3차원 스캐너의 종류와 측정 방식

3차원 스캐너를 크게 두 종류로 구분한다면, 접촉식과 비접촉식으로 구분할 수 있습니다. 비접촉식 스캐너는 3차원 스캐너가 직접 빛을 피사체에 쏘는 여부에 따라 능동형과 수동형 스캐너로 분류될 수 있습니다. 참고로 최근 산업계의 주류는 대부분 능동형 스캐너이고, 능동형 스캐너만을 3차원 스캐너라고 한정하기도 합니다. 수동형은 주로 머신 비젼(Machine vision) 또는 로봇 비젼(Robot Vision)의 한 분야로 인식되곤 합니다.

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 오래 전부터 이 방식이 활용되어 왔고 측정점의 정확도가 우수한 편입니다. 그러나 대상물의의 표면에 접촉을 해야 하므로, 물체에 변형이나 손상을 줄 수 있다는 단점이 있습니다. 또 다른 CMM의 단점은 다른 스캐닝방식에 비해 측정 속도가 느리다는 것입니다. 고 성능 CMM조차도 수백 hertz(초당 측정점수) 에 불가합니다. 이에 반해, 비접촉식 스캐너인 레이저 스캐너의 경우 10~500 kHz에 이르며, 백색광(Structured light) 방식의 경우 3 MHz에 이르는 제품까지 개발되었습니다.

3차원 스캐너를 크게 두 종류로 구분한다면, 접촉식과 비접촉식으로 구분할 수 있습니다.

비접촉식 스캐너는 3차원 스캐너가 직접 빛을 피사체에 쏘는 여부에 따라 능동형과 수동형 스캐너로 분류될 수 있습니다. 참고로 최근 산업계의 주류는 대부분 능동형 스캐너이고, 능동형 스캐너만을 3차원 스캐너라고 한정하기도 합니다. 수동형은 주로 머신 비젼(Machine vision) 또는 로봇 비젼(Robot Vision)의 한 분야로 인식되곤 합니다.

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 오래 전부터 이 방식이 활용되어 왔고 측정점의 정확도가 우수한 편입니다. 그러나 대상물의의 표면에 접촉을 해야 하므로, 물체에 변형이나 손상을 줄 수 있다는 단점이 있습니다. 또 다른 CMM의 단점은 다른 스캐닝방식에 비해 측정 속도가 느리다는 것입니다. 고 성능 CMM조차도 수백 hertz(초당 측정점수) 에 불가합니다. 이에 반해, 비접촉식 스캐너인 레이저 스캐너의 경우 10~500 kHz에 이르며, 백색광(Structured light) 방식의 경우 3 MHz에 이르는 제품까지 개발되었습니다.

TOF방식원 스캐너의 핵심기술은 레 3차인지 파인더(Range Finder or Laser Range Finder)라고 불리는 빛을 물체 표면에 조사하여, 그 빛이 돌아오는 시간을 측정해서, 물체와 측정원점 사이의 거리를 구하는 기술을 바탕으로 하고 있습니다. 주로 레이저가 이용되는데, 빛의 활공시간인 시간이 측정되면 간단한 공식을 이용하여 거리를 구할 수 있습니다. TOF방식의 정확도는 시간을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가에 좌우되는데, 현재 기술로는 약 3.3 picoseconds(1조분의 1초)의 측정이 가능하므로, 이 방식은 약 1 milimeter 단위까지가 측정이 한계라고 볼 수 있습니다. 따라서 토목 측정이나, 건물 등 대형물 측정에 많이 활용됩니다. 레인지 파인더는 오직 측정기가 바라보는 방향(direction of view)으로의 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 회전거울을 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.

TOF방식원 스캐너의 핵심기술은 레 3차인지 파인더(Range Finder or Laser Range Finder)라고 불리는 빛을 물체 표면에 조사하여, 그 빛이 돌아오는 시간을 측정해서, 물체와 측정원점 사이의 거리를 구하는 기술을 바탕으로 하고 있습니다. 주로 레이저가 이용되는데, 빛의 활공시간인 시간이 측정되면 간단한 공식을 이용하여 거리를 구할 수 있습니다. TOF방식의 정확도는 시간을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가에 좌우되는데, 현재 기술로는 약 3.3 picoseconds(1조분의 1초)의 측정이 가능하므로, 이 방식은 약 1 milimeter 단위까지가 측정이 한계라고 볼 수 있습니다. 따라서 토목 측정이나, 건물 등 대형물 측정에 많이 활용됩니다. 레인지 파인더는 오직 측정기가 바라보는 방향(direction of view)으로의 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 회전거울을 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.

광 삼각법 3차원 레이저 스캐너도 능동형 스캐너로 분류되며, TOF방식의 스캐너처럼 레이저를 이용합니다. 레이저가 얼마나 멀리 있는 물체에 부딪혔는가에 따라 레이저를 수신하는 CCD 카메라 소자에는 레이저가 다른 위치에 보여지게 됩니다. 카메라와 레이저 발신자 사이의 거리, 각도는 고정되어 이미 알고 있으므로, 카메라 화각 내에서 수신 광선이 CCD소자의 상대적인 위치에 따라 깊이(depth)의 차이를 구할 수 있습니다. 이를 삼각법이라고 합니다. 대부분의 경우는 단순히 하나의 레이저 점을 조사 하는 게 아니라 스캐닝 속도를 높이기 위해 라인타입의 레이저가 주로 이용됩니다. 이 기술은 캐나다 국립 연구재단(The National Research Council of Canada)이 1978년에 처음으로 개발하였으며 대부분의 레이저 타입의 3차원 스캐너는 TOF 또는 이 방식을 주로 이용하고 있습니다.

핸드헬드 스캐너는 3차원 이미지를 얻기 위해, 앞에서 언급된 광 삼각법을 주로 이용합니다. 점(dot) 또는 선(line) 타입의 레이저를 피사체에 투사하는 레이저 발송자와 반사된 빛을 받는 수신 장치(주로 CCD)와 함께, 내부 좌표계를 기준좌표계와 연결하기 위한 시스템으로 구성되어 있습니다. 기준좌표와 연결하기 위한 시스템은 정밀한 인코더가 부착된 소위 이동형 CMM이라고 불리는 접촉식 로봇 팔과 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(infrared light emitting diode)를 붙여, 스캐너 외부에 설치된 트레커(tracker)가 이 발신자의 위치를 추적을 합니다. 이 정보를 이용해 내부좌표계로 생성된 3차원 이미지데이터를 기준좌표게로 변환시키는 시스템들도 다수 출현했습니다.

백색광 방식 스캐너는 특정 패턴을 물체에 투영하고 그 패턴의 변형 형태를 파악해 3차원 정보를 얻어냅니다. 여기에 사용되는 패턴은 여러 가지가 있는데 1차원 패턴 방식은 선(line) 형태의 패턴을 LCD 프로젝트나 움직이는 레이저(sweeping laser)를 이용해 물체에 프로젝션 시킵니다. 카메라는 프로젝트로부터 적당한 거리(대부분 피사체에 크기에 따라 가변적임)를 두고 위치 하는데, 패턴에서 라인을 인식하고, 그 라인을 구성하는 모든 화소의 깊이 값은 광 삼각법을 이용해 구해 냅니다.1차원 패턴 방식은 하나의 라인 패턴을 물체를 죽 훑어 내는 방식인데 반해 2차원 패턴 방식은 그리드(grid)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(Multistripe Laser Triangulation)이라고 불리는 방식이 개발되어 이러한 한계가 극복이 되었습니다. 이러한 패턴과 관련한 다양한 연구들이 이 분야에서 활발하게 진행되고 있습니다. 이러한 백색광 방식의 최대 장점은 그 측정속도에 있습니다. 한번에 한 점씩 스캔하는게 아니라, 전체 촬상영역(Fied of View, FOV) 전반에 걸려 있는 모든 피사체의 3차원 좌표를 한번에 얻어 낼 수 있습니다. 이점 때문에 모션장치에 의한 진동으로 부 터 오는 측정 정확도의 손실을 획기적으로 줄일 수 있으며 어떤 시스템들은 움직이는 물체를 거의 실시간으로 스캔 해낼 수도 있습니다. 이 때문에 특히 산업계에서 정밀한 스캐닝을 위한 목적으로 널리 사용되고 있습니다.

변조광 방식의 3차원 스캐너는 물체 표면에 지속적으로 주파수가 다른 빛을 쏘고 수광부에서 이 빛을 받을 때, 주파수의 차이를 검출해, 거리 값을 구해내는 방식으로 작동합니다. 이 방식은 스캐너가 발송하는 레이저 소스 외에 주파수가 다른 빛의 배제가 가능 해 간섭에 의한 노이즈를 감쇄 시킬 수가 있습니다. 이런 타입의 스캐너는 TOF방식의 단점인, 시간 분행능에 대한 제한이 없어 훨씬 고속(약1M Hz)으로 스캔이 가능한데 비해 레이저의 세기가 약한데, 이는 일정 영역의 주파수 대를 모두 사용해야 하기 때문입니다. 따라서, 중거리 영역인 10~30 m 영역을 스캔 할 때 주로 이용이 됩니다.

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