3D 스캐닝 활용 분야 어디까지 갈 것인가
Three Dimensional Scanning Technology
3D 스캐닝은 3D 프린팅과 더불어 요즘 누리꾼들로부터 화제를 모으는 분야로 손꼽히는 첨단 기술이다. 사실 3D 기술은 개발된 지 30여년이 지났지만 고비용과 정밀도 등의 기술적 문제로 상업화가 미미하기만 했다. 그러나 지난 2013년 정부가 ‘3차 산업혁명을 유발할 기술’로 3D 프린팅 산업을 지목하고 난 후 본격적으로 3D 산업에 시동이 걸려 분위기가 급변하는 모습이 보인다. 3D 스캐닝은 3D 프린팅에서 디지털 데이터를 얻는 방법으로 가격 다운과 함께 대중화를 코앞에 둔 것은 물론 휴대용 스캐너의 보급으로 수많은 애플리케이션이 기대되는 분야라 할 수 있다.
글 | 이용준 기자(yong@visionsystem.kr)
① 일본 3D 스캐너 시장 조사
일본 야노경제연구소에 따르면, 지난해 3D 스캐너 시장은 주요 분야인 시험, 평가, 역설계 등 공업 용도를 목적으로 한 기업 설비 투자가 활성화됐다. 공업 용도 외에 치과, 미용 등 의료 분야에 대한 적용과 3D 프린터를 축으로 한 신규 서비스, 예를 들어 정교한 피규어를 만들 수 있는 ‘3D 사진관’ 등 서비스 사업자도 새로 등장해 비 공업 용도의 3D 기술 활성화도 시작됐다.
지금까지 1,000만엔(약 1억원) 이상으로 매우 비싼 제품이 많았던 3D 스캐너이지만, 제조업체 및 무역회사의 제품 라인업 확충으로 수백만엔(수천만원) 수준의 저가 제품이 출시돼 구입이 어려웠던 중소기업에서도 3D 스캐너 생태계 진입이 진행되고 있다.
새로운 3D 적용분야 플랜트 계측
앞으로 성장의 여지가 큰 3D 스캐너 수요 분야로 꼽히는 플랜트 계측은 공장 내 배관 및 설비 기기 레이아웃 등의 정확한 위치정보를 디지털화해 기록하는 분야를 말한다. 3D 디지털 데이터를 기록함으로써 공장 개선을 위한 기초자료를 저장하고, 향후 생산 계획 수립 시 보조 자료로 활용할 수도 있다.
그동안 중소기업 등의 플랜트 계측은 공장 레이아웃의 디지털 데이터가 아닌 공장장 및 시설 담당자 등이 감각적으로 파악하거나 종이 기반의 도면이 있는 수준이었다. 또한 공장 개선 및 수리 때마다 실제 위치가 변경돼 도면 정보와는 괴리가 발생하곤 했다. 대기업도 공장 디지털 데이터를 완벽하게 기록하고 있는 기업은 적고, 플랜트 엔지니어링 회사에 맡기고 있는 경우가 많았다.
하지만 3D 스캐너 가격 다운이 이루어지면서 오일 및 화학, 원자력 등 대기업 제조업체 등은 물론 자동차와 전기, 식품 등 제조 및 중소기업에까지 3D 스캐닝 플랜트 계측의 확대 조짐이 보이고 있다.
플랜트 계측은 높은 잠재력을 가진 유망분야로써 기업이 성공 사례를 거듭해 나가는 단계가 될 뿐만 아니라, 토대를 굳히는 중요한 시장이 될 것으로 전망된다.
다양한 분야, 새로운 길 개척
3D 스캐너의 토목, 건설 용도는 향후 3D 스캐닝의 새로운 수요처 확보와 안정화의 열쇠가 될 것이다. 또한 연구의 일환으로 대형 건물 등을 측정하는 교육 기관, 자동차나 항공기 등의 이동체에 장착되는 MMS(모바일 매핑 시스템), 교통사고 현장 검증, 권총 탄도 측정, 3D CG(3차원 컴퓨터 그래픽)를 사용한 영화, 실재하는 골프장이나 레이싱 코스를 재현한 게임 등 전방위적인 도입이 예상된다.
현재 3D 스캐너 시장에서 중심이 되는 것은 공업 용도를 중심으로 한 BtoB(Business to Business) 시장이다. 그러나 아직 규모는 작더라도 향후 비공업 용도의 수요 확대 움직임을 무시할 수 없다. 에스테틱이나 스포츠클럽, 속옷 메이커 등에서 사용되는 바디 스캐너 그리고 캐릭터 피규어나 데스 마스크 등을 다루는 엔터테인먼트 관련 사업자 등 BtoC(Business to Customer) 시장도 점점 입지를 다져나갈 것으로 보인다.
다른 활용 분야로는 3D 스캐너를 모니터링 장치로 활용해 시계열(통계량의 변화를 시간의 움직임에 따라서 포착하고 이것을 계열화) 변화를 정확히 읽어내는 것으로 방범 및 방재 등에 이용하는 방법이 있고, 보안 산업 등과 연계하면 새로운 시장 창출 가능성도 높을 것으로 예측된다.
최근 3D 프린터 시장의 확대로 보석이나 피규어 등을 개인이 취미로 만드는 시장도 활발해지고 있다. 제품의 저가격화가 한층 더 진행되면 3D 영상을 촬영하는 고급 사용자뿐만 아니라 동영상을 포함한 일반적인 촬영용으로도 활용이 확대될 것이다.
일본 야노경제연구소에 따르면, 2012년도 일본 3D 스캐너 내수시장은 수량이 1,280대(전년대비 136.2% 상승), 금액이 76억8,000만엔(전년대비 125.3% 상승, 사업자 매출액 기준)을 기록했고 오는 2016년까지 수량이 2,300대(전년대비 109.5% 증가), 금액이 11,000백만엔(전년대비 104.8% 증가, 사업자 매출액 기준)으로 증가될 것으로 예상된다.
출처 | KISTI 미리안(mirian.kisti.re.kr)
② 3D 스캐닝 기술로 안방에서 만나는 유적물
Smithsonian 박물관에서 3D 스캐닝 컬렉션 프로젝트를 시작했다. 미국의 Smithsonian 박물관은 역사, 문화적으로 의미 있는 유적물을 스캔해 그 데이터를 온라인을 통해 나눌 수 있도록 시스템화했다. Smithsonian(스미스소니언 협회 : 과학 지식의 보급 향상을 위해 1846년 Washington D.C.에 창립된 학술 협회)에서 진행하는 이 프로젝트는 유적물을 사이즈와 복잡도에 상관없이 3D 디지털로 이미지화해 온라인 박물관을 만드는 작업이다.
유적물을 디지털화하면 마치 관람객이 박물관을 직접 방문한 것처럼 생생한 모습으로 집에서 유적물을 만날 수 있다. 박물관에서나 볼 수 있었던 공룡 뼈와 같은 것을 3D 이미지화해 온라인 웹 브라우저로 언제든 이용 가능한 것이다.
Smithsonian 프로젝트의 Mr. Metello는 “Smithsonian X 3D로 만든 모형은 박물관의 실제 컬렉션과 거의 같다”며, “이런 방법으로 문화재를 디지털화해 컬렉션의 대부분을 전 세계의 관람자가 나눌 수 있을 것”이라고 전했다.
3D 프린터 덕분에 유적물을 손으로 만져
Smithsonian 프로젝트는 유적물을 디지털화한 데서 멈추지 않고 3D 프린터를 통해 플라스틱 모형으로 만들었다. 디지털화된 유적물은 3D 프린터를 거쳐 실제 복제 모형이 된 것이다.
이런 새로운 방법으로 고고학적이고 고생물학적인 시기를 현대로 옮겨 더 이상 존재하지 않는 순간을 손으로 느낄 수 있게 됐다. 만약 박물관에 있었다면 눈으로 보는 것 이상할 수 없었던 과정을 3D 프린터와 결합된 3D 스캐닝이 실제 살아있는 물질로 한 걸음 더 다가오도록 만든 것이다.
Smithsonian 프로젝트를 진행한 Vincent Rossi는 “우리 목표는 3D 스캐닝의 실제적 기능을 전 세계에 보여주고 그들이 3D 스캐닝의 흥미로운 방법을 가지고 상호작용하도록 돕는 것”이라고 전했다.
박물관의 미래 기능을 바꿀 3D 프로젝트
Smithsonian X 3D 프로젝트는 19개의 박물관, 9개의 연구센터와 국립 동물원에서 진행됐다. 다양한 3D 획득 방법을 시도하며 과학적 과제를 수행했고, 그 결과 이들이 만들어 낸 ‘실물이 된 유적물’은 앞으로 박물관의 미래를 바꿀 것으로 예상된다.
일 예로, Smithsonian X 3D 프로젝트 관계자는 유적 연구원이 현장에서 견본을 가져오는 것이 아니라 3D 데이터로 문서화해 연구 작업을 수행할 수 있을 것으로 예상했다. 또한 많은 유적 관련된 3D 모델이 원본 그대로 다운로드될 수 있을 것이고 3D 프린팅된 보조물로 심화된 연구를 진행할 수 있을 것이다.
큐레이터와 교육자는 3D 데이터를 사용해 Scaffolding(아동이나 초보자가 주어진 과제를 잘 수행할 수 있도록 유능한 성인이나 또래가 도움을 제공하는 지원의 기준이나 수준)으로 유적에 관련된 이야기를 알기 쉽게 전달할 수 있게 될 것으로 보인다.
특히 고고학자들은 3D 데이터를 도입한 편차 분석으로 과거에 있었던 유적물이 현재까지 정확하게 어떤 변화를 겪었는지 알 수 있게 될 것이다.
Smithsonian X 3D 스캐닝 사례
탈레반이 파괴한 Vairochana를 복원
Vairochana(바이로차나)는 태양과 같다는 뜻으로 부처를 뜻한다. 옛 사람들은 과거 역사적 부처의 삶에 기반한 형상은 그 부처의 살아있는 현존이고, 불상을 만든 자신은 성상과 하나가 된다고 믿었다. 그래서 이런 불상을 형상화하는 작업이 이뤄지곤 했다.
모든 불상과 마찬가지로 이 실물 크기의 석회암 Vairochana도 간단한 겉옷에 싸여있다. 하지만 다른 불상과는 달리 겉옷에 자세하게 무늬가 묘사돼 있다.
Vairochana는 기록 속에만 존재하는 불상이다. 왜냐하면 2001년 탈레반에 의해 파괴됐기 때문이다. 하지만 Smithsonian X 3D를 통해 아프가니스탄에 서 있었던 55m의 Vairochana를 다시 볼 수 있게 됐다.
수척했던 링컨의 얼굴을 다시 만나
링컨 마스크는 1865년 2월 11일 링컨의 56번째 생일을 위해 조각가 Clark Mills이 만든 것이다. 그러나 사고로 마스크가 파손됐고, 현재 알려진 마스크는 1889년 Clark Mills의 아들에 의해 다시 만들어진 카피본이다.
19세기 때 매우 인기 있던 이 얼굴은 모델의 특징을 잘 표현한 것으로 알려져 있다. 시민전쟁 당시 링컨의 근심을 나타낸 수척한 얼굴은 얼마나 전쟁이 사람을 괴롭게 만드는지 보여준다. 그리고 섬세한 라인으로 나타나는 초췌함은 링컨이 노예해방을 위해 바쳤던 헌신의 증거로 여겨지고 있다.
상상 속에만 존재했던 매머드를 실물로
프리미게니우스 매머드(Mammuthus Primigenius)라는 이름으로 알려진 털복숭이 매머드는 아시아에서 발견된 코끼리의 조상격 동물이다.
빙하기 동안 멸종된 매머드와 같은 큰 초식 동물은 아시아와 북 아메리카에 서식했다. 과학자들은 초기 인간과 같이 살았던 매머드가 얼마나 많이 사냥을 당해서 멸종했는지 아니면 다른 어떤 이유로 볼 수 없게 됐는지 연구하고 있다.
뉴욕에 있는 국립 자연사 박물관에 있는 빙하시대 매머드는 3D 데이터로 전환돼 생물역학과 고생물학에 매우 도움이 될 것으로 보인다. 다루기엔 매우 크고 무거운 이들의 뼈를 데이터화해 한결 쉽게 연구가 진행될 것이다.
출처 | Smithsonian X 3D(3d.si.edu)
③ 건강 관리 파트너 3D 스캐너
건강 관리 파트너(HCP) 스캐너는 의료 서비스 및 3D 신체 측정 애플리케이션에 적합한 3D 스캐너다. HCP는 빠른 형태 포착 및 높은 정밀 기능으로 3D 데이터를 생성해 편안한 맞춤형 장치를 제작하는데 사용된다. 스캐닝 세션이 매우 짧아 번거로운 과정을 단축시킬 수 있기 때문에 더 많은 환자들을 치료할 수 있게 될 것이다. 건강 관리 파트너 3D 스캐너는 기존 반드시 필요한 것으로 여겨졌던 주조 검사법을 대신하는 이상적인 대안이다.
사용자 중심의 3D 스캐너 HCP는 단시간 내에 사용법을 배울 수 있어서 사용자의 숙련도에 관계 없이 사용 가능하다.
데이터 파일은 인터넷을 통해 원격 제조 센터에 신속하고 안전하게 전송돼 기계 가공 과정을 최적화시킬 수 있으며 기존의 번거롭고 불결한 주조 검사법을 대신해 환자의 불편을 최소화하는 비접촉, 비침해적 3D 스캐너다.
수동 측정과 비교했을 때 기술자의 숙련도나 주변 환경에 관계없이 스캔된 데이터의 정확도는 0.5mm까지 달성할 수 있으며 약 1kg의 무게로 휴대성이 높다.
건강 관리 파트너 3D 스캐너는 모든 3D 스캐닝 기술 제품군을 구동하는 일체형 3D 데이터 수집 소프트웨어인 VXelements로 구동된다. 모든 필수 요소와 툴을 직관적인 단일 사용자 중심 작업 환경으로 불러올 수 있다.
VXscan 소프트웨어 모듈
VXscan은 3D 스캐닝 데이터 수집 및 최적화 전용 소프트웨어다. 모든 사용자의 경험 수준에 알맞게 특정 작업에 필요한 성능을 제공한다.
표면 최적화 알고리즘은 후처리가 필요 없는 정확한 메쉬를 제공하며 다중 스캔 레이어의 생성을 방지한다. 최적화된 메쉬 출력물은 모든 표준 형식으로 내보낼 수 있다. 또한 스캔 해상도에 한계가 없으므로 스캔할 신체 부위의 크기에 관계 없이 원하는 해상도 값을 입력할 수 있다. 해상도는 스캔 전후에 언제든지 변경할 수 있다.
사용자가 신체 부위를 스캔하면서 바로 3D 표면을 볼 수 있는 실시간 렌더링이 가능하고 그밖에 홀 채움, 메쉬 정의 손실이 없는 스마트 간략화 등이 가능하다.
응용 분야
장구학·보철학
의족 또는 신체부분 교체물의 주문 제작이 가능하다. 예를 들어 영유아 자세성 사두증 치료에 쓰이는 3D 측정은 치료 헬멧의 디지털 제조 및 치료 진행에 대한 후속 작업을 위해 두개골을 비접촉으로 디지털화할 수 있다.
심미 성형
수술 전후 외모를 시각화하거나 수술 절차의 효과를 시뮬레이션하기 위해 신체부분을 3D 스캐닝
족병
병 또는 특수 신발의 제조를 위한 발/발가락/발목을 3D 스캐닝
유방 절제술
환자 고유의 신체 모양 및 측정치에 기초한 수술 후 유방 재건 성형을 위해 상반신을 3D 디지털화
이동 보조 기구
맞춤형 좌석을 제조하기 위해 환자 신체를 3D 스캐닝
3D 아카이빙(보존 장치)
보관할 부피가 큰 석고 모형이나 주형을 의료 기록 데이터베이스에 전자 파일로 보관해 필요할 경우 수초 내로 이메일로 안전하게 전송
기타 애플리케이션
HCP 3D 스캐너는 신체의 거의 모든 바깥 부위를 스캔할 수 있으며 기타 의료 애플리케이션에서 이용 가능
④ Artec 3D 휴대용 스캐너
실시간 고속 3D Artec 스캐너는 높은 해상도로 텍스트를 캡처해 다양한 목적으로 이용할 수 있다. 1초에 16프레임을 캡처하며 초당 최대 20만 포인트를 동시에 처리한다. 높은 해상도(최대 0.5㎜)와 높은 정확도(최대 0.1㎜)로 영상을 획득하는 Artec 스캐너는 이동이 편리한 소형·경량 구조의 휴대용 스캐너다.
Artec 3D 스캐너는 대상 주위를 360도 회전하며 스캔할 수 있어서 다각도에서 스캔된 데이터가 실시간으로 하나로 합성돼 3D Model이 완성된다. 회전과 동시에 얼굴 표정과 같이 시시각각 변하는 물체를 스캔할 수 있으며 스캔하는 동안 어떤 마커도 대상에 부착할 필요가 없다. 자동으로 합성된 3D Model은 STL, OBJ, PLY, WRL로 추출되며 이미지는 ZBrush, 3D Studio Max, Maya 등의 모델링 툴로 추출 가능하다.
성냥갑 크기의 작은 모델부터 전신 크기의 큰 모델까지 스캔이 가능하도록 L/M/S 3가지 모델이 있으며, 특히 스캐너를 혼용해서 사용하면 더욱 정교한 3D 모델을 만들 수 있다.
응용 분야
의료 분야(Medical Imaging)
실시간 스캔으로 신체 일부분의 스캔 데이터가 필요한 정형외과 외에도 다양한 의료 분야에 사용된다. 기존의 X-Ray와 같은 사진 촬영방식보다 더욱 다루기 쉽고 간단하게 영상을 획득할 수 있다.
성형외과에서 성형 전·후 상태를 쉽게 시각적으로 확인할 수 있게 돕는다. 다이어트나 헬스케어 분야에서도 전·후 모습을 비교하도록 정확한 수치화를 제공하며 맞춤형 보조기구를 제작하는데 필요한 정보를 공급해 휠체어 등을 만들 수 있다.
영화, 게임 산업(Computer Graphics for The Cinema and Gaming Industry)
움직이는 물체를 비디오 카메라처럼 연속으로 스캔하거나 스냅샷식으로 실시간 스캔이 가능함은 물론 고화질의 텍스처를 함께 읽어낼 수 있어 컴퓨터 그래픽을 사용하는 애니메이션, 캐릭터 등의 분야에 새로운 솔루션이 된다. CG, 애니메이션에서 실시간으로 얼굴 등을 스캔해 시시각각 변하는 표정이나 전신을 스캔할 수 있다.
영화나 컴퓨터 게임 제작에 필요한 모션캡처를 수행할 수 있다. 기존 모션캡처 방식은 몸 전체에 여러대의 카메라가 쫓아갈 수 있는 마커를 부착해야 했으나 3D 스캐닝은 마커를 부착할 필요가 없다. 빠르게 움직이는 물체도 스캔이 가능하기에 새로운 차원의 모션 캡처로 기능하며 작은 변형 및 움직임도 정교하게 잡아낸다.
패션 분야(Pattern Production, Custom Tailoring)
단 몇분 내에 정교한 전체 신체를 스캔할 수 있기 때문에 맞춤 의복 디자인이 쉽고 경제적이며 고객의 신체 데이터를 확보해 지속적인 고객 관리가 가능하다.
문화재 보수정비(Heritage Preservation)
Artec 3D 스캐너의 Color Texturin 기능은 색상이 중요한 고고학 분야에 도움을 준다. 주위 환경에 영향을 덜 받기 때문에 생생한 Color Mapping에 용이하다.
⑤ 결점 검출 SIDIO 3D 스캐너
SIDIO 3D 스캐너는 3차원 포인트 클라우드를 생성하는 광학 측정 방식을 도입한 스캐너로 매우 높은 정확도와 빠른 속도(0.3초)로 기능한다.
SIDIO XR
■ 높은 정확도 : 0.009~0.019㎜
■ 광택 재질 스캔 가능 : EDR 기술
■ 4단계 가변형 스캔 범위 : 120×80×60㎜~550×390×240㎜
■ 진동 감지 기능
■ 시스템 자가 진단 기능
■ Automatic Calibration Kit
SIDIO NEO
■ 빠른 스캔 속도(0.5초)
■ 높은 정확도 : 0.0009~0.024㎜
■ 작업 거리 : 330~1200㎜
■ 4단계 가변형 스캔 범위 : 120×80×60㎜~550×390×240㎜
■ Automatic Calibration Kit
SIDIO AIRUS
■ 생산 자동화 라인 Inspection System
■ 빠른 스캔 속도(0.3초)
■ 높은 정확도 : 0.070㎜
■ 최대 검사 가능 범위 : 1500×1500×1000㎣
■ Field of View : 340×260×200㎜
■ Control Panel : Touch Screen LCD
■ 사진 계측 통합 시스템
응용 분야
역설계(Reverse Engineering)
SIDIO 시스템은 빠른 속도로 정확하게 대상을 스캔하므로 역설계에 적합하다. 접촉식 3차원 측정이 불가능한 제품도 비접촉 방식으로 3D 스캐닝이 가능하며 3D CAD 프로그램과도 연계할 수 있다. 휴대가 간편한 탁월한 기동성으로 생산 현장에서 이동 측정이 용이하다.
치수 제어(Dimensional Control)
기존 접촉식 3차원 측정기에서 불가능한 소프트하거나 깨지기 쉬운 재질의 치수를 측정할 수 있다. 빠른 속도로 포인트 클라우드와 자유 곡면 데이터를 측정해 CAD와 비교도 가능하며 치수 비교 시 Depth Colour 기법에 의한 직관적인 판단이 용이하다.
직접 가공(Direct Machining)
금형의 수정·수리 등의 과정 중 열처리와 같은 외압으로 인한 변형을 파악할 수 있도록 디지털 형상화를 수행한다. 금형의 양산화를 위해 필요할 디지털 복제에도 활용될 수 있을 것이다.
예술작품 사본(Artwork Replicas)
예술품의 보존 및 복제를 위해 비접촉 방식으로 원형 손상없이 3D 스캐닝을 수행한다. 무타겟 Projection 기법에 의한 정교한 Registration이 가능해 3D 모델링 후 3D 프린팅 또는 CAM 가공에 의해 사본을 생산할 수 있다.
과학적 기록(Scientific Documentation)
고고학 유적지 등에서 화석, 유물 등을 디지털화한다. 또한 3D 모델링 및 측정으로 과학적 조사가 가능하다.
