3차원 스캐닝

3. 기술

3차원 스캐너는 카메라와 유사하게 원뿔 모양의 시야를 가지며, 가려지지 않은 표면에 대한 거리 정보를 수집하여 3차원 모델을 생성한다. 3차원 스캐너가 생성하는 "사진"은 각 지점에서 표면까지의 거리를 나타내어, 3차원 위치를 식별할 수 있게 한다.

단일 스캔으로 완전한 모델을 얻기 어려운 경우, 여러 방향에서 스캔하여 데이터를 등록 및 병합하는 과정을 거쳐 3차원 모델을 완성한다. 이 전체 과정을 3차원 스캔 파이프라인이라고 한다.

3차원 객체의 형태를 디지털 방식으로 획득하는 다양한 기술은 광학, 음향, 레이저 스캔,^[13] 레이더, 열,^[14] 지진 센서 등 다양한 센서 유형을 활용한다.^[15][16] 이 기술들은 크게 접촉식과 비접촉식으로 나뉘며, 비접촉식은 다시 능동형과 수동형으로 분류된다.

3차원 스캐닝은 해외에서 먼저 발전했으며, 측량의 연장선상에서 지형 (토목) 및 대형 구조물 (건축 계열)의 형상 측정에 사용되었다. 이전에는 형상을 도면화하기 위해 측량 기술을 사용하여 측정 대상의 여러 지점을 측정하고, 해당 지점 간을 책상 위에서 선으로 연결하는 등의 작업을 수행했다. 그러나 측정 대상이 크거나 접근하기 어려운 경우 등 실측이 어려운 경우도 많았고, 실측에 많은 시간과 여러 작업원이 필요했다.

2012년에는 용접에 사용되는 원격 기술에의 응용이 발표되었고,^[102] 2016년에는 획득한 이미지를 중첩하여 정밀도를 높이는 측정 방법이 개발되었다.^[103] 측정 장비의 레이저 기술 및 측정값을 연산하는 컴퓨터 능력의 비약적인 향상, 디지털 통신 및 무선 접속 기술의 발전,^[104] 태블릿 등 핸디 기기의 성능 향상과 가격 하락으로 3D 스캐닝의 진입 장벽이 크게 낮아져 적용 범위가 넓어졌다.

주요 측정 항목 중, 측정 범위는 측정기를 중심으로 50m 정도까지이며, 측정 정밀도는 측정기로부터의 거리에 비례하여 떨어지지만 1mm 정도이다. 대표적인 제조업체로는 헥사곤 (스웨덴 기업), 라이카, 팔로우, 키엔스가 있다.

3. 1. 접촉식 스캐닝

• 좌표 측정기(CMM): 전통적으로 Z축에 장착된 터치 프로브가 있는 3개의 수직 이동 축이 있다. 터치 프로브가 부품 주위를 이동함에 따라 각 축의 센서가 위치를 기록하여 XYZ 좌표를 생성한다. 최신 CMM은 5축 시스템으로, 두 개의 추가 축은 회전하는 센서 헤드로 제공된다. CMM은 미크론 단위의 정밀도를 달성하는 가장 정확한 형태의 3D 측정이다. CMM의 가장 큰 장점은 정확성 외에도 자율(CNC) 모드 또는 수동 프로빙 시스템으로 실행할 수 있다는 것이다. CMM의 단점은 초기 비용과 작동에 필요한 기술 지식이다.
• 관절형 암: 일반적으로 각 관절에 극 센서가 있는 여러 세그먼트가 있다. CMM과 마찬가지로 관절형 암이 부품 주위를 이동함에 따라 센서가 위치를 기록하고, 복잡한 수학과 각 관절의 손목 회전 각도 및 힌지 각도를 사용하여 암 끝의 위치가 계산된다. 일반적으로 CMM만큼 정확하지는 않지만 관절형 암은 여전히 높은 정확도를 달성하며 더 저렴하고 사용하기가 약간 더 쉽다. 일반적으로 CNC 옵션이 없다.

3. 2. 비접촉식 스캐닝

• 능동형 스캐너: 빛, 초음파, X선 등 특정 방사선을 물체에 직접 투사하고 반사 또는 통과하는 방사선을 감지하여 물체의 형태를 파악한다.
• 수동형 스캐너: 주변의 빛(주로 가시광선)을 감지하여 물체의 형태를 파악한다. 별도의 장비 없이 디지털 카메라만으로도 구현 가능하여 저렴하다.

• 스테레오스코픽 시스템: 두 대의 카메라를 이용하여 사람의 입체 시각과 유사한 원리로 거리 정보를 얻는다.^[31]
• 광도 시스템: 단일 카메라를 사용하지만 조명 조건을 달리하여 여러 이미지를 촬영하고, 이미지 형성 모델을 역전시켜 표면 방향을 복구한다.
• 실루엣 기술: 뚜렷한 배경을 바탕으로 물체의 윤곽선을 추출하고, 이를 교차시켜 시각적 헐 형태의 3차원 근사치를 생성한다.

• 근거리 사진 측량: 휴대용 카메라와 고정 초점 거리 렌즈를 사용하여 건물 정면, 차량, 조각 등 비교적 작은 물체의 3차원 모델을 만든다.^[33]
• 카메라 배열: 여러 대의 카메라를 동기화하여 동시에 촬영함으로써 사람이나 동물과 같이 움직이는 물체의 3차원 모델을 생성한다.^[34]
• 광각 사진 측량: 360 카메라와 같은 광각 렌즈를 이용하여 건물 내부나 좁은 공간의 3차원 모델을 만든다.
• 항공 사진 측량: 위성, 항공기, 드론 등에서 촬영한 항공 이미지를 이용하여 건물, 지형 등의 3차원 모델을 생성한다.

3. 2. 1. 능동형 스캐너

3. 2. 2. 수동형 스캐너

• ''스테레오스코픽'' 시스템은 일반적으로 약간 떨어져서 동일한 장면을 바라보는 두 대의 비디오 카메라를 사용한다. 각 카메라가 보는 이미지 간의 약간의 차이를 분석하여 이미지의 각 지점에서 거리를 결정할 수 있다. 이 방법은 인간의 입체 시각을 구동하는 것과 동일한 원리에 기반한다.^[31]
• ''광도'' 시스템은 일반적으로 단일 카메라를 사용하지만 조명 조건을 다양하게 하여 여러 이미지를 촬영한다. 이러한 기술은 각 픽셀에서 표면 방향을 복구하기 위해 이미지 형성 모델을 역전시키려고 시도한다.
• ''실루엣'' 기술은 잘 대비된 배경에 대해 3차원 물체 주위의 일련의 사진에서 생성된 윤곽선을 사용한다. 이러한 실루엣은 물체의 시각적 헐 근사치를 형성하기 위해 돌출되고 교차된다. 이러한 접근 방식을 사용하면 물체의 일부 오목부(예: 그릇 내부)를 감지할 수 없다.

• ''근거리 사진 측량''은 일반적으로 3D 재구성을 위해 물체의 이미지를 캡처하기 위해 DSLR과 같은 휴대용 카메라와 고정 초점 거리 렌즈를 사용한다.^[33] 대상에는 건물 정면, 차량, 조각품, 바위 및 신발과 같은 작은 물체가 포함된다.
• ''카메라 배열''은 여러 카메라를 동기화하여 3D 객체 재구성을 위해 한 번에 여러 관점에서 대상을 촬영하여 사람이나 애완 동물과 같은 살아있는 객체의 3D 포인트 클라우드 또는 메쉬를 생성하는 데 사용할 수 있다.^[34]
• ''광각 사진 측량''은 360 카메라와 같은 광각 렌즈 카메라를 사용하여 건물 내부 또는 밀폐된 공간을 캡처하는 데 사용할 수 있다.
• ''항공 사진 측량''은 위성, 상업용 항공기 또는 UAV 드론에서 획득한 항공 이미지를 사용하여 건물, 구조물 및 지형의 이미지를 수집하여 포인트 클라우드 또는 메쉬로 3D 재구성을 수행한다.

3. 3. 체적 기술 (Volumetric techniques)

CT, 마이크로 단층 촬영, MRI는 의료 분야뿐만 아니라 비파괴 검사, 역설계 등 다른 분야에서도 활용된다.^[1]

CT, 산업용 CT, MRI, 마이크로 CT 스캐너는 점군 대신 다층 2D 단면(토모그래프)을 생성하고 쌓아서 3D 표현을 만든다. 이 때 사용되는 기술은 다음과 같다.

• 볼륨 렌더링: 대상의 서로 다른 부위는 임계값을 넘어서 서로 다른 그레이 스케일 밀도를 가지므로, 이를 통해 3차원 모델을 구축하고 표시할 수 있다.
• 이미지 분할: 서로 다른 부위가 비슷한 그레이 스케일 값을 가질 경우, 이미지 분할 절차를 통해 분리하고, 표준 삼각화 언어 형식으로 출력하여 추가 조작을 할 수 있다.
• 이미지 기반 메싱: CFD나 FEA 등 컴퓨터 해석에 3D 이미지 데이터를 사용할 경우, 스캔 데이터로부터 자동 생성한다.

3. 3. 1. 의료

전산화 단층 촬영술(CT)은 일련의 2차원 X선 이미지를 사용하여 물체 내부의 3차원 이미지를 생성하는 의료 영상 방법이다. 자기 공명 영상(MRI)은 CT보다 신체의 서로 다른 연조직 간의 더 큰 대조도를 제공하는 또 다른 의료 영상 기술로, 신경학적(뇌), 근골격, 심혈관 및 종양학적(암) 영상에 특히 유용하다. 이러한 기술은 직접 3D 부피 표현을 생성하며, 이를 부피 렌더링을 통해 시각화하거나 조작하거나, 머칭 큐브를 이용한 등표면 추출 알고리즘을 통해 전통적인 3D 표면으로 변환할 수 있다.

3. 3. 2. 산업

산업용 컴퓨터 단층 촬영, 마이크로 단층 촬영 및 MRI는 의학 분야 외에도 비파괴 검사, 역설계, 생물학적 표본 및 고생물학적 표본 연구 등 물체와 그 내부의 디지털 표현을 얻기 위해 사용된다.^[1]

4. 응용 분야

3차원 스캐닝 기술은 다양한 분야에서 활용되고 있다.

• 우주 탐사: 유럽 우주국(European Space Agency)은 우주 암석을 스캔하는 데 3차원 스캐닝 기술을 사용했다.^[55][56]
• 로봇 공학: 레이저 스캐너는 로봇의 "눈" 역할을 하여 로봇 제어를 돕는다.^[57][58]
• 건축 및 토목: 교량, 산업 플랜트, 기념물 등의 시공 도면 작성, 유적지 기록^[59], 현장 모델링 및 배치, 품질 관리, 수량 조사, 탑재량 모니터링^[60], 고속도로 재설계 등에 활용된다. 또한 지진, 충돌, 화재 등으로 인한 구조적 변화를 감지하기 위한 벤치마크 설정에도 사용된다.
• 지리 정보: 지리 정보 시스템(GIS) 지도^[61] 및 측지학 자료 생성, 광산 및 카르스트 지형의 지하 레이저 스캐닝^[62] 등에 사용된다.
• 법의학: 범죄 현장, 탄도 궤적, 혈흔 패턴 분석, 사고 재구성, 폭탄 테러, 항공기 추락 현장 등 법의학 문서화^[63]에 활용된다.
• 제품 디자인 및 제조: 복잡한 부품 및 형상의 정확도 향상, 여러 부품을 조합한 제품 디자인 조정, 오래된 CD 스캔, 누락되거나 오래된 부품 교체, 자동차 제조 공장 등 실제 시공 설계 서비스 제공, 웹 공유 스캔을 통한 원격 협업, 출장 비용 절감 등에 기여한다.
• 엔터테인먼트: 영화, 비디오 게임 등 엔터테인먼트 산업^[64]에서 디지털 3D 모델 제작 및 가상 시네마토그래피에 활용된다.

• 3D 초상화: 3D 스캐너는 3차원 물체를 정확하게 표현하며,^[65] 사람들의 3D 초상화(3D 피규어 또는 3D 셀피) 제작에 사용된다.
• 증강 현실: 마드리드 레스토랑 체인 80 Degrees의 증강 현실 메뉴^[66] 제작에 활용되었다.
• 리버스 엔지니어링: 기계 부품의 리버스 엔지니어링을 위해 3D 스캐너를 사용하여 정확한 디지털 모델을 생성하고, 이를 폴리곤 메시, NURBS 표면, CAD 솔리드 모델 등으로 표현한다.
• 부동산: 토지나 건물을 3D 모델로 스캔하여 원격으로 부동산을 둘러보고 검사할 수 있게 한다.^[68]
• 가상 현실: 관심 장소의 환경을 3D 모델로 변환하여 VR 인터페이스나 2D 인터페이스를 통해 탐험할 수 있게 한다.^[71]
• 문화 유산 보존: 역사 유적지와 유물 스캔,^[73] 3차원 스캔과 3차원 프린팅 기술을 결합하여 실제 물체를 복제,^[76] 박물관 및 고고학 유물을 위한 3차원 모델 제작^[77][78][79] 등에 활용된다.
• 1999년, 스탠퍼드 대학교와 IBM 연구팀은 각각 미켈란젤로의 조각상 (다비드, 피에타 등)을 스캔하여 정밀한 디지털 모델을 제작했다.
• 2002년, 토머스 제퍼슨의 몽티첼로가 스캔되어 가상 전시회가 개최되었다.^[82]
• 2009년 사이아크(CyArk)는 유네스코 세계 유산인 우간다 카수비 무덤을 3D 스캔하여 상세한 건축 모델을 제작했다.
• 이집트 고고학 페트리 박물관, 잉글리시 헤리티지(English Heritage), 스미소니언 협회 등 여러 기관에서 3D 스캐닝을 활용한 유물 보존 및 연구 프로젝트를 진행하고 있다.
• 의료: 보조기 및 치과에서 환자의 3차원 형상을 포착하여 보조기, 의치,^[86] 임플란트 등을 설계 및 제조하는 데 사용된다.
• 교육: 해부학 및 생물학 교육용 3D 모델 제작,^[87][88] 신경외과 시뮬레이션을 위한 시체 모델 제작^[89] 등에 활용된다.
• 산업 품질 보증: 산업 현장에서 기하학적 치수 정확도를 측정하고, CAD 데이터와 비교하여 품질을 관리하는 데 사용된다.^[90][91]
• 지도 제작: 수집된 3D 데이터는 로컬(GIS) 맵^[93][94]이나 구글 어스, 애플 지도(Apple Maps)와 같은 전 세계 맵에 통합될 수 있다.
• 기타: 용접 원격 기술 응용,^[102] 주조 기술, 고고학 연구,^[105][106] 생물학 관찰,^[107] 모션 캡처, 제스처 인식, 로봇 매핑, 신체 치수 측정,^[110] 산업 디자인, 역설계,^[111] 프로토타이핑, 품질 관리, 비파괴 검사,^[112] 문화적 인공물 디지털화 등 다양한 분야에 응용된다.

5. 소프트웨어

3차원 스캐닝 데이터를 가져오고 처리하는 데에는 여러 소프트웨어 패키지가 사용된다.^[95] 널리 알려진 소프트웨어 패키지는 다음과 같다.

• 메시랩
• 스케치업
• Qlone
• 3DF 제피르
• 캐노마
• 라이카 포토그래머트리 스위트
• 마운틴스맵 SEM (현미경 응용 분야에만 해당)
• 포토모델러
• 톰비즈

• 근거리 사진 측량: 단초점 렌즈를 갖춘 디지털일안 반사식 카메라 등의 휴대용 카메라를 사용하여 건물의 파사드, 차량, 조각, 바위, 신발 등을 촬영하고 3D로 재구성한다.^[138]

• 카메라 어레이: 여러 카메라를 동기화하여 동시에 여러 시점에서 대상을 촬영하여 사람이나 애완 동물과 같은 살아있는 대상의 3D 점군이나 메쉬를 생성한다.^[139]

• 광각 사진 측량: 전천구 카메라 등의 광각 렌즈 카메라를 사용하여 건물의 내부나 둘러싸인 공간을 획득한다.

• 항공 사진 측량: 위성, 민간 항공기 또는 UAV 드론에 의해 획득된 항공 이미지를 사용하여 건물, 구조물, 지형의 이미지를 수집하고 점군 또는 메쉬로 3D 재구성한다.

• 폴리곤 메쉬 모델: 곡면이 다수의 작은 평면으로 이루어진 다각형으로 모델링된다(구체를 미러볼로 모델링한 것과 같은 것). 시각화에는 유용하지만, 데이터가 커서 편집에는 적합하지 않다. 인접한 점을 찾아 직선으로 연결하여 면을 만드는 과정이 필요하다.

• 서피스 모델: 곡면 패치의 퀼트를 사용하며, NURBS, TSpline, 또는 곡선 토폴로지 등의 곡선으로 표현된다. NURBS를 사용하면 구형은 진정한 수학적 구체로 만들 수 있다. CAD로 출력했을 때 가볍고 조작하기 쉽다. 면을 변형하는 조작만 가능하다. 유기적이고 예술적인 형상의 모델링에 적합하다.

• 솔리드 CAD 모델: 엔지니어링/제조 관점에서 형상 디지털화의 최종 형태는 편집 가능한 파라미터에 의한 CAD 모델이다. 구체는 중심점과 반지름으로 기술되며, 값을 변경하여 쉽게 편집할 수 있다. 대상의 형상뿐만 아니라 "설계 의도" (중요한 형상 특성과 다른 형상 특성과의 관계)도 표현한다.

6. 대한민국 현황 및 전망

LIDAR 데이터와 고해상도 이미지로부터 반자동으로 건물 추출이 가능하다. 이 방법을 통해 물리적으로 해당 장소나 대상에 접근하지 않고도 모델링이 가능하다.^[140] 항공 LIDAR 데이터로부터 디지털 표면 모델(DSM)을 생성하여 지면보다 높은 물체를 자동으로 감지할 수 있다. 건물에 관한 일반적인 지식(크기, 높이, 형태 정보 등)을 바탕으로 기하학적 특징을 사용하여 건물을 다른 대상으로부터 분리한다. 추출된 건물의 윤곽은 직교 알고리즘을 사용하여 단순화되어 더 나은 작도 품질을 얻는다. 지붕 능선 분석을 통해 능선을 추출하여 건물은 지붕 능선과 경사 정보에 따라 평지붕, 맞배, 모임의 3가지 모델을 사용하여 재구성된다.^[141]

LIDAR 및 기타 레이저 스캔은^[142] 높이와 거리 정보를 자동적이고 빠르게 수집하며, 건물의 높이 측정을 위해 유망하게 사용되고 있다.^[143] 항공 LIDAR와 지상 레이저 스캔을 모두 사용한 상업적 애플리케이션은 건물의 높이를 빠르고 정확하게 추출하는 방법이다. 건물 추출은 건물의 위치, 지상고, 방향, 크기, 지붕 높이 등을 결정하기 위해 필요하다. 대부분의 건물은 평면과 직선으로 경계를 표현하는 일반적인 다면체로 충분히 상세하게 묘사할 수 있다. 건물의 점유 영역을 다각형으로 표현하는 등 추가적인 처리가 GIS 데이터베이스에 저장하기 위해 수행된다.

플루 씨와 자콜 씨는 레이저 스캔 및 지상/상공 촬영 이미지를 사용하여 텍스처가 있는 3D 도시 모델을 자동으로 생성하는 접근 방식을 소개했다. 이 방식은 상세한 파사드 모델을 항공 모델과 결합한다. 항공 모델링 프로세스에서는 상공 촬영을 통해 전체 지역의 지형 형상과 건물 지붕 등 0.5미터 해상도의 모델을 만든다. 지상 모델링 프로세스에서는 건물의 파사드에 대한 상세한 모델을 생성한다. 항공 레이저 스캔에서 얻은 DSM을 사용하여 취득 기기의 위치를 특정하고, 몬테카를로 위치 추정(MCL)을 통해 지상의 파사드를 항공 모델에 맞춘다. 마지막으로, 두 개의 다른 해상도 모델을 결합하여 3D 모델을 얻는다.

하라 씨, 브레너 씨, 안더스 씨는 항공 레이저 고도계로 얻은 높이 데이터에 건물의 기존 평면도를 결합했다. 건물의 평면도는 아날로그 지도, 평면도, 디지털 2D GIS 형식으로 이미 확보되어 있다. 이 프로젝트는 다양한 종류의 정보 통합을 통한 자동 데이터 획득을 가능하게 하기 위해 수행되었으며, 지상 이미지 매핑 등을 통해 텍스처 처리를 한 가상 현실 도시 모델을 생성했다. 이는 3D 도시 GIS의 고속 획득 가능성을 보여주었다. 검증된 지상 평면도는 3D 건물 재구성을 위한 매우 중요한 정보원이다. 자동 방식과 비교하여 이 평면도는 인간이 해석하고 통합한 정보를 가지므로 더 신뢰할 수 있으며, 프로젝트 비용을 크게 절감할 수 있다.

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