 대상물 및 적용 분야에 따라 달라진다는 점, 측정 대상물의 표면 재질, 특성, 복잡도, 크기에 따라 접촉식 혹은 비접촉식으로 선택해야한다는 점, 필요한 데이터의 정밀도, 이용할 3차원 프린터의 정밀도 또한 고려해야할 요소 사항 중에 하나입니다.

측정 대상물이 투명한 소재, 표면 코팅이 불가한 경우일때 스캐너 사용법은 접촉식 선택이 유리하지만 표면 코팅이 가능하다면 광 기반의 비접촉식 측정 방법을 사용할 수 있고 표면 반사가 일어나지 않고 레이저 빔이 잘 맺히게 할 수 있는 코팅 재료를 사용합니다. 또한, 측정 대상물이 쉽게 변형되는 경우 비접촉식을 사용하시기 바랍니다.

측정 대상물의 내부 측정이 필요한 경우에는 우리가 흔히 병원에 가면 보게되는 CT(특수 스캐너)를 사용하여 대상물의 내부를 투시하여 스캔을 합니다.

스캐너의 대상물의 크기는 곧 스캐너 선택에 직접적인 형향을 미치는 요소로 저가형 스캐너는 측정 사이즈의 한계가 있어 측정 대상물의 측정 한계를 미리 확인하여 결정해야 합니다.

3D스캐닝의 개념에 대해 알아보았습니다. 이번 포스팅은 여기서 마무리 하며 다음 포스팅에서 3D스캐닝을 좀 더 알아보도록 하겠습니다. 

하루하루 행복하세요.^^