KR101665908B1 - 3d 프린팅의 사전 시각화 방법 - Google Patents

Abstract

3D 프린팅 결과물을 사전 시각화하기 위한 컴퓨터 구현 방법(Computer implemented method)로서, (a) 3D 프린팅할 객체에 관한 3D 모델 데이터 및 G-Code 데이터를 수신하는 단계; (b) 상기 G-Code 데이터의 분석을 통해 상기 3D 모델의 아웃라인(outline)에 해당하는 경로 세그먼트(path segment)들을 추출하는 단계; (c) 3D 프린터의 진동을 모사하는 노이즈 값을 상기 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에 할당하는 단계; (d) 상기 경로 세그먼트에 할당된 노이즈 값을 사전 지정된 가중치에 따라 일 방향으로 전파시키는 단계; (e) 상기 경로 세그먼트를 텍스처 이미지의 이미지 좌표로 맵핑시키는 단계; (f) 상기 경로 세그먼트에 할당된 노이즈 값에 따른 상기 텍스처 이미지 상에서의 주변 영향력을 고려하여 상기 텍스처 이미지 상의 각 위치에서의 노이즈 값을 결정하는 단계; 및 (g) 노이즈 값이 반영된 텍스처 이미지를 이용한 3D 렌더링을 통해 3D 프린팅 결과물에 대한 사전 시각화를 실행하는 단계를 포함하는 사전 시각화 방법이 제공된다.

Description

3D 프린팅의 사전 시각화 방법{PRE-VISUALIZATION METHOD FOR 3D PRINTING}

본 발명은 3D 프린팅(three dimensional printing) 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린팅에 활용될 수 있는 사전 시각화 방법에 관한 것이다.

3D 프린터는 본래 기업에서 어떤 물건을 제품화하기 전에 시제품을 제작하기 위한 용도로 개발되었다. 1980년대 초반에 미국의 3D 시스템스(3D Systems)社에서 플라스틱 액체를 굳혀 입체 물건을 만드는 프린터를 최초로 개발한 이후, 플라스틱 소재로 국한되었던 초기 단계에서 발전하여 나일론과 금속 소재로 범위가 확장되었다. 현재는 산업용 3D 프린터뿐만 아니라 개인용 3D 프린터까지 등장하게 되었다.

최근 등장한 개인용 3D 프린터는 주로 FDM 방식을 따르고 있으며, 이미 여러 제품이 출시되어 3D 프린팅의 대중화를 이끌고 있다. FDM 방식의 개인용 3D 프린터는 점점 발전하고 있지만 아직 산업용 3D 프린터만큼의 안정성을 갖추지는 못하고 있다. 개인용 3D 프린터는 예를 들어 출력 도중에 출력물이 베드(Bed)에 고정되지 않고 이탈하는 경우도 발생하며, 외부 충격이나 3D 프린터 자체의 진동에 의해 예상과는 다른 출력물이 나오기도 한다. 이에 따라, 대부분의 FDM 방식의 3D 프린터의 출력물들은 3D 프린터 모터에 의해 발생되는 진동과 노즐(Nozzle)에서 발생하는 열에 의해 출력물 표면에 가로줄 무늬 패턴이 생기게 된다. 이러한 특유의 패턴은 미학적인 효과를 주고 있지만, 3D 프린팅 출력이 완료될 때까지 사용자가 실제 출력물의 품질을 예측할 수 없는 문제가 있다.

디지털 제조시장이 성장하면서 제품의 생산 결과를 사전에 미리 소비자에게 시각화하여 알려줄 필요성이 높아지고 있다. 이러한 이유로 3D 프린팅 결과물을 웹 환경에서 시각화하는 기술(WebGL)이 요구된다.

그러나 종래 기술에 따르면 3D 프린팅 경로를 제어하는 데이터인 G-Code를 시각화하는 프로그램이 존재하지만, 이와 같이 프린팅 경로를 확인하는 것만으로는 출력 결과를 예측하기 어렵다. 또한 G-Code의 프린팅 경로를 시뮬레이션하여 시각화하는 종래의 기술은 많은 데이터를 요구하기 때문에 웹 환경에서 사용하기에는 무리가 있다.

따라서 3D 프린팅의 실제 출력 결과를 보다 근접하게 모사할 수 있고 웹 환경에서도 무리 없이 시각화할 수 있는 신규의 시각화 기술이 요구된다.

본 발명은 3D 프린팅의 결과물을 실제 출력 결과에 보다 근접하게 시각화하여 모사할 수 있고, 시각화 데이터를 최소화하여 웹 환경에서도 렌더링이 가능하도록 한 3D 프린팅의 사전 시각화 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 3D 프린팅 결과물을 사전 시각화하기 위한 컴퓨터 구현 방법(Computer implemented method)로서, (a) 3D 프린팅할 객체에 관한 3D 모델 데이터 및 G-Code 데이터를 수신하는 단계; (b) 상기 G-Code 데이터의 분석을 통해 상기 3D 모델의 아웃라인(outline)에 해당하는 경로 세그먼트(path segment)들을 추출하는 단계; (c) 3D 프린터의 진동을 모사하는 노이즈 값을 상기 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에 할당하는 단계; (d) 상기 경로 세그먼트에 할당된 노이즈 값을 사전 지정된 가중치에 따라 일 방향으로 전파시키는 단계; (e) 상기 경로 세그먼트를 텍스처 이미지의 이미지 좌표로 맵핑시키는 단계; (f) 상기 경로 세그먼트에 할당된 노이즈 값에 따른 상기 텍스처 이미지 상에서의 주변 영향력을 고려하여 상기 텍스처 이미지 상의 각 위치에서의 노이즈 값을 결정하는 단계; 및 (g) 노이즈 값이 반영된 텍스처 이미지를 이용한 3D 렌더링을 통해 3D 프린팅 결과물에 대한 사전 시각화를 실행하는 단계를 포함하는 사전 시각화 방법이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 (b) 단계는,

(b1) 상기 G-Code 데이터에서 G00 명령 코드 및 G01 명령 코드를 파싱(parsing)함으로써, 각각의 명령에서 위치 값을 추출하여 경로 세그먼트(path segment)들을 획득하는 단계; (b2) 상기 3D 모델의 표면을 구성하는 메시(Mesh)와 상기 획득된 경로 세그먼트의 교차 판별을 통해, 상기 3D 모델의 아웃라인에 해당하는 경로 세그먼트들을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (b2) 단계는, 상기 3D 모델의 각 레이어(layer)를 구성하는 메시와 해당 레이어의 경로 세그먼트의 교차 판별을 통해서, 상기 3D 모델의 아웃라인에 해당하는 경로 세그먼트들을 추출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (c) 단계는,

(c1) 상기 3D 모델의 아웃라인에 해당하는 경로 세그먼트들을 이용하여 2차원 격자에 의한 그래디언트 벡터장(Gradient vector field)를 구성하는 단계-여기서, 상기 벡터장의 세로 방향의 해상도는 G-Code 경로의 레이어 수를 기준으로 결정되고, 가로 방향의 해상도는 가장 긴 G-Code 경로 내의 경로 세그먼트의 수를 기준으로 결정되며, 각 격자점에는 각 경로 세그먼트가 갖는 방향 벡터 값이 그래디언트 값으로 설정됨-; (c2) 각 격자점의 그래디언트 벡터와, 경로 세그먼트의 시작점 또는 끝점과 각 격자점 간의 거리 벡터 간의 내적 연산(inner product operation)을 통해 각 격자점이 경로 세그먼트의 시작점 또는 끝점에 주는 영향력 값을 계산하고, 그 계산된 영향력 값을 이용하여 사전 지정된 보간법(interpolation method)에 따라 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에 펄린 노이즈(Perlin noise)를 할당하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (d) 단계는,

FDM(Fused Deposition Method) 3D 프린팅에 따라 결과물 표면에 발생하는 가로줄 무늬 패턴을 모사하기 위해서, 상기 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에 할당된 노이즈 값을 해당 레이어 상의 한 쪽 방향으로 사전 지정된 가중치를 적용하여 전파시키는 단계일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (e) 단계는,

상기 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점의 위치를 상기 3D 모델의 표면을 구성하는 대응 메시 표면 상에 투영시키고, 투영된 위치에서의 UV 텍스처 좌표를 이용하여 텍스처 이미지 상의 픽셀 너비 및 높이를 반영하여 텍스처 이미지 상의 이미지 좌표로 맵핑시키는 단계일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (f) 단계는,

(f1) 상기 경로 세그먼트의 시작점과 끝점에 할당된 노이즈 값에 기반하되 특정 가중치를 반영한 선형 보간법을 적용하여 상기 경로 세그먼트 상의 임의의 지점에 관한 노이즈 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (f) 단계는, FDM(Fused Deposition Method) 3D 프린팅에 따른 적층 특성을 모사하는 범프 맵(Bump Map)의 생성을 위해,

(f2) 상기 경로 세그먼트 상의 임의의 지점으로부터 사전 지정된 유효 반경 내에 위치하는 텍스처 이미지 상의 각 지점에서의 노이즈 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (f2) 단계에서, 상기 사전 지정된 유효 반경 내에 위치하는 텍스처 이미지 상의 각 지점에서의 노이즈 값은, 3D 모델의 메시 표면과 거리 상 가까운 경로 세그먼트일수록 상기 주변 영향력 값이 높아지도록 하는 가중치를 상기 경로 세그먼트 상의 최단 거리의 지점의 노이즈 값에 부여함으로써 결정될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (f2) 단계에서, 상기 사전 지정된 유효 반경 내에 위치하는 텍스처 이미지 상의 각 지점에서의 노이즈 값은, 텍스처 이미지 상의 경로 세그먼트와 가까운 거리에 위치할수록 상기 주변 영향력 값이 높아지도록 하는 가중치를 상기 경로 세그먼트 상의 최단 거리의 지점의 노이즈 값에 부여함으로써 결정될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 사전 시각화 방법에 의하면, 3D 프린팅의 결과물을 실제 출력 결과에 보다 근접하게 시각화하여 모사할 수 있고, 시각화 데이터를 최소화하여 웹 환경에서도 렌더링이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 결과물에 관한 사전 시각화 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도.
도 2는 3D 모델의 아웃 라인에 해당하는 G-Code 경로를 획득하는 방법을 설명하기 위한 예시 도면.
도 3은 경로 세그먼트를 이용한 그래디언트 벡터장 생성 방법을 설명하기 위한 예시 도면.
도 4는 3D 프린터의 진동을 모사하여 경로 세그먼트의 노이즈 값을 생성하는 방법을 설명하기 위한 예시 도면.
도 5는 경로 세그먼트의 이미지 좌표 상의 맵핑 방법을 설명하기 위한 예시 도면.
도 6은 3D 프린팅 실제 결과물과 본 발명의 실시예에 따른 사전 시각화 방법에 따라 생성된 3D 렌더링 결과물을 비교 설명하기 위한 예시 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 명세서 전체에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하나 이상의 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있음을 의미한다.

본 발명의 실시예에서는 3D 프린팅 결과의 특징을 시각화하기 위해 텍스처(Texture)를 사용한다. G-Code는 많은 경로 데이터로 구성되어 있기 때문에, 그 경로들을 기하학적으로 표현하기에는 다소 무리가 따르며 다른 프로그램에 응용하기에도 효율적이지 못하다.

따라서 본 발명의 실시예에서는 실시간 응용을 위하여 G-Code의 경로들을 텍스처로 반영하여 시각화한다. 이미 많은 연구에서 텍스처를 활용하여 다양한 시각적 효과를 보여 주고 있다. 특히, 범프 맵핑(Bump Mapping)은 매우 보편적으로 사용되고 있는 기술 중에 하나로서, 텍스처를 사용하여 물체 표면을 세밀하게 표현하는 기술이다. 또한 노멀 맵(Normal Map) 기술은 범프 맵핑과 유사하나, 높이 값 대신 노멀 값을 직접 텍스처에 저장하는 텍스처 기술이다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 텍스처 기술들을 이용하여 3D 프린팅 결과를 효율적으로 시각화할 수 있고, 웹 환경에서도 실시간 렌더링이 가능하도록 하였다. 본 발명의 실시예에 따른 사전 시각화 방법은, 3D 모델 데이터와 G-Code를 분석하여 텍스처를 생성하고 3D 프린팅 결과를 렌더링한다. 이하, 이에 대하여 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 결과물에 관한 사전 시각화 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도이다. 이하, 도 1에 중심으로 도 2 내지 도 6을 함께 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 사전 시각화 방법을 설명한다.

여기서, 도 2는 3D 모델의 아웃 라인에 해당하는 G-Code 경로를 획득하는 방법을 설명하기 위한 예시 도면이고, 도 3은 경로 세그먼트를 이용한 그래디언트 벡터장 생성 방법을 설명하기 위한 예시 도면이며, 도 4는 3D 프린터의 진동을 모사하여 경로 세그먼트의 노이즈 값을 생성하는 방법을 설명하기 위한 예시 도면이고, 도 5는 경로 세그먼트의 이미지 좌표 상의 맵핑 방법을 설명하기 위한 예시 도면이며, 도 6은 3D 프린팅 실제 결과물과 본 발명의 실시예에 따른 사전 시각화 방법에 따라 생성된 3D 렌더링 결과물을 비교 설명하기 위한 예시 도면이다.

본 발명의 실시예예 따른 사전 시각화 방법은 도 1의 단계 S110 ~ 도 1의 단계 S160에 따라 수행된다. 이하 각 단계를 상세히 설명하면 아래와 같다. 이때, 도 1의 단계 S110 ~ S160은 사전 시각화 장치(즉, 사전 시각화 방법을 구현하는 소프트웨어가 탑재된 컴퓨팅 디바이스)에 의해 실행될 수 있다. 따라서 이하에서는 설명의 편의를 위해 각 단계를 설명함에 있어서 그 각 단계를 실행하는 주체(즉, 사전 시각화 장치)에 대한 별도의 설명은 생략하기로 한다.

[도 1의 단계 S110]의 설명

먼저, 본 발명의 실시예예 따른 사전 시각화 방법에 의할 때, 도 1의 단계 S110에 따라 3D 모델 및 해당 3D 모델에 대한 G-Code를 입력 받는다. 여기서, 3D 모델은 3D 프린팅할 객체에 관한 3D 모델 데이터를 의미하고, G-Code는 해당 3D 모델의 프린팅을 위해 3D 프린터의 프린팅 동작을 제어하기 위한 제어 정보를 포함하는 프로그램을 의미한다. 본 발명의 이해를 돕기 위해, G-Code에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

G-Code는 가장 폭넓게 사용되고 있는 수치 제어 프로그래밍 언어로서 G 프로그래밍 언어라고도 불리고 있다. 주로 컴퓨터 기반의 공작 기계(Machine tool)에 사용되고 있으며, 어느 위치로 움직이는지 또는 얼마나 빠르게 움직이는지 등의 제조 과정을 정의하는 언어라고 할 수 있다. 대부분의 개인용 FDM 3D 프린터도 이러한 G-Code를 기반으로 기계를 제어하고 있으며 정의된 경로와 속도에 따라 재료를 적층하여 출력물을 완성한다.

G-Code는 여러 개의 명령어를 포함하고 있지만, 3D 프린팅에서는 주로 G00와 G01 명령 코드로 생성 경로를 제어하며, 보통 이러한 명령 코드 뒤에는 목표 좌표(위치)와 속도 값이 기술된다. G00 명령의 경우는 적층 재료인 필라멘트를 사출하지 않고 3D 프린터의 노즐(Nozzle)을 해당 위치로만 이동시키는 명령 코드이고, G01 명령은 목표 위치까지 필라멘트를 사출해가면서 이동시키는 명령 코드이다. 일반적인 3D 프린터 사용자는 주로 슬라이싱(Slicing) 알고리즘을 통해 G-Code를 계산해 낸다. 슬라이싱 알고리즘은 어떠한 3D 모델을 여러 개의 레이어(Layer)로 잘라내고 각 레이어에서 적층 경로를 계산한다. 대표적인 슬라이서(Slicer)로는 Cura, Kisslicer, Sli3er가 있으며, G-Code 명령어들은 3D 프린터 오픈 소스 프로젝트인 RepRap(Replication Rapid Prototype)에서 상세히 설명되어 있다.

[도 1의 단계 S120]의 설명

3D 모델 및 G-Code가 입력되면, 도 1의 단계 S120에서는, G-Code를 분석하여 3D 모델의 아웃라인(outline, 외곽선)에 해당하는 경로 세그먼트(path segment)를 추출한다.

3D 프린팅 결과물의 시각적인 특징은 해당 모델의 외곽선 근처를 지나가는 G-Code의 경로에 의해서 결정된다. 이러한 사실을 고려하여 본 발명의 실시예에서는 3D 모델의 메시(Mesh) 표면 근처에 존재하는 G-Code 경로들을 해당 모델의 텍스처에 반영하여 3D 프린팅 결과를 시각화한다.

도 3은 3D 모델의 슬라이싱된 G-Code 경로를 예시적으로 보여주고 있다. 여기서, 도 3의 (a)는 특정 3D 모델을 나타내고, 도 3의 (b)는 슬라이싱된 특정 레이어에서의 G-Code 경로를 나타낸 것이다. 도 3에서와 같이 3D 모델의 외곽 근처 이외에도 존재하는 G-Code 경로가 다수 존재하기 때문에, 본 발명의 실시예에서는 G-Code를 분석하여 해당 모델의 외곽선에 해당하는 경로를 분류해내야 한다.

3D 모델의 외곽선 근처에 인접하는 경로를 찾기 위하여 G-code에서 G00와 G01 명령을 파싱(Parsing)함으로써, 각각 명령에서 위치 값을 추출하여 경로 세그먼트(Path Segment)들을 계산한다. 그리고 각각의 경로 세그먼트들이 외곽선에 해당하는지를 확인하기 위하여 3D 모델을 구성하고 있는 메시(Mesh)와 교차 판별을 수행한다. 메시의 양이 크면 교차 판별에 많은 부담이 되므로, 본 발명의 실시예에서는 메시 정보를 사전에 몇 개의 레이어(layer)로 나눠서 관리하였다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 3D 모델의 외곽선에 해당하는 G-Code의 경로 세그먼트를 추출할 때, 각 레이어에 해당하는 경로 세그먼트와 메시만을 교차 판별함으로써 효율성을 높였다.

[도 1의 단계 S130]의 설명

3D 모델의 외곽선에 해당하는 G-Code의 경로 세그먼트들이 추출되면, 도 1의 단계 S130에서는, 3D 프린터의 진동을 모사하는 노이즈 값을 각 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에 할당(부여)한다.

3D 프린터(특히, 개인용 3D 프린터)에 의해 발생한 진동은 출력 결과에 직접적으로 영향을 미치며, 이에 따라 출력 결과물의 표면에는 진동에 의한 패턴이 발견된다. 이러한 요인으로 인해, 3D 프린팅 결과를 보다 근사하게 모사하기 위해서는 표면에 생기는 진동에 의한 패턴을 미리 시각화할 필요가 있다. 진동에 의해 생성된 패턴은 예측 불가한 노이즈라고 할 수 있으므로, 이러한 불규칙한 패턴을 모사하기 위해 본 발명의 실시예에서는 Perlin 노이즈 기법을 적용하여 해당 모델의 텍스처를 생성한다. Perlin 노이즈 기법은 불규칙한 패턴의 결과물을 시각화하는데 유용하게 활용될 수 있기 때문이다.

또한 3D 프린팅 과정은 3차원 공간에서 선을 그려 물체를 출력하는 과정이라 할 수 있다. 즉, 3D 프린팅에서는 여러 개의 선을 레이어 별로 적층하여 물체를 완성하기 때문에 최종 결과물의 표면에는 적층에 따른 패턴도 보이게 된다. 이러한 특징을 반영하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 2차원 형태의 격자로부터 Perlin 노이즈를 계산한다. 이하, 이에 대하여 도 3을 참조하여 설명하면 아래와 같다.

도 3은 Perlin 노이즈 생성을 위해서, 3D 모델의 외곽선에 해당하는 경로 세그먼트들을 이용하여 2차원의 Gradient vector field를 구성한 예를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 2차원 Gradient vector field는, 3D 프린터가 각 레이어의 경로 세그먼트들에 기반하여 재료를 적층하는 것에 대응하여, 격자의 각 행에 특정 레이어의 경로(즉, G-Code Path)를 일직선으로 펼쳐서 배치하는 방식으로 생성하였다. 따라서, 2차원 Gradient vector field의 세로 방향의 해상도(즉, 행의 개수)는 G-Code Path의 레이어수와 동일하게 되며, 가로 방향의 해상도(즉, 열의 개수)는 가장 긴 G-Code Path 내의 경로 세그먼트 수를 기준으로 결정된다. 3D 모델에서 G-Code Path의 총 길이는 레이어 별로 상이할 수 있는 바, 가장 긴 Path의 경로 세그먼트의 수를 기준으로 2차원 Gradient vector field의 열의 개수를 결정한 후, 가장 긴 Path의 총 길이를 기준으로 벡터장의 가로 길이에 맞춰 각 경로의 길이를 조정하여 배치하였다. 그런 다음, 경로 세그먼트 별로 경로의 벡터를 각 격자점에 투영하여 Gradient vector field를 생성한다.

상술한 바와 같이 경로 세그먼트들이 투영된 Gradient vector field는 Perlin 노이즈 기법의 노이즈 값을 계산하는데 사용된다. 도 4는 도 3과 마찬가지로 Gradient vector field 안에 배치된 경로 세그먼트를 나타내고 있다. 여기서, 도 4의 (a)의 g는 각 격자점에 저장된 Gradient 값(즉, 도 3에서 경로 세그먼트가 갖는 방향 벡터 값)을 의미하며, 도 4의 (b)의 d는 각 격자점에서 p까지의 거리를 나타낸다. 여기서, 도 4의 (a) 및 (b)의 파란색 점은 경로 세그먼트의 시작과 끝점을 나타낸다.

본 발명의 실시예에서는, Perlin 노이즈 기법에 따라서, g와 d 벡터의 내적 연산(inner product operation)을 통해 각 격자점(도 4의 녹색점)이 p에 미치는 영향력 값(스칼라 값)을 계산하여 이를 각 격자점에 저장한 후, p 주변의 4개의 격자점에 저장된 값에 기반한 보간법을 통해서 최종적으로 경로 세그먼트의 시작과 끝 위치(즉, p 위치)의 노이즈 값을 계산해 낸다. 이때, 보간법으로는 다양한 공지의 방법들(예를 들어, 2차원 보간에 이용되는 bi-linear interpolation 등)이 이용될 수 있다.

상술한 바에 따라, 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에는 불규칙한 패턴의 노이즈인 Perlin 노이즈가 할당(부여)될 수 있다. 또한 이때의 Perlin 노이즈는 G-Code Path의 각 레이어에 기반하여 구성된 2차원 Gradient vector field에서 생성된 값인 바, 3D 프린팅의 적층 과정에서의 레이어 간의 영향도 반영된 값을 갖는다.

[도 1의 단계 S140]의 설명

이후, 도 1의 단계 S140에서는, FDM 적층 패턴에 따라 결과물 표면에 발생하는 가로줄 무늬의 패턴을 모사하기 위해서, 앞선 단계를 통해 경로 세그먼트의 시작점과 끝점에 할당된 노이즈 값을 일 방향으로 전파한다.

FDM 3D 프린터는 재료를 한층 씩 쌓아가는 방식으로 물체를 생산한다. 때문에 생산 과정에서 자연스럽게 이미 적층되어 있는 재료의 영향을 받는다. 다만, 이는 앞서 단계에서와 같이 경로 세그먼트 정보를 격자로 옮겨서 노이즈 값을 보간하여 생성하는 방법을 이용한다면, 다른 레이어의 영향을 간접적으로 반영할 수 있다. 그러나 앞서 단계를 통한 보간에 따른 노이즈 계산만으로는 자연스러운 패턴을 구성하기는 힘들다. 편차가 큰 구간이 존재하기도 하기 때문이다.

또한, FDM 방식의 3D 프린터는 대게 필라멘트를 연속적으로 사출하여 선을 그리듯이 적층하기 때문에 프린팅된 결과물의 표면에는 가로줄 무늬 패턴이 나타난다. 따라서, 3D 프린팅 결과물을 실제와 더욱 근사하게 모사하기 위해서는 실제 출력물에서의 가로줄 무늬 패턴도 모사할 필요가 있다. 따라서, 실제 출력물과 비슷한 가로줄 무늬의 패턴을 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 경로 세그먼트들의 시작점 및 끝점에 저장된 노이즈 값을 한쪽 방향으로 전파하였다.

상술한 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에 저장된 노이즈 값의 일 방향으로의 전파는 하기 수학식 1에 의해 수행될 수 있다.

여기서,

는 경로 세그먼트의 시작점의 노이즈 값이고,

는 경로 세그먼트의 끝점의 노이즈 값이며,

는 노이즈 전파의 가중치를 나타낸다. 이때, 가중치

는 FDM 적층 패턴에 의한 가로줄 무늬를 모사할 수 있도록 사전 계산된(또는 통계적으로 확인된) 값으로 설정되거나 또는 사용자에 의해 지정되는 값으로 설정될 수 있다.

상기 수학식 1에 따르면, 각 레이어

별로, n-1 번째 경로 세그먼트의 노이즈(시작점인 경우에는

임)를 가중치

에 따라 일 방향으로 전파시킴으로써 새로운 노이즈(시작점인 경우, 위 수학식 1의 좌변항의

임)를 계산할 수 있다.

[도 1의 단계 S150]의 설명

상술한 단계들을 통해, 3D 프린터의 진동 패턴, FDM 적층 패턴(서로 다른 레이어에 의한 영향 및 가로줄 무늬 패턴)에 따른 영향이 반영된 노이즈가 계산되면, 이를 텍스처에 반영시키는 단계들이 수행된다. 먼저, 도 1의 단계 S150에서는 텍스처 맵핑을 위해서 경로 세그먼트를 이미지 좌표로 맵핑시킨다.

경로 세그먼트를 이미지 좌표 상에 맵핑시키기 위해, 먼저, 경로 세그먼트가 위치한 텍스처 좌표를 계산하여야 한다. 이를 위해 경로 세그먼트를 3D 모델의 인접한 메시 표면으로 투영하여야 한다. 이를 도 5의 (a)를 참조하여 설명한다.

도 5의 (a)를 참조할 때, 원래의 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점의 위치를

이라 할 때, 메시 표면에 투영된 위치의 시작점 및 끝점의 위치를

이라 가정한다. 그리고 그 투영된 위치에서의 UV 텍스처 좌표는

라 가정한다.

이때, 경로 세그먼트에 관한 UV 텍스처 좌표를 텍스처 이미지 상에 좌표로 맵핑한다. 이는 하기 수학식 2에 의할 수 있으며, 하기 수학식 2에 의하면 경로 세그먼트가 텍스처 이미지 상에서 어느 위치에 맵핑되는지를 알 수 있다.

즉, 텍스처 이미지 상의 너비(width) 및 높이(height)를 이용하면, 상기 수학식 2에 따라 n 번째 경로 세그먼트의 UV 좌표(

)를 텍스처 이미지 상의 위치(

)로 변환할 수 있다.

[도 1의 단계 S160]의 설명

경로 세그먼트가 이미지 좌표 상에 맵핑되면, 도 1의 단계 S160에서는, FDM 적층 특성을 모사하여 범프 맵(Bump Map) 텍스처를 생성한다.

FDM 3D 프린터의 또 다른 출력 특징(적층 특징)은 X, Y 보다 높이(즉, 적층 두께)에 해당하는 Z축 방향에서의 해상도가 높다는 것이다. 즉, 3D 프린터의 노즐의 열기에 의해 녹아 사출되는 필라멘트는 아래로 흘러내리면서 자연스럽게 X축 및 Y축 평면으로 퍼지게 되기 때문에, Z축의 높이 방향의 정밀도가 더 높은 현상을 나타낸다. 따라서 범프 맵 텍스처를 생성할 때 이와 같은 특징을 반영할 필요가 있다. 이와 같이 범프 맵 텍스처를 생생성하는 이유는 FDM 3D 프린터에 의한 출력물의 표면은 완벽하게 매끄럽지 못하기 때문에 이를 반영하여 텍스처를 생성하기 위함이다.

3D 프린터의 노즐로부터 사출되는 필라멘트가 X축 및 Y축 평면으로 방사형으로 퍼질 때의 유효 반경을 r이라고 가정하여, 이하 범프 맵 텍스처를 생성하는 방법에 대하여 도 5의 (b)를 함께 참조하여 설명하기로 한다.

앞선 단계에 따라, 경로 세그먼트의 UV 좌표(

)에 관한 텍스처 이미지 상의 위치(

)가 판별되면, 반경 r 범위 내에 위치한 임의의 점

와의 관계에서 가장 가까운 경로 세그먼트 상의 위치

를 구하고, 그 위치에서의 노이즈 값인

를 계산한다. 즉, 본 과정은 반경 r 범위 내의 임의의 점에 영향을 주는 경로 세그먼트 상의 위치의 노이즈 값을 구하기 위한 것이다. 이때, 경로 세그먼트 상의 임의의 위치(즉,

)의 노이즈 값(즉,

)은 하기 수학식 3 및 수학식 5에 따르는 보간을 통해 계산할 수 있다.

여기서, 하기 수학식 3은 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점(도 5의 (b)에 의할 때,

)의 각 노이즈 값(즉,

및

)을 이용한 선형 보간법에 적용될 가중치(

)를 결정하기 위한 것이다.

가중치

는 선형 보간법에 따라 상기 수학식 3의 첫째 행의 의해 결정될 수 있다. 또한 이때, 가중치는 선형 보간법에 의하여 0 ~ 1 사이의 값을 갖도록 클램핑 처리될 수 있다. 이때의 클램핑 함수는 일반적으로 하기 수학식 4에 정의된 바에 따라 값을 출력한다.

상술한 수학식 3에 따라 가중치

가 결정되면, 경로 세그먼트 상의 임의의 위치(

) 및 해당 위치에서의 노이즈 값(

)은 하기 수학식 5의 선형 보간법에 따라 계산될 수 있다.

앞서도 설명한 바와 같이, 3D 프린팅의 시각적 특징을 결정하는 것은 3D 모델의 외곽선 부근을 지나가는 경로 세그먼트이다. 따라서 3D 모델을 구성하는 메시 표면과 평행에 가까운 경로 세그먼트가 시각적으로 더 많은 영향을 미치게 된다.

따라서 원래의 경로 세그먼트 방향의 해당 경로 세그먼트가 메시 표면에 투명된 방향의 내적 연산(inner product operation)을 통해서 특정 경로 세그먼트가 실제 텍스처에 반영될 때의 영향력(즉, 가중치)을 결정할 수 있다. 본 실시예에서는 이를 위해 하기 수학식 6을 통해서 그 영향력 값(

)을 0 ~ 1 사이 값으로 계산하였다. 즉, 하기 수학식 6에 의하면, 메시 표면과 거리 상 가까운 경로 세그먼트일 수록 영향력 값이 높고, 거리 상 먼 경로 세그먼트일수록 영향력 값이 낮도록 설계하였다. 다만, 이러한 취지를 달성할 수 있는 범위 내에서 하기 수학식 6은 변형되어도 무방하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 도 5의 (b)에서와 같은 텍스처 이미지 상에서의 경로 세그먼트와 그 주변의 임의의 위치(예를 들어, 도 5의 (b)의

) 간의 거리에 따른 영향력(즉, 가중치)도 정의한다. 왜냐하면, 경로 세그먼트 상의 임의의 위치(

)에 사출된 필라멘트가 방사형으로 그 주변으로 퍼져나갈 때의 영향력을 텍스처에 반영하기 위함이다. 본 발명의 실시예에서는 이를 위해 수학식 7을 통해서 그 영향력 값(

)을 0 ~ 1 사이 값으로 계산하였다. 즉, 하기 수학식 7에 의하면, 텍스처 이미지 상의 경로 세그먼트와 가까운 거리에 위치한 지점일수록 영향력 값이 높고, 먼 거리에 위치한 지점일수록 영향력 값이 낮도록 설계하였다. 다만, 이러한 취지를 달성할 수 있는 범위 내에서 하기 수학식 7은 변형되어도 무방하다. 하기 수학식 7에서,

는 해당 벡터에 관한 normalization을 수행한 값의 절대값을 나타낸다.

이때, 앞서 설명한 유효 반경은, 본 예에서 하기 수학식 8과 같이 0 ~ 4의 값을 갖도록 설정하였다. 즉,

를 기준으로 최대 4 픽셀 반경에 있는 경로 세그먼트만이 영향을 주는 것으로 설정한 것이다. 다만, 이러한 설정치는 시스템 구현 방식에 따라, 설계자의 선택에 따라 상이하게 설정될 수도 있음은 물론이다. 하기 수학식 8에서,

는 투영되는 메시의 단위 법선 벡터를 나타낸다.

상술한 바에 따라, 가중치

및

가 결정되면, 하기 수학식 9에 따라, 경로 세그먼트 주변의 임의의 위치

에서의 노이즈 값을 계산할 수 있다. 즉,

는 경로 세그먼트 상의 가장 가까운 지점(

)의 노이즈 값인

를 기준으로 상술한 가중치들을 적용하여 계산할 수 있다. 다만, 반드시 하기 수학식 9에 의할 필요는 없으며, 상술한 가중치들이 반영되는 한도 내에서 다양한 계산식의 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 과정들을 모두 거치면, 경로 세그먼트 상의 임의의 지점들을 기준으로 텍스처 이미지 상에서 그 주변의 노이즈 값들이 모두 계산될 수 있다. 이에 따라 3D 프린팅 과정에서 발생할 수 있는 다양한 조건에 따른 노이즈 값들이 실제 출력 결과물에 발생하는 시각적 특징에 상응하여 생성되게 된다. 상술한 바와 같은 사전 시각화 방법에 의하면, 최종 렌더링될 3D 렌더링 이미지 상에서 해당 노이즈 값들이 반영된 시각화 결과물을 획득할 수 있게 된다.

이에 관한 일 예시가 도 6에 도시되어 있다. 도 6의 (a)는 3D 프린팅 실제 결과물이고, 도 6의 (b)는 단순 3D 렌더링에 따른 시각화 결과물을 나타내고, 도 6의 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 사전 시각화 방법을 적용한 시각화 결과물을 나타낸다. 본 예시에서는 G-Code 생성을 위해서 Cura 슬라이서를 사용하였고, 출력물은 ALMOND 3D 프린터를 사용하였다. 또한 시각화된 결과물은 WebGL 기반의 Three.js를 통해 랜더링하였다. 도 6의 (a) ~ (c)의 비교를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 사전 시각화 방법을 통해 예측된 결과는 단순 렌더링 방식에 비해서 실제 출력물과 근사한 결과를 보여줌을 확인할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 방법 및 장치는 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.

컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 3D 프린팅 결과물을 사전 시각화하기 위한 컴퓨터 구현 방법(Computer implemented method)로서,
   (a) 3D 프린팅할 객체에 관한 3D 모델 데이터 및 G-Code 데이터를 수신하는 단계;
   (b) 상기 G-Code 데이터의 분석을 통해 상기 3D 모델의 아웃라인(outline)에 해당하는 경로 세그먼트(path segment)들을 추출하는 단계;
   (c) 3D 프린터의 진동을 모사하는 노이즈 값을 상기 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에 할당하는 단계;
   (d) 상기 경로 세그먼트에 할당된 노이즈 값을 사전 지정된 가중치에 따라 일 방향으로 전파시키는 단계;
   (e) 상기 경로 세그먼트를 텍스처 이미지의 이미지 좌표로 맵핑시키는 단계;
   (f) 상기 경로 세그먼트에 할당된 노이즈 값에 따른 상기 텍스처 이미지 상에서의 주변 영향력을 고려하여 상기 텍스처 이미지 상의 각 위치에서의 노이즈 값을 결정하는 단계; 및
   (g) 노이즈 값이 반영된 텍스처 이미지를 이용한 3D 렌더링을 통해 3D 프린팅 결과물에 대한 사전 시각화를 실행하는 단계
   를 포함하는 사전 시각화 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 (b) 단계는,
   (b1) 상기 G-Code 데이터에서 G00 명령 코드 및 G01 명령 코드를 파싱(parsing)함으로써, 각각의 명령에서 위치 값을 추출하여 경로 세그먼트(path segment)들을 획득하는 단계;
   (b2) 상기 3D 모델의 표면을 구성하는 메시(Mesh)와 상기 획득된 경로 세그먼트의 교차 판별을 통해, 상기 3D 모델의 아웃라인에 해당하는 경로 세그먼트들을 추출하는 단계를 포함하는, 사전 시각화 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 (b2) 단계는, 상기 3D 모델의 각 레이어(layer)를 구성하는 메시와 해당 레이어의 경로 세그먼트의 교차 판별을 통해서, 상기 3D 모델의 아웃라인에 해당하는 경로 세그먼트들을 추출하는, 사전 시각화 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 단계는,
   (c1) 상기 3D 모델의 아웃라인에 해당하는 경로 세그먼트들을 이용하여 2차원 격자에 의한 그래디언트 벡터장(Gradient vector field)를 구성하는 단계-여기서, 상기 벡터장의 세로 방향의 해상도는 G-Code 경로의 레이어 수를 기준으로 결정되고, 가로 방향의 해상도는 가장 긴 G-Code 경로 내의 경로 세그먼트의 수를 기준으로 결정되며, 각 격자점에는 각 경로 세그먼트가 갖는 방향 벡터 값이 그래디언트 값으로 설정됨-;
   (c2) 각 격자점의 그래디언트 벡터와, 경로 세그먼트의 시작점 또는 끝점과 각 격자점 간의 거리 벡터 간의 내적 연산(inner product operation)을 통해 각 격자점이 경로 세그먼트의 시작점 또는 끝점에 주는 영향력 값을 계산하고, 그 계산된 영향력 값을 이용하여 사전 지정된 보간법(interpolation method)에 따라 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에 펄린 노이즈(Perlin noise)를 할당하는 단계를 포함하는, 사전 시각화 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 (d) 단계는,
   FDM(Fused Deposition Method) 3D 프린팅에 따라 결과물 표면에 발생하는 가로줄 무늬 패턴을 모사하기 위해서, 상기 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점에 할당된 노이즈 값을 해당 레이어 상의 한 쪽 방향으로 사전 지정된 가중치를 적용하여 전파시키는, 사전 시각화 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 (e) 단계는,
   상기 경로 세그먼트의 시작점 및 끝점의 위치를 상기 3D 모델의 표면을 구성하는 대응 메시 표면 상에 투영시키고, 투영된 위치에서의 UV 텍스처 좌표를 이용하여 텍스처 이미지 상의 픽셀 너비 및 높이를 반영하여 텍스처 이미지 상의 이미지 좌표로 맵핑시키는, 사전 시각화 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 (f) 단계는,
   (f1) 상기 경로 세그먼트의 시작점과 끝점에 할당된 노이즈 값에 기반하되 특정 가중치를 반영한 선형 보간법을 적용하여 상기 경로 세그먼트 상의 임의의 지점에 관한 노이즈 값을 결정하는 단계를 포함하는, 사전 시각화 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 (f) 단계는,
   FDM(Fused Deposition Method) 3D 프린팅에 따른 적층 특성을 모사하는 범프 맵(Bump Map)의 생성을 위해,
   (f2) 상기 경로 세그먼트 상의 임의의 지점으로부터 사전 지정된 유효 반경 내에 위치하는 텍스처 이미지 상의 각 지점에서의 노이즈 값을 결정하는 단계를 포함하는, 사전 시각화 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 (f2) 단계에서, 상기 사전 지정된 유효 반경 내에 위치하는 텍스처 이미지 상의 각 지점에서의 노이즈 값은, 3D 모델의 메시 표면과 거리 상 가까운 경로 세그먼트일수록 상기 주변 영향력 값이 높아지도록 하는 가중치를 상기 경로 세그먼트 상의 최단 거리의 지점의 노이즈 값에 부여함으로써 결정되는, 사전 시각화 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 (f2) 단계에서, 상기 사전 지정된 유효 반경 내에 위치하는 텍스처 이미지 상의 각 지점에서의 노이즈 값은, 텍스처 이미지 상의 경로 세그먼트와 가까운 거리에 위치할수록 상기 주변 영향력 값이 높아지도록 하는 가중치를 상기 경로 세그먼트 상의 최단 거리의 지점의 노이즈 값에 부여함으로써 결정되는, 사전 시각화 방법.

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