KR102027093B1 - 3d 스캔 데이터 변환 장치, 변환 방법 및 변환 어플리케이션 - Google Patents

3d 스캔 데이터 변환 장치, 변환 방법 및 변환 어플리케이션 Download PDF

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KR102027093B1
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Abstract

본 발명은 3D 스캔 데이터 변환 장치, 변환 방법 및 변환 어플리케이션에 관한 것으로, 특히 지상에서 촬영한 3D 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용 가능하도록 타입별 오브젝트들을 최적화하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환할 수 있는 3D 스캔 데이터 변환 장치, 변환 방법 및 변환 어플리케이션에 관한 것이다.

Description

3D 스캔 데이터 변환 장치, 변환 방법 및 변환 어플리케이션{DATA CONVERSION APPARATUS, METHOD AND APPLICATION FOR 3-DIMENSIONAL SCAN DATA}
본 발명은 3D 스캔 데이터 변환 장치, 변환 방법 및 변환 어플리케이션에 관한 것으로, 특히 지상에서 촬영한 3D 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용 가능하도록 타입별 오브젝트들을 최적화하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환할 수 있는 3D 스캔 데이터 변환 장치, 변환 방법 및 변환 어플리케이션에 관한 것이다.
일반적으로 영상 촬영 카메라를 장착한 드론(drone)이나 무인항공기(UAV: unmanned aerial vehicle) 혹은 위성에서는 지상의 도로, 도시 및 각종 구조물을 3차원으로 촬영하여 이를 지리적 정보로써 제공하고 있다.
한편, 최근에는 도시 계획 설립이나 건축 설계 등에서 촬영된 3차원 스캔 영상을 이용하여 축소 스케일의 도시 모형을 제작하는데, 문제는 촬영된 3차원 스캔 데이터를 3차원 프린터에 바로 적용할 수 없다는 것이다.
이는 건물의 저면은 촬영이 불가하여 정보가 없고, 지표면만 촬영이 가능하여 오브젝트가 얇으며, 음영에 의해 가려진 부분은 데이터가 존재하지 않고, 빌딩이나 지표면과 같은 오브젝트의 폴리곤 데이터는 볼륨이 없기 때문이다.
따라서, 3차원 프린터는 재료를 적층하여 3차원 형상을 프린팅하므로, 3차원 스캔 데이터를 3차원 프린터에 사용하기 위해서는 오브젝트의 사방이 막히고 그 내부의 전부나 적어도 일부가 채워져 부피를 갖는 볼륨 데이터가 필요하다.
대한민국 공개특허 제2016-0127030호 대한민국 등록특허 제10-1754599호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지상에서 촬영한 3D 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용 가능하도록 타입별 오브젝트들을 최적화하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환할 수 있는 3D 스캔 데이터 변환 장치, 변환 방법 및 변환 어플리케이션을 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 3D 스캔 데이터 변환 장치는 3D 공간을 스캔한 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용가능한 3D 프린트 데이터로 변환시키는 것으로, 상기 스캔 데이터를 입력받아 구조물을 스캔한 구조물 오브젝트 및 상기 구조물을 지지하는 서포트를 스캔한 서포트 오브젝트를 각각 추출하는 오브젝트 분할부와; 상기 구조물 오브젝트의 모델 데이터를 분석하고, 상기 구조물 오브젝트의 메쉬(mesh)를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 구조물 오브젝트 변환부와; 상기 서포트 오브젝트의 모델 데이터를 분석하고, 상기 서포트 오브젝트의 메쉬를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 서포트 오브젝트 변환부; 및 상기 서포트 오브젝트 위에 구조물 오브젝트가 배치되도록 상기 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환된 구조물 오브젝트 및 서포트 오브젝트(SO)를 서로 결합시키는 모델 결합부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 구조물 오브젝트 변환부는 상기 구조물 오브젝트의 모델 데이터를 분석하는 데이터 상태 분석부와; 상기 구조물 오브젝트의 메쉬(mesh)를 처리하는 모델 최적화부; 및 상기 구조물 오브젝트의 하부면을 연장하는 하부면 연장부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 모델 최적화부는 상기 구조물 오브젝트의 전체 표면 중 메쉬가 비어있는 열린 면 메쉬(open mesh)를 메쉬면으로 막아 닫힌 솔리드 메쉬(closed mesh)로 변환시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하부면 연장부는 상기 구조물 오브젝트의 하부면 전체가 상기 서포트 오브젝트 내부로 삽입되도록 상기 폐쇄된 구조물 오브젝트의 하부를 하측으로 설정된 길이 연장시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 서포트 오브젝트 변환부는 다수의 서포트 오브젝트들에 대해 가장 자리 메쉬가 서로 겹치는 부분을 모두 연결하여 하나의 서포트 오브젝트 메쉬로 만드는 모델 연결부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 서포트 오브젝트 변환부는 상기 서포트 오브젝트의 메쉬를 XY 평면을 기준으로 하측 방향인 -Z축 방향으로 연장시켜 볼륨을 형성시키는 모델 볼륨 생성부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 3D 스캔 데이터 변환 방법은 상기 스캔 데이터를 입력받아 구조물을 스캔한 구조물 오브젝트 및 상기 구조물을 지지하는 서포트를 스캔한 서포트 오브젝트를 각각 추출하는 오브젝트 분할단계와; 상기 구조물 오브젝트의 모델 데이터를 분석하고, 상기 구조물 오브젝트의 메쉬(mesh)를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 구조물 오브젝트 변환단계와; 상기 서포트 오브젝트의 모델 데이터를 분석하고, 상기 서포트 오브젝트의 메쉬를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 서포트 오브젝트 변환단계; 및 상기 서포트 오브젝트 위에 구조물 오브젝트가 배치되도록 상기 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환된 구조물 오브젝트 및 서포트 오브젝트(SO)를 서로 결합시키는 모델 결합단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 구조물 오브젝트 변환단계는 상기 구조물 오브젝트의 모델 데이터를 분석하는 데이터 상태 분석단계와; 상기 구조물 오브젝트의 메쉬(mesh)를 처리하는 모델 최적화단계; 및 상기 구조물 오브젝트의 하부면을 연장하는 하부면 연장단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 모델 최적화단계는 상기 구조물 오브젝트의 전체 표면 중 메쉬가 비어있는 열린 면 메쉬(open mesh)를 메쉬면으로 막아 닫힌 솔리드 메쉬(closed mesh)로 변환시키는 단계인 것이 바람직하다.
또한, 상기 서포트 오브젝트 변환단계는 상기 서포트 오브젝트의 메쉬를 XY 평면을 기준으로 하측 방향인 -Z축 방향으로 연장시켜 볼륨을 형성시키는 모델 볼륨 생성단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 서포트 오브젝트 변환단계는 다수의 서포트 오브젝트들에 대해 가장 자리 메쉬가 서로 겹치는 부분을 모두 연결하여 하나의 서포트 오브젝트 메쉬로 만드는 모델 연결단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하부면 연장단계는 상기 구조물 오브젝트의 하부면 전체가 상기 서포트 오브젝트 내부로 삽입되도록 상기 폐쇄된 구조물 오브젝트의 하부를 하측으로 설정된 길이 연장시키는 단계인 것이 바람직하다.
나아가, 위와 같은 구성을 구현을 위한 본 발명의 3D 스캔 데이터 변환 어플리케이션은 데이터 저장장치에 저장되고, 프로세서에 의해 실행되는 것으로, 상기 스캔 데이터를 입력받아 구조물을 스캔한 구조물 오브젝트 및 상기 구조물을 지지하는 서포트를 스캔한 서포트 오브젝트를 각각 추출하는 오브젝트 분할단계와; 상기 구조물 오브젝트의 모델 데이터를 분석하고, 상기 구조물 오브젝트의 메쉬(mesh)를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 구조물 오브젝트 변환단계와; 상기 서포트 오브젝트의 모델 데이터를 분석하고, 상기 서포트 오브젝트의 메쉬를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 서포트 오브젝트 변환단계; 및 상기 서포트 오브젝트 위에 구조물 오브젝트가 배치되도록 상기 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환된 구조물 오브젝트 및 서포트 오브젝트(SO)를 서로 결합시키는 모델 결합단계;를 실행시키는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명은 지상에서 촬영한 3D 스캔 데이터에 포함된 타입별 오브젝트들을 분할하고, 각각을 최적화하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환한다. 따라서, 3차원 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용 가능하도록 데이터 변환하여 축소 스케일의 도시 모형 등을 제작할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 스캔 데이터 변환 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 적용 가능한 구조물 오브젝트 및 서포트 오브젝트를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에서 3D 스캔 데이터에서 발생한 메쉬 홀을 폐쇄하는 방법을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에서 개방된 구조물 오브젝트의 하부면을 폐쇄하기 이전의 상태를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에서 상기 도 4의 구조물 오브젝트 하부면을 폐쇄한 상태를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에서 상기 도 5와 같이 폐쇄된 구조물 오브젝트의 하부면을 연장시킨 상태를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명에서 상기 도 6과 같이 하부가 연장된 구조물 오브젝트와 그 하부의 서포트 오브젝트의 결합 상태를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명에서 서포트 오브젝트를 확장하기 이전의 상태를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명에서 다수의 서포트 오브젝트를 결합한 상태를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명에서 상기 도 8의 서포트 오브젝트를 -Z축으로 확장한 상태를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명에서 구조물 오브젝트와 서포트 오브젝트를 결합한 상태를 나타낸 도이다.
도 12는 본 발명에 따른 3D 스캔 데이터 변환 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 스캔 데이터 변환 장치, 변환 방법 및 변환 어플리케이션에 대해 상세히 설명한다.
도 1과 같이, 본 발명에 따른 3D 스캔 데이터 변환 장치는 3D 프린터에 적용가능한 볼륨 데이터를 생성하는 것으로, 오브젝트 분할부(10), 구조물 오브젝트 변환부(20), 서포트 오브젝트 변환부(30) 및 모델 결합부(40)를 포함한다.
이러한 본 발명은 일 예로 3D 프린터가 연결되는 프린터 서버 등에 구현되며, 본 발명이 적용된 프린터 서버 등은 지상의 3D 공간을 스캔한 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용가능한 폴리곤 데이터로 변환하는 프로세스를 처리한다.
이때, 오브젝트 분할부(10)는 3D 스캔 데이터를 입력받아 건물(빌딩)과 같은 구조물 오브젝트와 지표와 같은 서포트 오브젝트를 분할하고, 구조물 오브젝트 변환부(20)는 구조물 오브젝트를 3D 프린터에 최적화되도록 데이터 처리를 한다.
또한, 서포트 오브젝트 변환부(30)는 서포트 오브젝트를 3D 프린터에 최적화되도록데이터 처리를 하고, 모델 결합부(40)는 데이터 처리된 구조물 오브젝트와 서포트 오브젝트를 결합하여 축소 스케일 도시 모형 데이터 파일을 제공한다.
즉, 본 발명은 지상에서 촬영한 3D 스캔 데이터에 포함된 타입별 오브젝트들을 최적화하여 3차원 프린터에서 이용 가능한 폴리곤 데이터로 변환한다. 따라서, 3차원 스캔 데이터로 축소 스케일의 도시 모형 등을 3차원 프린팅할 수 있게 한다.
도 2와 같이, 오브젝트 분할부(10)는 3D 공간을 스캔한 스캔 데이터를 입력받아 '구조물 오브젝트(BO)'와 '서포트 오브젝트(SO)'로 분류하는데, 구조물 오브젝트(BO)는 빌딩이나 각종 부대 시설 혹은 조형물 등의 구조물을 스캔한 것이다.
서포트 오브젝트(SO)는 일종의 지리 정보(information on geographical features)에 해당하는 것으로, 구조물을 지지하는 지표면은 물론 도로 및 공원/녹지 등을 스캔한 것이다.
위와 같은 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)는 도시 계획 설립이나 건축 설계 등에서 축소 스케일의 도시 모형을 제공하는데 이용된다. 즉, 축소 스케일의 도시 모형을 3차원 프린터로 제공할 수 있도록 한다.
이때, 스캔 데이터는 3D 공간 스캔 데이터 수신부(1)를 통해 외부 저장장치로부터 제공받을 수 있다. 외부 저장장치로는 일 예로 국토교통부에서 제공하는 공간 스캔 오픈 플랫폼일 수 있으며, 오픈 API로 공개되어 있어서 신청 및 허가 후 인증키로 데이터 요청이 가능하다.
일 예로, 오브젝트 분할부(10)는 3D 공간 스캔 데이터 수신부(1)를 통해 입력된 UTMK(EPSG:5179)좌표계 변환부로부터 폴리곤 방식으로 이루어진 3D 공간 스캔데이터를 수신한다.
UTM-K(EPSG:5179)좌표계는 UTM과 같이 세계를 경도 6°간격의 영역으로 나누고, 이들 각각의 영역에 대해 별도의 원점과 축을 지정하여 좌표를 미터 단위로 나타내는 것을 의미한다.
UTM 좌표계는 투영계산을 거치지만, 적도에 기준원점을 두어 투영을 거치다 보니 한국은 많은 왜곡이 발생하게 된다. 이에 대한 대책으로 만들어진 것이 UTM-K좌표계이며, UTM좌표계에서 원점 및 가산수치만 다르게 적용된 경우이다.
구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)의 분할은 일 예로 해당 스캔 데치터 파일에 포함된 데이터 타입을 확인하여 분할이 가능하며, 이를 분리해 각각의 폴리곤 데이터로 추출(export)해 개별 파일로 저장한다.
구조물 오브젝트 변환부(20)는 위와 같이 오브젝트 분할부(10)로부터 추출된 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하고, 상기 구조물 오브젝트(BO)에 볼륨을 생성하고, 메쉬(mesh)를 최적화한 폴리곤 데이터로 변환시킨다.
볼륨이 있는 폴리곤 데이터는 3D 프린터 작동시 물품(예: 도시 모형)의 빌드 볼륨(build volume)을 위한 것으로, 스캔 데이터는 정리되지 않은 조각난 면의 형태를 갖기 때문에 3차원 프린터에서 이용할 수 없다.
따라서, 본 발명은 3D 프린터블한 폴리곤 데이터로 가공하도록 빌딩과 같은 구조물 오브젝트(BO)를 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환하고, 필요시 프린트 재질에 따른 수축까지 고려하여 최적의 볼륨 데이터 변환을 수행한다.
이를 위해, 구조물 오브젝트 변환부(20)는 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하는 데이터 상태 분석부(21), 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬(mesh)를 처리하는 모델 최적화부(22) 및 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 연장하는 하부면 연장부(23)를 포함한다.
이때, 데이터 상태 분석부(21)는 입력된 구조물 오브젝트(BO)의 데이터 상태를 분석 및 처리를 하는 것으로, 일 예로 오브젝트의 노말 방향 여부 및 에지 상태 등을 비롯하여 필요한 다양한 분석할 수 있다.
특히, 본 발명은 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬에 구멍이 뚫린 메쉬 홀(mesh hole)(H: 열린 메쉬)이 있는지 분석하여 후술하는 바와 같이 부피(혹은 볼륨)가 없는 면 상태의 데이터가 부피가 있는 솔리드 상태로 변환될 수 있게 한다.
모델 최적화부(22)는 구조물 오브젝트(BO)의 전체 표면 중 메쉬가 비어있는 열린 면 메쉬(open mesh)를 메쉬면으로 막아 닫힌 솔리드 메쉬(closed mesh)로 변환시킨다. 즉, 데이터 상태 분석부(21)에 의해 발견된 메쉬 홀을 막아 솔리드 상태가 되게 한다.
도 3의 (a)와 같이 3D 스캔 데이터는 드론이나 위성 등에서 이동하며 지상을 촬영한 영상을 조합한 것이기 때문에 카메라에 노출되는 부분을 제외한 나머지 부분은 데이터가 존재하지 않는다.
또한, 여러 방향에서 촬영을 한다고 해도 음영 부분은 발생하고, 특히 빌딩 등과 같은 각종 구조물의 하부면은 촬영 자체가 불가능하기 때문에 3D 스캔된 오브젝트는 닫힌 메쉬(혹은 솔리드 메쉬)가 아닌 열린 메쉬 상태이다.
따라서, 도 3의 (b)와 같이, 본 발명의 모델 최적화부(22)에서 열린 메쉬(H)를 막아 닫힌 메쉬로 이루어진 볼륨 오브젝트를 만들어야만 해당 구조물 오브젝트(BO)를 3D 프린터에서 프린팅할 수 있는 것이다.
이때, 열린 메쉬는 상술한 데이터 상태 분석부(21)에서 분석하여 모델 최적화부(22)에 제공할 수 있는데, 3D 스캔 데이터는 일 예로 홀 폴리곤 삼각 측량법(hole-polygon triangulation)을 이용하여 구할 수 있다. 이러한 삼각 측량법은 측량 구역을 삼각형으로 분할하여 각 지점의 수평 위치를 결정한다. 따라서, 이 원리를 이용하여 메쉬에 뚫린 구멍을 찾을 수 있다.
다음, 모델 최적화부(22)에 의해 먼저 구조물 오브젝트(BO)의 개방된 하부면을 채운 후, 하부면 연장부(23)는 구조물 오브젝트(BO)의 하부면 전체가 서포트 오브젝트(SO) 내부로 삽입되도록 폐쇄된 구조물 오브젝트(BO)의 하부를 하측(-Z축 방향)으로 설정된 길이 연장시킨다.
도 4와 같이, 빌딩과 같은 다양한 구조물 오브젝트(BO)의 하부면은 드론 등으로 촬영이 불가능하여 데이터가 존재하지 않고 개방된 상태에 있다. 즉, 최초 입력된 스캔 데이터의 구조물 오브젝트(BO) 하면은 열린 메쉬 상태이다.
이에, 도 5와 같이, 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 막아 닫힌 메쉬로 변환한다. 일 실시예로 들로네(delaunay) 삼각화 알고리즘을 이용하여 그 개방된 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 폴리곤으로 채우고 메쉬면을 형성시킨다. 즉, 들로네 삼각화 기법을 이용하여 조밀 특징점들로 구성된 삼각형 메쉬를 생성한다.
들로네 삼각화 알고리즘은 평면위의 점들을 삼각형으로 연결하여 공간을 분할할 때 이 삼각형들의 내각의 최소값이 최대가 되도록 분할하며, 바람직하게는 여러 삼각분할 방법 중 최대한 정삼각형에 가까운 삼각형이 되도록 한다.
다만, 본 발명에서 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 막아 닫힌 메쉬를 형성하는 기법으로 위에서 설명한 들로네 삼각화 알고리즘에 한정하는 것은 아니며, 그 외 다양한 기법을 이용할 수 있음은 자명하다.
예컨대, 대한민국공개특허 제2009-0065965호에서서는 들로네 삼각화 기법을 메쉬 생성에 바로 이용한 예를 소개하고 있으며, 이러한 들로네 삼각화 기법을 이용해 본 발명에서 삼각형 메쉬를 생성할 수 있다.
또한, 논문자료 "Hole-filling Algorithm for High-curvature Region in Triangular Mesh Models" 2 Page, 2.1 Hole-polygons detection ~ 2.2 Hole-polygon Trangulation 에서 소개되는 Hole-filling Algorithm를 이용할 수도 있다. 구체적으로 Hole-filling Algorithm을 이용하여 메쉬의 구멍을 찾는 방법과 구멍을 메꾸는 방법을 이용할 수 있다.
또한, 논문자료 "A robust hole-filling algorithm for triangular mesh"에서는 들로네 삼각화 기법과 유사한 알고리즘을 직접 개발 및 구현한 사례를 소개하고 있는데, 들로네 삼각화 기법에 새로 설계한 알고리즘을 조합해 알고리즘들을 개선시킴에 따라 3D에서 더 원활하고 빠르게 작동시키는 기법 역시 본 발명에 적용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 들로네 삼각화 알고리즘, 삼각측량법과 같은 가장 기초적인 기법을 비롯하여 그 외 다양한 메쉬 구멍을 채우거나 찾는 알고리즘을 이용하여 닫힌 메쉬를 형성하고 볼륨 데이터를 생성시킬 수 있다.
이때, 소프트웨어에서 들로네, 삼각측량 같은 원리를 이용해 메쉬 구멍을 채우거나 찾는 알고리즘을 쉽게 사용할 수 있도록 오픈소스로 라이브러리화 되어 있으며, C++과 python 등과 같은 언어로 위 알고리즘을 구현(ex. OpenMesh https://www.openmesh.org/)될 수 있다.
한편, 도 6과 같이 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 막은 후에는 구조물 오브젝트(BO)의 하부를 하측으로 일정 길이 연장시켜 서포트 오브젝트(SO)를 관통하도록 한다. 도 6에서는 여러 구조물 중 하나만 연장된 것을 예로 들었으나 가급적 모든 구조물이 하부를 연장시킨다.
도 7과 같이, 구조물 오브젝트(BO)의 하부면이 개방된 열린 메쉬(open mesh)를 막아 닫힌 메쉬(closed mesh)를 형성시키면 그 하부의 서포트 오브젝트(SO)와의 사이에 틈이 있게 된다.
따라서, 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 막아 닫힌 메쉬를 만든 이후에는 하측으로 일정 길이 돌출시키고, 그에 따라 서포트 오브젝트(SO)와 겹치도록 한 후 모델 결합부(40)로 합집합 연산하여 이들 오브젝트를 서로 결합시키는 것이다.
한편, 서포트 오브젝트 변환부(30)는 상기 구조물 오브젝트 변환부(20)와 마찬가지로 오브젝트를 3D 프린터블한 폴리곤 데이터로 가공하도록 서포트 오브젝트(SO)의 모델 데이터를 분석한다.
또한, 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시킨다. 이를 위해 서포트 오브젝트 변환부(30)는 모델 연결부(31) 및 모델 볼륨 생성부(32)를 포함한다.
이때, 상기 모델 볼륨 생성부(32)는 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 XY 평면을 기준으로 하측 방향인 -Z축 방향으로 연장시켜 볼륨을 형성시킨다. 따라서, 3D 프린터에서 재료를 이용하여 빌드(인쇄)할 수 있도록 한다.
도 8과 같이 공중에서 드론 등을 이용하여 지상을 촬영하면 지표만 촬영되기 때문에 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬 데이터는 얇은 면으로 표현되어 있기 때문에 3D 프린팅이 어렵다.
이에, 도 9와 같이 모델 연결부(31)는 다수의 서포트 오브젝트(SO)들에 대해 가장 자리 메쉬가 서로 겹치는 부분을 모두 연결하여 하나의 서포트 오브젝트(SO) 메쉬로 만드는 작업을 수행한다.
서포트 오브젝트(SO)는 촬영된 지면을 구성하는 여러개의 메쉬 객체이며 각각은 일정한 크기(혹은 면적)로 나누어져 있으므로 이들 서포트 오브젝트(SO)를 모두 합쳐 하나의 메쉬 객체로 만든다. 메쉬 간 결합은 스캔 데이터와 함께 제공되는 좌표 정보를 이용하여 겹쳐지는 부분을 확인하는 방식이 이용될 수 있다.
또한, 도 10과 같이 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 -Z축 방향으로 연장시켜 볼륨을 생성하면 지표면이 아래로 확장되면서 두께가 생겨 프린트가 쉽게 됨은 물론, 그 상측의 구조물 오브젝트(BO)와의 결합도 쉬워지고 견고해진다.
위와 같은 과정을 통해 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 3D 프린터에 적합하도록 최적으로 데이터 변환된 이후에는 이들 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)를 결합하는 과정이 필요하다.
이에, 모델 결합부(40)는 서포트 오브젝트(SO) 위에 구조물 오브젝트(BO)가 배치되도록 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환된 구조물 오브젝트(BO) 및 서포트 오브젝트(SO)를 서로 결합시킨다.
도 11에는 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)가 결합된 상태가 도시되어 있다. 서포트 오브젝트(SO) 위에 구조물 오브젝트(BO)가 결합된 상태의 이들 오브젝트는 서로 프로그램적으로 합집합시키는 과정을 통해 이루어진다.
따라서, 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)가 합집합 연산(boolean union)된 축소 스케일의 도시 모형 오브젝트가 생성되고, 3D 프린터는 실제 도시 모형을 한번에 프린팅할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 스캔 데이터 변환 방법에 대해 설명한다. 다만, 이하에서는 3D 스캔 데이터 변환 장치를 통해 설명한 기술적 구성과 중복된 부분은 가급적 생략한다.
도 12와 같이, 본 발명에 따른 3D 스캔 데이터 변환 방법은 3D 프린터에 적용가능한 볼륨 데이터를 생성하는 것으로, 오브젝트 분할단계(S10), 구조물 오브젝트 변환단계(S20), 서포트 오브젝트 변환단계(S30) 및 모델 결합단계(S40)를 포함한다.
이러한 본 발명은 일 예로 3D 프린터가 연결되는 프린터 서버 등에서 실행되며, 본 발명이 적용된 프린터 서버 등은 지상의 3D 공간을 스캔한 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용가능한 폴리곤 데이터로 변환하는 프로세스를 처리한다.
이때, 오브젝트 분할단계(S10)에서는 수신장치를 통해 3D 공간을 스캔한 스캔 데이터를 입력(S10a) 받은 후 이들을 '구조물 오브젝트(BO)'와 '서포트 오브젝트(SO)'로 분류한다.
구조물 오브젝트(BO)는 빌딩이나 각종 부대 시설 혹은 조형물 등의 구조물을 스캔한 것이고, 서포트 오브젝트(SO)는 일종의 지리 정보에 해당하는 것으로, 구조물을 지지하는 지표면은 물론 도로 및 공원/녹지 등을 스캔한 것이다.
위와 같은 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)는 도시 계획 설립이나 건축 설계 등에서 축소 스케일의 도시 모형을 제공하는데 이용된다. 즉, 축소 스케일의 도시 모형을 3차원 프린터로 제공할 수 있도록 한다.
이때, 스캔 데이터는 3D 공간 스캔 데이터 수신단계(S10a)를 통해 외부 저장장치로부터 제공받을 수 있다. 외부 저장장치로는 일 예로 국토교통부에서 제공하는 공간 스캔 오픈 플랫폼일 수 있다.
또한, 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)의 분할은 일 예로 해당 스캔 데치터 파일에 포함된 데이터 타입을 확인하여 분할이 가능하며, 이를 분리해 각각의 폴리곤 데이터로 추출(export)해 개별 파일로 저장한다.
구조물 오브젝트 변환단계(S20)에서는 오브젝트 분할단계(S10)에서 추출된 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하고, 상기 구조물 오브젝트(BO)에 볼륨을 생성하고, 메쉬(mesh)를 최적화한 폴리곤 데이터로 변환시킨다.
볼륨이 있는 폴리곤 데이터는 3D 프린터 작동시 물품(예: 도시 모형)의 빌드 볼륨(build volume)을 위한 것으로, 스캔 데이터는 정리되지 않은 조각난 면의 형태를 갖기 때문에 3차원 프린터에서 이용할 수 없다.
따라서, 본 발명은 3D 프린터블한 폴리곤 데이터로 가공하도록 빌딩과 같은 구조물 오브젝트(BO)를 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환하고, 필요시 프린트 재질에 따른 수축까지 고려하여 최적의 볼륨 데이터 변환을 수행한다.
이를 위해, 구조물 오브젝트 변환단계(S20)는 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하는 데이터 상태 분석단계, 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬(mesh)를 처리하는 모델 최적화단계 및 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 연장하는 하부면 연장단계를 포함한다.
이때, 데이터 상태 분석단계는 입력된 구조물 오브젝트(BO)의 데이터 상태를 분석 및 처리를 하는 것으로, 일 예로 오브젝트의 노말 방향 여부 및 에지 상태 등을 비롯하여 필요한 다양한 분석할 수 있다.
특히, 본 발명은 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬에 구멍이 뚫린 메쉬 홀(mesh hole)(H: 열린 메쉬)이 있는지 분석하여 후술하는 바와 같이 부피(혹은 볼륨)가 없는 면 상태의 데이터가 부피가 있는 솔리드 상태로 변환될 수 있게 한다.
모델 최적화단계는 구조물 오브젝트(BO)의 전체 표면 중 메쉬가 비어있는 열린 면 메쉬(open mesh)를 메쉬면으로 막아 닫힌 솔리드 메쉬(closed mesh)로 변환시킨다. 즉, 발견된 메쉬 홀을 막아 솔리드 상태가 되게 한다.
이때, 열린 메쉬는 상술한 데이터 상태 분석단계에서 분석하여 모델 최적화단계로 제공할 수 있는데, 스캔 데이터를 2차원 상태에서 분석하는 경우에는 일 예로 레이 캐스팅(ray-casting) 알고리즘을 이용한다. 반면, 스캔 데이터를 3D 상태에서 분석하는 경우에는 홀 폴리곤 삼각 측량법(hole-polygon triangulation)을 이용하여 구한다.
다음, 모델 최적화 단계에서 먼저 구조물 오브젝트(BO)의 개방된 하부면을 채운 후, 하부면 연장단계에서는 구조물 오브젝트(BO)의 하부면 전체가 서포트 오브젝트(SO) 내부로 삽입되도록 폐쇄된 구조물 오브젝트(BO)의 하부를 하측으로 설정된 길이만큼 연장시킨다.
빌딩과 같은 다양한 구조물 오브젝트(BO)의 하부면은 드론 등으로 촬영이 불가능하여 데이터가 존재하지 않고 개방된 상태에 있다. 즉, 최초 입력된 스캔 데이터의 구조물 오브젝트(BO) 하면은 열린 메쉬 상태이다.
이에, 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 막아 닫힌 메쉬로 변환한다. 일 실시예로 개방된 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 폴리곤으로 채우고 메쉬면을 형성시킨다. 그 후, 구조물 오브젝트(BO)의 하부를 하측으로 일정 길이 연장시켜 서포트 오브젝트(SO)를 관통하도록 한다.
즉, 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 막아 닫힌 메쉬를 만든 이후에는 하측으로 일정 길이 돌출시키고, 그에 따라 서포트 오브젝트(SO)와 겹치도록 한 이후에 후속의 모델 결합단계(S40)에서 합집합 연산하여 이들 오브젝트를 서로 결합시킨다.
한편, 서포트 오브젝트 변환단계(S30)에서는 상기 구조물 오브젝트 변환부(20)와 마찬가지로 오브젝트를 3D 프린터블한 폴리곤 데이터로 가공하도록 서포트 오브젝트(SO)의 모델 데이터를 분석한다.
또한, 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시킨다. 이를 위해 서포트 오브젝트 변환단계(S30) 모델 볼륨 생성단계 및 모델 연결단계를 포함한다.
이때, 모델 연결단계에서는 다수의 서포트 오브젝트(SO)들에 대해 가장 자리 메쉬가 서로 겹치는 부분을 모두 연결하여 하나의 서포트 오브젝트(SO) 메쉬로 만드는 작업을 수행한다. 메쉬 간 결합은 스캔 데이터와 함께 제공되는 좌표 정보를 이용하여 겹쳐지는 부분을 확인하는 방식이 이용될 수 있다.
다음, 모델 볼륨 생성단계에서는 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 XY 평면을 기준으로 하측 방향인 -Z축 방향으로 연장시켜 볼륨을 형성시킨다. 따라서, 3D 프린터에서 재료를 이용하여 빌드(인쇄)할 수 있도록 한다.
위와 같은 단계를 통해 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 3D 프린터에 적합하도록 최적으로 데이터 변환된 이후에는 이들 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)를 결합한다.
이에, 모델 결합단계(S40)에서는 서포트 오브젝트(SO) 위에 구조물 오브젝트(BO)가 배치되도록 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환된 구조물 오브젝트(BO) 및 서포트 오브젝트(SO)를 서로 결합시킨다.
더욱 구체적으로, 모델 결합단계(S40)에서는 서포트 오브젝트(SO) 위에 구조물 오브젝트(BO)가 결합된 상태의 이들 오브젝트는 서로 프로그램적으로 합집합시키는 프로세스를 수행한다.
따라서, 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)가 합집합 연산(boolean union)된 축소 스케일의 도시 모형 오브젝트가 생성되고, 생성된 오브젝트 파일은 3D 프린터로 제공되어 실제 도시 모형을 한번에 프린팅(S40a)할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 3D 스캔 데이터 변환 어플리케이션은 3D 공간을 스캔한 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용가능한 3D 프린트 데이터로 변환시키는 것으로, 이러한 어플리케이션은 데이터 저장장치에 저장되고, 프로세서에 의해 실행된다.
예컨대, 본 발명에 따른 3D 스캔 데이터 변환 어플리케이션은 3D 프린터가 연결됨에 따라 데이터를 입력받아 3D 프린팅을 명령하는 프린터 서버에서 컴퓨터 프로그램에 의해 구현된다.
이때, 본 발명의 어플리케이션은 오브젝트 분할단계(S10), 구조물 오브젝트 변환단계(S20), 서포트 오브젝트 변환단계(S30) 및 모델 결합단계(S40)를 포함하도록 서버에서 컴퓨터 프로그램으로 수행 및 실행된다.
이때, 오브젝트 분할단계(S10)에서는 스캔 데이터를 입력(S10a)받아 구조물을 스캔한 구조물 오브젝트(BO) 및 구조물을 지지하는 서포트를 스캔한 서포트 오브젝트(SO)를 각각 추출한다.
다음, 구조물 오브젝트 변환단계(S20)에서는 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하고, 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬(mesh)를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시킨다.
다음, 서포트 오브젝트 변환단계(S30)에서는 서포트 오브젝트(SO)의 모델 데이터를 분석하고, 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시킨다.
다음, 모델 결합단계(S40)에서는 서포트 오브젝트(SO) 위에 구조물 오브젝트(BO)가 배치되도록 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환된 구조물 오브젝트(BO) 및 서포트 오브젝트(SO)를 서로 결합시킨다.
위와 같은 단계를 통해 3D 프린터블한 구조물 오브젝트(BO)와 서포트 오브젝트(SO)가 합집합 연산(boolean union)된 도시 모형 오브젝트는 3D 프린터로 전송(S40a)되고, 3D 프린터는 실제 도시 모형을 한번에 프린팅한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였는바, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
10: 오브젝트 분할부
20: 구조물 오브젝트 변환부
21: 데이터 상태 분석부
22: 모델 최적화부
23: 하부면 연장부
30: 서포트 오브젝트 변환부
31: 모델 볼륨 생성부
32: 모델 연결부
40: 모델 결합부
BO: 구조물(빌딩) 오브젝트
SO: 서포트(지표) 오브젝트

Claims (13)

  1. 3D 공간을 스캔한 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용가능한 3D 프린트 데이터로 변환시키는 3D 스캔 데이터 변환 장치에 있어서,
    상기 스캔 데이터를 입력받아 구조물을 스캔한 구조물 오브젝트(BO) 및 상기 구조물을 지지하는 서포트를 스캔한 서포트 오브젝트(SO)를 각각 추출하는 오브젝트 분할부(10)와;
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하고, 상기 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬(mesh)를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 구조물 오브젝트 변환부(20)와;
    상기 서포트 오브젝트(SO)의 모델 데이터를 분석하고, 상기 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 서포트 오브젝트 변환부(30); 및
    상기 서포트 오브젝트(SO) 위에 구조물 오브젝트(BO)가 배치되도록 상기 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환된 구조물 오브젝트(BO) 및 서포트 오브젝트(SO)를 서로 결합시키는 모델 결합부(40);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조물 오브젝트 변환부(20)는,
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하는 데이터 상태 분석부(21)와;
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬(mesh)를 처리하는 모델 최적화부(22); 및
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 연장하는 하부면 연장부(23);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모델 최적화부(22)는,
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 전체 표면 중 메쉬가 비어있는 열린 면 메쉬(open mesh)를 메쉬면으로 막아 닫힌 솔리드 메쉬(closed mesh)로 변환시키는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하부면 연장부(23)는,
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 하부면 전체가 상기 서포트 오브젝트(SO) 내부로 삽입되도록 닫힌 솔리드 메쉬로 변환된 구조물 오브젝트(BO)의 하부를 하측으로 설정된 길이 연장시키는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서포트 오브젝트 변환부(30)는,
    다수의 서포트 오브젝트(SO)들에 대해 가장 자리 메쉬가 서로 겹치는 부분을 모두 연결하여 하나의 서포트 오브젝트(SO) 메쉬로 만드는 모델 연결부(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 서포트 오브젝트 변환부(30)는,
    상기 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 XY 평면을 기준으로 하측 방향인 -Z축 방향으로 연장시켜 볼륨을 형성시키는 모델 볼륨 생성부(32)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 장치.
  7. 3D 공간을 스캔한 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용가능한 3D 프린트 데이터로 변환시키는 3D 스캔 데이터 변환 방법에 있어서,
    상기 스캔 데이터를 입력받아 구조물을 스캔한 구조물 오브젝트(BO) 및 상기 구조물을 지지하는 서포트를 스캔한 서포트 오브젝트(SO)를 각각 추출하는 오브젝트 분할단계(S10)와;
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하고, 상기 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬(mesh)를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 구조물 오브젝트 변환단계(S20)와;
    상기 서포트 오브젝트(SO)의 모델 데이터를 분석하고, 상기 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 서포트 오브젝트 변환단계(S30); 및
    상기 서포트 오브젝트(SO) 위에 구조물 오브젝트(BO)가 배치되도록 상기 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환된 구조물 오브젝트(BO) 및 서포트 오브젝트(SO)를 서로 결합시키는 모델 결합단계(S40);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구조물 오브젝트 변환단계(S20)는,
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하는 데이터 상태 분석단계와;
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬(mesh)를 처리하는 모델 최적화단계; 및
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 하부면을 연장하는 하부면 연장단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모델 최적화단계는,
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 전체 표면 중 메쉬가 비어있는 열린 면 메쉬(open mesh)를 메쉬면으로 막아 닫힌 솔리드 메쉬(closed mesh)로 변환시키는 단계인 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하부면 연장단계는,
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 하부면 전체가 상기 서포트 오브젝트(SO) 내부로 삽입되도록 닫힌 솔리드 메쉬로 변환된 구조물 오브젝트(BO)의 하부를 하측으로 설정된 길이 연장시키는 단계인 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 서포트 오브젝트 변환단계(S30)는,
    다수의 서포트 오브젝트(SO)들에 대해 가장 자리 메쉬가 서로 겹치는 부분을 모두 연결하여 하나의 서포트 오브젝트(SO) 메쉬로 만드는 모델 연결단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 서포트 오브젝트 변환단계(S30)는,
    상기 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 XY 평면을 기준으로 하측 방향인 -Z축 방향으로 연장시켜 볼륨을 형성시키는 모델 볼륨 생성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 방법.
  13. 3D 공간을 스캔한 스캔 데이터를 3D 프린터에 적용가능한 3D 프린트 데이터로 변환시키는 3D 스캔 데이터 변환 컴퓨터 프로그램이 저장된 기록매체에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로그램은 데이터 저장장치에 저장되고, 프로세서에 의해 실행되며,
    상기 스캔 데이터를 입력받아 구조물을 스캔한 구조물 오브젝트(BO) 및 상기 구조물을 지지하는 서포트를 스캔한 서포트 오브젝트(SO)를 각각 추출하는 오브젝트 분할단계(S10)와;
    상기 구조물 오브젝트(BO)의 모델 데이터를 분석하고, 상기 구조물 오브젝트(BO)의 메쉬(mesh)를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 구조물 오브젝트 변환단계(S20)와;
    상기 서포트 오브젝트(SO)의 모델 데이터를 분석하고, 상기 서포트 오브젝트(SO)의 메쉬를 처리하여 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환시키는 서포트 오브젝트 변환단계(S30); 및
    상기 서포트 오브젝트(SO) 위에 구조물 오브젝트(BO)가 배치되도록 상기 볼륨이 있는 폴리곤 데이터로 변환된 구조물 오브젝트(BO) 및 서포트 오브젝트(SO)를 서로 결합시키는 모델 결합단계(S40);를 실행시키는 것을 특징으로 하는 3D 스캔 데이터 변환 컴퓨터 프로그램이 저장된 기록매체.
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KR102457940B1 (ko) 2020-08-06 2022-10-24 김주영 3d 프린터를 이용한 적층식 건축모형 제조방법

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