정밀 리버스 엔지니어링을 위한 고급 3D 스캐너 기술

산업 공학 분야의 큰 발전 중 하나는 리버스 엔지니어링 공정의 개발입니다. 이는 물리적 시스템에서 직접 정보를 추출해 디지털 모델로 변환하는 것으로 구성됩니다.

리버스 엔지니어링은 시스템이나 제품 모델링 및 시뮬레이션 시 많은 이점을 제공합니다. 한편으로는 모델에서 직접 정보를 추출할 수 있어 더 신뢰성 높고 품질이 높으며, 다른 한편으로는 작업 시간을 단축하고 가속화합니다. 이로써 복잡한 시스템을 더 신뢰성 있게 더 짧은 시간에 모델링할 수 있습니다.

리버스 엔지니어링이 가장 성공적으로 적용된 분야 중 하나는 계측학이며, 복잡한 형상의 디지털화입니다.

3D 스캐너

3D 스캐닝은 물리적 표면을 디지털 모델로 변환하는 공정입니다. 해당 표면의 다중 점 상대 위치(포인트 클라우드)를 추출하고 이를 포함하는 표면을 디지털로 보간해 부품 기하학을 재구성합니다.

이 포인트 클라우드를 정의하는 주요 파라미터는 해상도와 정확도입니다. 해상도는 두 점 사이에서 분해할 수 있는 최소 거리로, 정확도는 각 점의 실제 위치를 결정하는 오차로 주어집니다. 더 높은 해상도는 더 작은 디테일 포착을 가능하게 하며, 높은 정확도는 현실에 더 가까운 치수의 모델을 제공하므로 더 작은 공차를 가집니다.

이 목적을 위해 설계된 장치를 3D 스캐너라고 합니다. 기술에 따라 많은 유형이 있으며, 두 주요 그룹으로 분류할 수 있습니다: 접촉식과 비접촉식.

접촉식 3D 스캐너는 아마도 가장 덜 일반적이지만, 가장 정확한 것 중 일부입니다. 보통 6자유도 관절 팔 끝에 스타일러스가 있는 구조입니다. 작업자가 스타일러스로 표면을 훑으면 센서가 특정 주파수로 위치를 기록합니다. 이 기술의 주요 단점은 작업자가 스타일러스로 전체 표면을 스캔해야 해 매우 느린 공정이 될 수 있다는 점입니다. 반면 스타일러스의 표면 마찰이 표면을 손상시킬 수 있어 고고학 유물이나 예술 작품에서는 문제가 될 수 있습니다.

이미지 1: Faro 접촉식 3D 스캐너. 출처: Faro.com

비접촉식 스캐너는 광학 기술을 기반으로 하며 두 범주로 나뉩니다: 수동 시스템과 능동 시스템.

수동 시스템은 주로 두 정해진 관점에서 찍은 사진에서 표면의 기하학적 정보를 추출하는 방식입니다. 이는 인간 시각의 시차 효과에 기반한 입체시 기법으로 알려져 있습니다. 주요 장점은 넓은 표면을 빠르고 저렴하게 매핑할 수 있지만, 해상도와 정확도가 매우 낮습니다. 게다가 실제 측정을 포착할 수 없어 모델을 실제 치수로 재조정할 보완 시스템이 필요합니다.

가장 잘 알려진 수동 3D 스캐닝 기술은 사진측량법으로, 주로 지형 매핑과 토목 공학에 사용됩니다. 보통 위성 위치 데이터로 보완해 정확한 치수 데이터를 추가합니다.

이미지 2: 사진측량법으로 만든 지형 모델. 출처: aamspi.com

마지막으로 능동 비접촉 3D 스캐닝 시스템이 있습니다. 이는 가장 큰 그룹이자 산업, 예술, 의료, 엔터테인먼트에서 가장 널리 사용됩니다.

이 유형 시스템은 표면에 방출된 신호를 측정하는 것에 기반합니다. 표면과 상호작용할 수 있는 모든 유형의 신호를 사용할 수 있지만(초음파 등), 가장 일반적인 시스템은 광학식입니다.

이 범주에는 여러 기술이 있지만, 가장 일반적인 네 가지는: 비행시간(ToF) 3D 스캐너, 삼각측량 3D 스캐너, 위상차 3D 스캐너, 구조광 3D 스캐너입니다.

비행시간(ToF) 3D 스캐너: 레이저 빛 펄스가 표면을 왕복하는 데 걸리는 시간을 측정해 표면까지 거리를 계산합니다. 긴 범위와 높은 포인트 획득 주파수를 결합합니다. 주로 대형 구조물 매핑이나 구조 요소 변형 측정을 위한 계측 도구로 사용됩니다. 요즘은 아이폰의 라이다 센서 구현 덕분에 비전문가용으로도 흔해졌습니다.

영상 1: 아이폰으로 ToF 기술 3D 스캐닝. 출처: labs.laan.com

삼각측량 또는 레이저 3D 스캐너: 특정 각도로 배치된 레이저 이미터와 포토다이오드 어레이 센서로 구성됩니다. 레이저 빔이 매핑할 표면에서 반사되면 거리에 따라 센서의 특정 지점에 입사합니다. 이로써 레이저 빔이 입사한 점의 위치를 삼각측량할 수 있습니다. 이는 가장 정확한 시스템 중 하나지만, 레이저가 표면에 입사하는 각도에 의존해 매우 짧은 작업 거리가 필요합니다. 높은 해상도와 정확도로 중소형 물체 매핑에 적합합니다.

영상 2: 3D 삼각측량 스캐너 작동. 출처: www.micro-epsilon.com

위상차 스캐너: 이는 앞의 두 가지에 대한 중간 솔루션입니다. 변조된 레이저 이미터와 검출기로 구성되며, 방출된 빛과 수신된 빛의 위상을 비교해 물체까지 거리를 결정합니다. 좋은 작업 거리와 중간 정확도를 가져, 좋은 정확도로 대형 물체 매핑에 적합합니다.

구조광 스캐너: 아마도 오늘날 가장 일반적입니다. 훌륭한 해상도, 높은 정확도, 높은 획득 속도, 저렴한 비용을 결합한 가장 다재다능한 3D 스캐너입니다. 보정된 렌즈가 달린 카메라와 표면에 빛 패턴을 투영하는 프로젝터로 구성됩니다. 카메라는 표면에서 이 패턴의 변형 이미지를 포착하고 복잡한 처리 알고리즘으로 포인트 클라우드를 생성합니다. 이 시스템은 한 번 캡처로 수백 포인트를 얻으므로 높은 획득 속도를 가집니다. 또한 사용된 렌즈에 따라 작업 거리, 정밀도, 해상도 조정이 가능합니다. Thor3D 제품처럼 많은 모델이 핸드헬드로 사용 가능해 삼각대가 필요 없습니다. 주요 단점은 주변 조명 조건과 부품 마감에 민감해, 적절한 조명 하에서 3D 스캐닝을 수행해야 하며 광택 또는 투명 표면의 경우 특수 무광 페인트 도포가 필요할 수 있습니다.

영상 3: Calibry 구조광 3D 스캐너. 출처: Thor3Dscanner.com

포인트 클라우드 처리

일반적으로 3D 스캐닝 시스템은 연속 데이터가 아닌 캡처할 표면의 이산적 위치를 포착합니다. 이를 포인트 클라우드라고 합니다. 3D 스캐너로 얻은 포인트 클라우드는 직접 사용할 수 없으므로 디지털 복제본을 얻기 위해 여러 후처리 작업이 필요합니다.

최종 모델 품질은 품질 좋은 포인트 클라우드에서 시작하는 것 외에 올바른 처리에 달려 있습니다. 이는 좋은 재구성 알고리즘을 가진 소프트웨어와 포인트 클라우드 처리 지식을 필요로 합니다.

우선, 3D 스캔이 여러 캡처로 수행된 경우, 전체 모델을 커버하는 단일 클라우드를 얻기 위해 서로 다른 포인트 클라우드를 정렬하고 병합해야 합니다. 포인트 클라우드 정렬 정확도는 3D 스캐너의 추적 능력에 크게 의존합니다. 마커 추적은 항상 정렬이 가장 쉽지만, 마커를 사용할 수 없는 경우가 있습니다(예: 예술 작품). 이런 경우 Calibry나 Calibry Mini 같은 일부 스캐너는 텍스처 추적 등 여러 추적 옵션을 포함합니다.

영상 4: 마커를 이용한 3D 스캐닝. 출처: Thor3Dscanner.com.

다음으로, 환경 내 물체에 속하거나 3D 스캐너 오류로 나타나는 점들을 제거해 포인트 클라우드를 정제해야 합니다. 품질 좋은 3D 스캐너와 좋은 스캐닝 공정은 여분 포인트가 적거나 없는 깨끗한 포인트 클라우드를 제공합니다.

포인트 클라우드가 정제되면 메시를 재구성해야 합니다. 적절한 파라미터 선택으로 정확하고 올바르게 조정된 메시를 얻습니다.

포인트 클라우드를 폴리곤 메쉬로 변환한 후 검사와 수정이 필요합니다. 가장 흔한 결함 중 하나는 스캔 중 데이터 누락으로 인한 메시의 구멍입니다. 이 결함을 수리하는 유일한 방법은 보간으로 패치를 적용하는 것입니다. 소프트웨어에 구현된 보간 알고리즘 품질이 재구성 품질에 영향을 줍니다.

이미지 3: Calibry Nest로 메시 구멍 수리. 출처: Thor3Dscanner.com.

마지막으로 메시 최적화가 필요합니다. 최적화 유형은 최종 응용 분야에 크게 의존합니다. 메시를 단순화해 파일 크기를 줄이는 대가로 해상도를 희생할 수 있습니다. 메시 단순화는 종종 작은 결함 수정에 도움이 되며, 더 단순하고 균일한 기하학을 달성합니다. 반면, 새 요소를 보간해 메시 해상도를 높일 수 있습니다. 메시 해상도 증가는 캡처 해상도를 높이지 않지만, 곡면에서 더 큰 연속성과 부드러움을 얻는 데 도움이 됩니다.

구조광 기반 등 일부 3D 스캐너는 사진을 통해 표면의 텍스처와 색상을 동시에 캡처할 수 있습니다. 이는 메시에 텍스처를 매핑하는 추가 처리 단계를 가능하게 합니다. 이는 예술 및 엔터테인먼트 관련 응용 분야에서 특히 흥미롭습니다.

영상 5: Calibry로 스캔한 3D 텍스처 모델. 출처: Thor3Dscanner.com.

3D 스캐너는 다양한 산업 분야에서 많은 응용 가능성이 있습니다. 의료 및 정형외과에서는 환자 신체 부위를 디지털로 복제해 맞춤형 보조기 개발에 활용할 수 있습니다. 엔터테인먼트 분야에서는 영화와 비디오 게임에서 배우의 디지털 트윈 생성에 널리 사용되었습니다. 예술과 고고학에서는 예술 작품과 역사적 유물의 디지털 복제본을 생산해 전 세계 과학자들이 연구할 수 있게 합니다. 엔지니어링에서는 복잡한 부품 도면 작성을 용이하게 해 작업 시간을 줄이고 더 정확한 모델을 달성합니다. 검사에서는 시간 경과에 따른 구성 요소 기하학 비교를 용이하게 해 변형을 감지하고 고장을 예방합니다.

3D 스캐너는 오늘날 많은 분야에서 필수 도구입니다. 구조광 같은 신기술 개발로 높은 해상도와 정확도, 높은 데이터 획득 속도, 경제적 가격을 결합한 새로운 3D 스캐너가 등장했습니다. 예로 새로운 Calibry와 Calibry Mini 스캐너, Shining의 EinScan 시리즈가 있습니다.