3D 스캐너 원리와 종류, 활용성 알아보기
3D 프린터가 대중에게 많이 알려진 것과 다르게 3D 스캐너는 아직 생소한 개념입니다. 3D 스캐너가 무엇인지, 원리와 스캔 방법에 따른 종류는 어떻게 구분되어있는지, 그리고 3D 스캐너가 어떻게 활용되는지 알아보겠습니다. 실물 서류를 디지털화하는 스캔은 많은 사람들이 익숙한 개념인데, 3D 스캔은 일반적인 실생활에서 사용할 일이 잘 없어서인지 많은 분들이 잘 모르는 분야입니다.
3D 스캐너란?
3D스캐너는 실제 사물의 외곽선을 추출해서 데이터를 얻어내는 입체 측정기입니다. 컴퓨터 그래픽으로 사물을 모델링하는 것과는 다른 개념으로 실제 사물을 그래픽화 할 수 있게 해주는 도구입니다. 보이는 화면에서는 둘 다 3D 그래픽처럼 보이지만, 형태를 구성하는 데이터의 형식이 다릅니다.
우리가 흔히 접하는 3D라는 단어는 입체 그래픽, 3D 프린터 등에서 찾아볼 수 있습니다. 평면 만화에서 3D 입체 애니메이션으로 발달하면서 3D라는 개념이 많이 알려지게 되었습니다. *3D는 3차원이라는 뜻을 가지고 있습니다. X축과 Y축 만 있는 것이 2D, 2D에 Z 축이 더해진 것이 3D입니다. 평면이 아닌 입체로 구성되기 때문에 우리가 실제로 보는 사물, 풍경과 유사하고, 더욱 현실적으로 느끼게 됩니다.
3D 그래픽이 사물과 같아보이는 것을 컴퓨터로 구성해낸 것이라면, 3D 스캐닝은 실제 사물의 모양, 크기, 위치 등 정보를 3차원 좌표로 읽어내 그래픽화 합니다. 3D 스캐닝을 활용하면 사물과 똑같은 그래픽 데이터를 얻을 수 있고, 데이터를 활용해 컴퓨터로 작업을 하거나 3D 프린터로 같은 모양의 사물을 만들어낼 수 도 있습니다.
*3D : 3 Dimension의 약자로, X, Y, Z 3개의 축을 의미한다.
3D 스캐너 종류
3D 스캐닝은 크게 접촉식 스캐닝과 비접촉식 스캐닝으로 나눠집니다. 이름에서 유추할 수 있듯 접촉식은 측정할 대상에 직접 접촉해서 접촉점을 좌표값으로 읽어내는 방식이고, 비접촉식은 광학, 레이저 등을 활용해 접촉하지 않고 빛의 반사를 활용해 좌표값을 읽어내는 방식입니다.
접촉식 3D 스캐닝
접촉식 3D 스캐닝은 터치 프로브라는 방식을 도입해 측정할 사물에 직접 접촉해서 좌표를 읽어내는 3D스캐닝 방식입니다. 실제로 접촉을 하기 때문에 미세한 요철이나 각도 등을 잘 읽어낼 수 있고, 높은 정밀도를 자랑하지만 접촉식 기계가 설치되어있어야 하고, 공간에 제약이 있다는 단점이 있습니다.
접촉식 3D스캐너는 영어 약자로 CMM으로 부릅니다. Coordinate-Measuring Machine의 약자입니다. 사물을 수많은 점으로 나누고, 여러 개의 축으로 구성된 3D 스캐너가 프로브로 터치해서 점마다 좌표를 읽어냅니다. 읽어낸 많은 점들의 좌표를 연결해 사물을 그래픽화 하는데, 고정된 기계를 사용해서 입체 정보를 스캔하다 보니 측정 대상인 사물을 동일한 위치에 계속 고정해야 합니다. 접촉을 하다 보니 고정할 때나 접촉할 때 책정하는 물건에 손상을 줄 수도 있습니다.
접촉식 3D스캐너, CMM은 정밀하게 정보를 읽어낼 수 있다는 장점이 있어서, 장비나 지그 등 미세한 측정이 필요한 사물을 읽어내는데 주로 사용됩니다. 1mm보다 작은 오차가 오류를 일으킬 수 있는 정밀기계들에 들어가는 부품들을 읽어내고, 그래픽화 해서 다시 만들어 낼 때 아주 유용합니다.
비접촉식 3D 스캐닝
비접촉식 3D스캐닝은 측정거리에 따라 3가지로 분류합니다. 단거리, 중•단거리, 장거리 3차원 스캔으로 구분되는데, 각 거리별로 레이저 방식, 광학방식, 사진 방식 등을 적용해서 입체정보를 읽어냅니다. 좌표 정보를 읽어내는 방식은 여러 가지가 있습니다. 예를 들면 광 삼각법 방식, 백색광 방식, 라인 스캐닝 방식, 패턴 프로젝션 방식, TOP(Time of Flight) 방식 등이 있습니다.
각 방식들은 작용하는 원리가 조금씩 다르지만, 공통적으로 빛이나 파장을 활용해 사물 표면의 점좌표들을 읽어낸다고 쉽게 이해하면 됩니다. 빛이 사물에 닿고 반사되는 데 걸리는 시간, 반사된 빛이 보이는 위치, 파장을 발사한 후 반사된 파장 등을 데이터로 수집하고, 데이터를 분석하는 소프트웨어를 통해 좌표값을 읽어냅니다. 업계 관련자가 아니라면 각각의 비접촉식 3D 스캐닝 방식이 가지는 장단점을 알 필요까지는 없습니다.
비접촉식 3D스캐너는 설치형, 휴대형 모두 가능하다는 장점이 있습니다. 직접 손으로 들고 스캔할 수 있는 비접촉식 3D 스캐너도 있어서, 간단하게 입체 좌표 정보를 얻어낼 수 있습니다. CMM보다는 정밀하지 못하지만, 초정밀 스캔이 필요한 경우가 아니라면 일반적인 사물을 읽어내는 데는 부족함이 없습니다.
3D 스캐너 선택
어떤 물건의 입체정보를 얻어낼 것인지에 따라 추천하는 3D 스캐너가 달라집니다. 아주 정밀한 측정이 필요한 복잡한 표면을 가진 물건일 경우 접촉식 스캐닝 방식의 스캐너를 사용해야하고, 어느 정도 오차가 허용되고 전체적인 형태를 파악해야 하는 경우라면 비접촉식 3D 스캐너를 추천할 수 있습니다. 일상생활에서 3D 스캐너를 사용할 일은 거의 없다고 봐도 좋습니다. 아무래도 산업용 도로 사용되고, 정밀한 설계와 프로그램이 필요하다 보니 3D 스캐너의 가격은 크기가 작고 정밀도가 떨어지는 제품이라도 높은 가격대가 형성되어 있습니다.
3D 스캐너 생산업체 중 유명한 Artec 3D의 제품은 9,800달러부터 수만 달러까지 형성되어있고, 3D 스캐너와 함께 사용하는 프로그램도 별도로 7,500달러에서 약 2만 달러까지 가격이 책정됩니다.
3D 스캐너 활용(적용) 분야
최소 천만원대인 3D 스캐너는 어디에서 활용될까요? 3D 스캐너에 대한 위의 설명에서 중간중간 언급된 것처럼, 개인이 사용하는 것보다 산업용으로 사용되는 경우가 대부분입니다. 3D 스캐너가 산업에서 활용되는 경우는 크게 3가지로 나눌 수 있습니다.
- 제품 개발 및 디자인
- 리버스 앤지니어링
- 품질관리
1번과 2번은 서로 연관이 있지만, 각각의 목적으로 개별적으로 사용되기도 합니다. 기계의 부품을 개발하고, 완제품의 외형을 디자인할 때 필요한 곡선, 요철 등을 정확히 파악하고 디자인하기 위한 용도로 사용되는 것이 첫 번째 활용 분야입니다.
두 번째 활용 분야는 완성되어 있는 제품을 구조적으로 분석하고, 원리를 알아내기 위한 역공학, 리버스 앤지니어링입니다. 보통 호환되는 부품의 개발이나 경쟁상품 분석, 성능 향상 등을 목적으로 분석하고 발전시키는 데 사용됩니다.
세 번째 활용분야는 품질관리입니다. 사람의 눈이나 감각으로는 확인하기 어려운 미세하거나 복잡한 사물을 파악하고, 제품의 품질을 측정하는 데 3D 스캐너가 활용될 수 있습니다. 미세한 각도의 차이나 모서리 라운드 값의 차이 등은 사람이 판단하기가 어려운 경우가 대부분입니다. 모든 사람들이 스위스의 시계 장인들처럼 돋보기를 가지고 1mm보다 작은 오차를 찾아내거나 만드는 것이 가능하지는 않죠.
사람이 직접 측정하기 어려운 입체 정보를 읽어내는 데 사용된다는 전제를 생각하면, 3D스캐너가 어디에서 쓰일 수 있는지 상상하는 것이 어렵지 않습니다.
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