스캐닝의 의미와 원리

3D스캐너로 스캔하는 스캐닝의 의미와 원리 측정방식의종류 

           

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3D스캐너로 스캔하는 스캐닝의 의미와 측정 방식의 종류

안녕하십니까. 3D 프린팅, 3D 스캐닝, 기구설계, 역 설계 전문 회사 한국 H.T.C입니다. 

이번에는 3D 스캐닝의 의미와 측정 방식의 종류에 대해서 알려드리려고 합니다.

	3D스캐닝의 의미

우선 "3차원 스캐닝 기술" 이란 3차원 스캐너를 이용하여 레이저나 백색광을 대상물에 투사하여 대상물의 형상 정보를 취득하여 디지털 정보로 전환하는 모든 과정을 통칭하는 용어입니다.3차원 스캐닝 기술을 이용하면 볼트와 너트를 비롯한 초소형 대상물을 비롯해 항공기, 선박 심지어는 빌딩이나 다리 혹은 지형 같은 초대형 대상물의 형상 정보를 손쉽게 취득할 수 있습니다.

3차원 스캐너로부터 얻어진 형상 정보는 다양한 산업 군에 필요한 역설계(Reverse Engineering)나 품질관리 분야에 적극적으로 활용되고 있습니다.기존에는 특정 제품의 형상 정보를 얻기 위해 대상 제품을 일일이 캘리퍼스와 같은 도구를 이용한 수작업으로 대상물의 측정이 이루어졌습니다.이런 기존의 방식은 작업시간도 많이 소요될뿐더러 정확한 작업이 이루어질 수 없었습니다.

3차원 스캐너는 단 몇 번의 샷을 통해서 단 시간 내에 제품 전체의 형상 정보를 쉽고 정확하게 취득할 수 있게 해 주는 혁신적인 툴입니다.

3차원 스캐닝 기술은 대상 물의 전체 형상을 한꺼번에 측정함으로써 정확하고 신속한 결과를 도출할 수 있게 해주었고 그 결과 여러 산업분야에서 생산성이 크게 증대되었습니다.현재 다양한 산업분야에서 CMM이라는 3차원 측정기를 이용하여 제품의 형상 정보를 얻고 있습니다.CMM은 물체의 표면 위치를 검출할 수 있는 프루브각 3차원 공간을 이동하면서 각 측정 점의 공간 좌표를 검출하고 그 데이터를 컴퓨터가 처리 함으로써 3차원적인크기나 위치 또는 방향 등을 측정할 수 있는 장치입니다.

그러나 3차원 측정기는 시스템이 복잡하기 때문에 유지, 보수를 위한 노력이 필요하고 정상적으로 활용하기까지에는 일정한 시간과 관련 분야의 전문지식이 필요합니다. 또 온도나 진동 등에 민감하기 때문에 주변 환경을 잘 관리해야 하는 등의 어려움이 있습니다. 이에 반해, 3차원 스캐너는 CMM 측정기의 단점들을 보완한 편리한사용방법과 빠른 측정 속도로 인해 기존의 산업 분야들에서 대체 솔루션으로 급부상하고 있습니다.

                CMM과 3차원스캐너의 특징비교표  

 

	3차원스캐너의 원리와 이해

3차원 스캐너는 카메라와 매우 유사합니다. 카메라처럼 원뿔 형태의 시야를 가지고 있고, 카메라가 피사체의 표면 정보만 얻는 것처럼, 3차원 스캐너도 주로 물체의 표면 정보만 취득합니다. 그러나, 카메라는 물체 표면에 있는 2차원 정보(x, y)에 색상 정보만 취득하지만, 3차원 스캐너는 물체의 깊이 정보까지도 취득합니다. 3차원 스캐너의 목적은 물체의 표면으로부터 기하 정보가 샘플링된 점군(Point Cloud)을 형성하는 것입니다.

3차원 스캐닝 장비에는 다양한 기술들이 사용됩니다. 각각의 기술들은 비용이나, 스캐닝 대상 별로 다양한 장단점을 가지고 있습니다. 예를 들면 접촉식이 아닌 광학 식인 경우, 반짝이는 물체나 반사가 심하거나 투명한 유리 같은 물체에는 취약한 특성이 있습니다.

물론 이경우에도 피사체의 표면에 매우 얇은 특수한 파우더(현상액)를 덮는 방법 등을 활용해 스캐너가 좀 더 안정적으로 광정보를 인식하게 만들 수 있습니다.

레이저를 이용한 스캐너는 수 조개의 광자를 물체 표면에 보내고 그중 일부만을 받아들이는데 스캔 대상의 반사도는 대상물의 색상 또는 밝기에 의존적입니다. 흰색 표면은 좀 더 많은 빛을 반사하고, 어두운 표면에서는 적은 양의 빛만 반사합니다.

유리와 같은 물체는 빛을 굴절시켜 잘못된 3차원 정보를 만들어내기도 합니다. 대부분의 경우에, 한 번의 스캔으로 물체를 완전한 모델로 만들 수는 없습니다. 하나의 물체를 모델링 하기 위해서는 수 번에서 수십 또는 수백 번에 이르는 다른 방향에서의 스캐닝 작업을 필요로 합니다. 이러한 스캔된 여러 장의 이미지들은 특정 부분의 데이터이기 때문에 하나의 좌표계로 합치는 작업을 해야합니다. 하나의 좌표계로 변환하는 작업을 정렬 (Alignment) 또는 정합(registration)이라고 부르고 이렇게 정렬된 여러 데이트 셋을 하나의 데이터로 합치는 과정을 (Merging)이라고 부릅니다.

3차원 스캐너의 종류와 측정 방식

1. 접촉식 3차원 스캐너 CMM

접촉식 3차원 스캐너는 탐촉자로 불리는 프루브(Probe)를 측정하고 하는 물체의 직접 닿게 해서 측정을 하는 방식입니다.

CMM(Coordinate Measuring Machine)이 대표적인 방식이며, 대부분의 제조업에 오래전부터 이 방식이 활용되어 왔고 측정점의 정확도가 우수한 편입니다. 

그러나 대상물의 표면에 접촉을 해야 하므로, 물체에 변형이나 손상을 줄 수 있다는 단점이 있습니다. 또한 다른 스캐닝 방식에 비해 측정 속도가 느립니다. 고성능 CMM조차도 오래 걸립니다. 이에 반해, 비접촉식 스캐너인 레이저 스캐너의 경우 빠른 측정이 가능합니다.

2. TOF(Time of flight 방식 스캐너)

 

TOF 방식원 스캐너의 핵심기술은 3차원 레인지 파인더라고 불리는 빛을 물체 표면에 조사하여, 그 빛이 돌아오는 시간을 측정해서 물체와 측정 원점 사이의 거리를 구하는 기술을 바탕으로 하고 있습니다. 주로 레이저가 이용되는데, 빛의 활공 시간인 시간이 측정되면 간단한 공식을 이용하여 거리를 구할 수 있습니다.

TOF 방식의 정확도는 시간을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가에 좌우되는데, 현재 기술로는 약 1조 분의 1초의 측정이 가능하므로, 이 방식은 약 1milimeter 단위까지 측정이한계라고 볼 수 있습니다.

따라서 토목 측정이나. 건물 등 대형 측정에 많이 활용됩니다. 레인지 파인더는 오직 측정기가 바라보는 방향으로의 거리 밖에 못 구하기 때문에, TOF 3차원 스캐너는 이 레이저의 방향을 정밀하게 바꿔주는 장치가 추가됩니다. 이 장치에는 레이저가 발사되는 소스를 직접 모터를 이용해 움직이는 방식과 회전 거울을 이용하는 방식이 있는데, 거울을 이용하는 방식이 훨씬 더 가볍고 더 빠르고, 더 정확한 조정이 가능해서 대부분 이 방식을 채택하고 있으며 대부분 초당 10,000 ~ 100,000개의 점군을 얻는 속도로 측정이 가능합니다.

먼 거리의 대형 구조물 측정에 주로 이용. 정밀도가 낮아서 정밀한 소형 구조물에 는 부적합

3.광 삼각법방식의 레이저 스캐너

 

광 삼각법 3차원 레이저 스캐너도 능동형 스캐너로 분류되며, TOF 방식의 스캐너처럼 레이저를 이용합니다. 레이저가 얼마나 멀리 있는 물체에 부딪혔는가에 따라 레이저를 수신하는 CCD 카메라 소자에는 레이저가 다른 위치에 보이게 됩니다.

카메라와 레이저 발신자 사이의 거리, 각도는 고정되어 이미 알고 있으므로, 카메라 화각 내에서 수신 광선이 CCD 소자의 상대적인 위치에 따라 깊이의 차이를 구할 수 있습니다. 이를 삼각법 이라고 합니다.

 대부분의 경우는 단순히 하나의 레이저 점을 조사하는 게 아니라 스캐닝 속도를 높이기 위해 라인타입의 레이저가 주로 이용됩니다. 이 기술은 캐나다 국립 연구재단이 1978년에 처음으로 개발하였으며 대부분의 레이저 타입의 3차원 스캐너는 TOF 또는 이 방식을 주로 이용하고 있습니다.

4.핸드헬드스캐너

 

핸드헬드 스캐너는 3차원 이미지를 얻기 위해, 앞에서 언급된 광 삼각법을 주로 이용합니다. 점 또는 선 타입의 레이저를 피사체에 투사하는 레이저 발송자와 반사된 빛을 수신장치(주로 CCD)와 함께, 내부 좌표계를 기준 좌표계와 연결하기 위한 시스템으로 구성되어 있습니다.

기준 좌표와 연결하기 위한 시스템은 정밀한 인코더가 부착된 소위 이동형 CMM이라고 불리는 접촉식 로봇팔과 유사한 장치의 끝 단에 스캐너가 직접 붙여서 구성되기도 하고, 기준 좌표계를 만들기 위한 마크를 피사체 표면에 붙여서 해결하기도 합니다. 최근에는 모션 트레킹 시스템과 유사하게, 외부에 두 대 이상의 카메라가 스캐너의 동작을 따라갈 수 있도록, 스캐너 외부에 6개의 자유도를 측정할 수 있는 적외선 발신자 를 붙여 스캐너 외부에 설치된 트레커가 이발신자의 위치를 추적합니다. 이 정보를 이용해 내부 좌표계로 생성된 3차원 이미지 데이터 를 기준 좌표계로 변환 시키는 시스템들도 다수 출현했습니다.

5. 백색광 방식의 스캐너

백색광 방식의 스캐너는 특정 패턴을 물체에 투영하고 그 패턴의 변형 형태를 파악해 3차원 정보를 얻어냅니다.

여기에 사용되는 패턴은 여러 가지가 있는데 1차원 패턴방식은 선 형태의 패턴을 LCD 프로젝트나 움직이는 레이저를 이용해 물체에 투영시킵니다. 카메라는 프로젝트로부터 적당한 거리를 두고 위치하는데 패턴 라인을 인식하고, 그 라인을 구성하는 모든 화소의 깊이 값은 광 삼각법을 이용해 구해냅니다.

1차원 패턴 방식은 하나의 라인 패턴을 물체에 죽 훑어 내는 방식인데 반해 2차원 패턴방식은 그리드 또는 스트라이프 무늬의 패턴이 이용됩니다. 스트라이프나 그리드를 사용할 경우엔 1차원 패턴 방식보다 많은 데이터를 얻을 수 있으나 물체의 형태에 따라, 패턴의 순서가 바뀔 수가 있다는 것이 기술적인 병목이었다가 최근 들어 MLT(Multi stripe Laser Triangulation: 멀티 줄무늬 레이저 삼각법)개발되어 이러한 한계가 극복되었습니다.

이러한 패턴과 관련한 다양한 연구들이 이 분야에서 활발하게 진행되고 있습니다. 이러한 백색광 방식의 최대 장점은 그 측정 속도에 있습니다. 한 번에 한점식 스캔하는 것이 아니라 전체 촬상 영역 전반에 걸려있는 모든 피사체의 3차원 좌표를  한 번에 얻어낼 수 있습니다.

이 점 때문에 모션 장치에 의한 진동으로부터 오는 측정 정확도의 손실을 획기적으로 줄일 수 있으며 어떤 시스템들은 움직이는 물체를 거의 실시간으로 스캔해낼 수도 있습니다. 이 때문에 특히 산업계에서 정밀한 스캐닝을 위한 목적으로 널리 사용되고 있습니다.

넓은 영역을 빠르게 측정하고 휴대하기 편하다

6.변조광 방식의 스캐너

변조광 방식의 3차원 스캐너는 물체 표면에 지속적으로 주파수가 다른 빛을 쏘고 수광부에서 이빛을 받을 때, 주파수의 차이를 검출해, 거리 값을 구해내는 방식으로 작동합니다.

이 방식은 스캐너가 발송하는 레이저 소스 외에 주파수가 다른 빛의 배제가 가능해 간섭에 의한 노이즈를 감쇄 시킬 수가 있습니다. 이런 타입의 스캐너는 TOF 방식의 단점인, 시간 분해능에 대한 제한이 없어 훨씬 고속(약 1M Hz)으로 스캔이 가능한데 비해 레이저의 세기가 약한데, 이는 일정 영역의 주파수 대를 모두 사용해야 하기 때문입니다. 따라서 중거리 영역인 10~30 m 영역을 스캔할 때 주로 이용이 됩니다.

지금까지 3D 스캐너로 스캔하는 스캐닝의 의미와 원리 및 측정 방식의 종류에 대해 알아보았습니다. 한국 H.T.C에서는 백색광 방식의 솔루션닉스사의 REXCAN3, REXCAN CS+를 사용하여 3차원 스캐닝 및 역설계를 하고 있습니다. 다음 포스팅에서는 3D 스캐너 응용분야에 대해 올려보도록 하겠습니다. 감사합니다. 사업자정보 상호 : 한국 H.T.C 대표 : 신동원 주소 : 경기도 시흥시 은행로 173번길 9 (시흥시 대야동 575-1) 우신빌딩 5층 전화 : 031-318-6929 메일 : koreahtc@naver.com 사업자번호 : 139-03-48467 자료 출처 : www.3dscanning.co.kr [출처] 3D스캐너로 스캔하는 스캐닝의 의미와 원리 측정방식의종류 |작성자 에이치티씨