KR102350267B1 - 마네킨의 분할 3d 프린팅 방법 - Google Patents

마네킨의 분할 3d 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

제안기술은 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프린터의 출력 크기(beam length)를 고려하기 위해 인체특징점과 바운딩 박스(bounding box)를 이용하여 실제 인체 크기의 대형 마네킨을 자동분할 및 3D 프린팅하는 방법에 관한 발명이다.

Description

마네킨의 분할 3D 프린팅 방법{Mannequin split 3D printing method}
제안기술은 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프린터의 출력 크기(beam length)를 고려하기 위해 인체특징점과 바운딩 박스(bounding box)를 이용하여 실제 인체 크기의 대형 마네킨을 자동분할 및 3D 프린팅하는 방법에 관한 발명이다.
4차산업의 핵심 기술 중 하나인 3D 프린팅 기술은 제품 생산에 별도의 금형이 요구되지 않는다는 점에서 다품종 소량 생산의 맞춤형 생산을 가능하게 했으며, 거 세계 시장 규모는 2020년 기준 100억 달러 이상으로 예측된다.
특히, 의류 및 바이오 분야에 적용할 경우 3D 스캔 데이터를 고객 맞춤형 의복 또는 생체 재료 제작 등에 손쉽게 활용할 수 있다는 장점이 있다. 특히 그 중에서 FDM 방식은 특허 만료에 따라 대중화가 가속화되고 있다.
FDM 방식을 비롯한 3D 프린팅은 기존의 금형제작 공정에 비해 시제품 제작에 있어서 생산 공정과 시간, 비용이 상대적으로 절감된 것이 장점이지만, 출력 시간이 길고, 오버행(overhang) 구조의 경우 불필요한 서포트 구조가 발생하는 것이 단점이다. 이들 서포트 구조는 필라멘트 재료를 낭비할 뿐만 아니라 제거 시 제품표면이 매끄럽지 않은 원인이 된다. 이를 위해 사포 등을 이용한 기계적 후처리 또는 아세톤 증기를 이용한 화학적 후처리 방법 등이 적용되고 있지만, 그 과정이 번거로울 뿐만 아니라 결과물도 일반 사출성형 제품에 비해 만족스럽지 못하다.
또한, 현행 FDM 방식 3D 프린팅은 출력물의 크기가 프린터 사이즈에 의해 제한된다는 문제가 있다. 예를 들어 인체 마네킨과 같이 프린터 사이즈에 비해 크기가 큰 대형 물체의 경우 사용자의 사전작업을 통해 미리 분할하는 과정이 필요하다.
3D 형상의 물체를 분할하는 방법 중 대표적인 것으로는 무한한 평면으로 물체를 계층적(hierarchical)으로 자르는 방식이 있는데, 이 방식은 발가락 끝과 같은 의도하지 않은 부분을 자를 가능성이 있고, 연산량이 과다한 단점이 있다.
또한, 의류 디자인의 경우 인체특징점을 기준으로 하는데, 선행 연구에서는 인체특징점을 기준으로 하는 분할출력기법에 대한 연구가 이루어지지 않았다.
선행기술문헌 중 특허문헌인 D1의 경우, 출력하고자 하는 물체를 3D프린터의 크기에 맞게 반복 분할하는 기술이 개시되어 있으나, 구체적인 알고리즘이나 성능이 개시되어 있지 않고 단순히 연결부위 형성에 대한 것만 기재되어 있으며, 인체특징점에 대한 고려가 포함되어 있지 않으므로 의류 분야의 적용은 곤란하다.
선행기술문헌 중 비특허문헌인 D1의 경우, 마네킨이 아닌 범용 물체의 자동 분할에 대한 알고리즘이 개시되어 있으나, 물체를 수십만번 반복 분할한 후 그 중에서 최소값을 갖는 해를 찾는 방식이어서 멀티스레드 등의 계산기법을 동원하더라도 4,706개 절점(vertex)을 갖는 단순한 마네킨 데이터에 대해 2, 3분의 시간이 걸리는 등 매우 복잡한 연산 구조를 갖고 있다.
D1: 한국공개특허 제10-2017-0029204호
D2: Luo, L., Baran, I., Rusinkiewicz, S., & Matusik, W. (2012). Chopper: partitioning models into 3D-printable parts. ACM Transactions on Graphics, 31(6,Article No. 129 ), 129-137. https://doi.org/10.1145/2366145.2366148.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 인체특징점과 바운딩 박스(bounding box)를 이용하여 실제 인체 크기의 대형 마네킨을 자동분할 및 3D 프린팅하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 회전윤곽상자(OBB)라는 단순한 자료구조를 이용함으로써 연산 시간을 줄이고, 일반 3D프린팅 사용자 또는 의류 산업 종사자가 쉽게 구현 가능한 알고리즘을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법에 있어서,
마네킨의 인체특징점을 자동 탐색하는 단계;
인체특징점을 이용하여 마네킨의 6개 인체 부위별로 초기 회전윤곽상자(OBB)를 생성하는 단계;
회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 마네킨의 몸체를 분할하는 단계;
분할된 각각의 마네킨의 몸체를 3D 프린팅하는 단계;
분할된 각각의 마네킨의 몸체를 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
마네킨의 인체특징점을 자동 탐색하는 단계에서,
인체특징점은 단면 폐곡선에 기반하여 자동 탐색되는 것을 특징으로 한다.
인체특징점은,
마네킨의 손끝, 발끝, 정수리, 가랑이 및 어깨점을 포함하는 1차 특징점과,
1차특징점으로부터 선형 보간(bilinear interpolation)을 통해 간접적으로 얻어지는 2차 특징점을 포함하는 것을 특징으로 한다.
회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 마네킨의 몸체를 분할하는 단계는,
회전윤곽상자 중 박스형 회전윤곽상자를 이용하여 마네킨을 수평 방향(V-CUT) 분할하는 단계;
회전윤곽상자를 마네킨의 길이 방향 축을 중심으로 분할한 파이형 회전윤곽상자를 이용하여 마네킨을 수직 방향(PIE-CUT) 분할하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
박스형 회전윤곽상자는 PCA분석을 통해 마네킨의 메쉬 점 데이터의 고유벡터(eigenvector) 값으로부터 얻어지는 것을 특징으로 한다.
마네킨을 수평 방향(V-CUT) 분할하는 단계와 마네킨을 수직 방향(PIE-CUT) 분할하는 단계는,
분할된 마네킨의 크기가 3D프린터의 출력 가능한 최대 크기를 초과하지 않을 때까지 자동 반복되는 것을 특징으로 한다.
회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 마네킨의 몸체를 분할하는 단계는,
마네킨을 경계표현법(boundary representation) 형태의 메쉬 데이터로 생성하는 단계;
메쉬 데이터를 CSG(constructive solid geometry) 방식으로 집합 연산하여 분할하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
메쉬 데이터를 CSG(constructive solid geometry) 방식으로 집합 연산하여 분할하는 단계는 CSG 방식 집합 연산을 메쉬 데이터에 적용할 때 발생하는 동일 평면 간 소수점 반올림 (round-off) 절단 오류를 방지하기 위해,
회전윤곽상자와 마네킨 간에 서로 일치하는 평면이 존재하는지 확인하는 단계;
회전윤곽상자의 크기를 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
분할된 각각의 마네킨의 몸체를 3D 프린팅하는 단계에서,
3D 프린팅은 원뿔형 출력 방법으로 진행되는 것을 특징으로 한다.
분할된 각각의 마네킨의 몸체를 결합하는 단계에서,
결합 시 에틸시아노아크릴레이트(Ethyl Cyanoacrylate) 성분의 고분자 접착제를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 대상 물체를 분할하여 프린팅함으로써 프린터의 출력 크기(beam length)와 상관없이 대상 물체를 3D 프린팅할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 1, 2차 특징점 및 관절 포인트/뼈 포인트의 위치 및 명칭.
도 2는 본 발명에 따른 마네킨의 메쉬 데이터에 대한 인체특징점.
도 3은 본 발명에 따른 마네킨의 6개 인체 부위 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 초기 회전윤곽상자의 크기 조정 예시도.
도 5는 일반적인 회전윤곽상자의 유형.
도 6은 본 발명에 따른 수직 방향(V-CUT) 분할 및 수평 방향(PIE-CUT) 분할의 실시예.
도 7은 Mathematica 소프트웨어를 사용하여 주성분 분석(PCA)에 기반한 왼팔의 고유 벡터 평가 실시예.
도 8은 본 발명에 따른 CSG 및 B-rep 작업 결과 예시도.
도 9는 본 발명에 따른 동일 평면 간 소수점 반올림 (round-off) 절단 오류 방지를 위한 개선된 부울(Boolean) 연산자의 알고리즘.
도 10은 본 발명에 따른 알고리즘을 사용하여 50/30/20/15 등 다양한 크기(beam length)로 자동분할한 결과(a-d) 및 인체특징점을 이용하여 분할 크기와 영역을 자유롭게 생성한 결과(e-k).
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프린터의 출력 크기(beam length)를 고려하기 위해 인체특징점과 바운딩 박스(bounding box)를 이용하여 실제 인체 크기의 대형 마네킨을 자동분할 및 3D 프린팅하는 방법에 관한 발명이다.
본 발명에 따른 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법은,
마네킨의 인체특징점을 자동 탐색하는 단계;
상기 인체특징점을 이용하여 상기 마네킨의 6개 인체 부위별로 초기 회전윤곽상자(OBB)를 생성하는 단계;
회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 상기 마네킨의 몸체를 분할하는 단계;
분할된 각각의 상기 마네킨의 몸체를 3D 프린팅하는 단계;
분할된 각각의 상기 마네킨의 몸체를 결합하는 단계;를 포함하여 진행된다.
본 발명의 일 실시예에서는 신체 데이터(Turboquid.com의 "Masha")를 wavefront. OBJ 포맷으로 온라인 구입하여 상기 마네킨의 신체 데이터로 적용하였다.
상기 신체 데이터에는 6,960개의 꼭지점과 13,672개의 삼각형 메쉬 요소가 포함되어 있으며, 세로 크기(길이 방향)는 171.3cm이다. 상기와 같은 신체 데이터를 갖는 상기 마네킨의 초기 자세는 상기 인체특징점의 추출 프로세스를 용이하게 하기 위해 A자 형상으로 가정하였다.
상기 마네킨의 인체특징점을 자동 탐색하는 단계에서 상기 인체특징점은 단면 폐곡선에 기반하여 자동 탐색된다.
도 1에는 본 발명에 따른 1, 2차 특징점 및 관절점/뼈점의 위치 및 명칭이 표로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 따른 마네킨의 메쉬 데이터에 대해 뼈 포인트 및 관절 포인트를 포함한 인체특징점이 도시되어 있다.
도 2(a)에는 상기 1차 특징점이 도시되어 있고, 도 2(b)에는 상기 2차 특징점이 도시되어 있다.
상기 인체특징점은 상기 마네킨의 손끝, 발끝, 정수리, 가랑이 및 어깨점을 포함하는 1차 특징점과 상기 1차 특징점으로부터 선형 보간(bilinear interpolation)을 통해 간접적으로 얻어지는 2차 특징점을 포함한다.
상기 1차 특징점 및 상기 2차 특징점은 본 발명과 같이 인체 3D 데이터로부터 자동으로 검출되거나, 의류업계 종사자가 수작업으로 입력할 수도 있다.
상기 인체특징점은 뼈 포인트와 관절 포인트를 포함하는 것으로, 상기 뼈 포인트는 자유도가 0이 아닌 지점이며, 상기 관절 포인트는 두 개의 상기 뼈 포인트의 중심이 되는 지점이 된다.
도 2(c)에는 뼈 포인트(bone points) 및 관절 포인트(joint points)가 도시되어 있으며, 상기 뼈 포인트 및 관절 포인트는 도 2(d)에 도시된 상기 마네킨의 골격 구조(skeletal structure)를 구성하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 마네킨의 6개 인체 부위를 도시한 것으로, 도 3(a)에는 인체특징점으로부터 회전윤곽상자를 적층하여 얻어진 마네킨의 몸통(bodice) 분할용 초기 회전윤곽상자가 도시되어 있고, 도 3(b)에는 몸통(bodice) 분할용 초기 회전윤곽상자를 통해 전신 데이터로부터 분할된 6개의 인체 부위가 도시되어 있다.
상기 인체특징점을 이용하여 상기 마네킨의 6개 인체 부위별로 초기 회전윤곽상자(OBB)를 생성하는 단계에서 상기 마네킨의 6개 인체 부위는 머리, 몸통, 양측 팔, 양측 다리로 분할되는 것으로, 각각의 상기 분할된 인체 부위는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 인체특징점을 이용하여 정확한 절단 위치가 설정된다.
실제 인체의 경우 팔, 다리 등의 인체 부위가 비대칭인 경우가 대부분이며, 이 경우 부피 기준으로 분할하는 경우 정확한 분할이 이루어지지 않는다.
본 발명과 같이 인체특징점을 이용하여 분할된 인체 부위를 절단하는 경우, 인체의 비대칭성에도 대응할 수 있게 된다.
상기 마네킨은 상기 6개의 인체 부위별로 각각 상기 초기 회전윤곽상자를 생성하게 된다.
기존에는 상기 마네킨의 인체 부위별 분할 시 무한 평면을 이용하여 계층적(hierarchically)으로 반복 분할하는 방식을 적용하였지만, 이는 무한 평면이 의도치 않게 신체 말단부를 절단하는 등의 오류가 발생하기 쉽다.
이에 대해 본 발명에서와 같이, 상기 회전윤곽상자를 적용하는 경우, 상기 회전윤곽상자는 유한한 크기를 가지고 있으므로 기존과 같은 절단 오류를 방지할 수 있다.
상기 초기 회전윤곽상자는 상기 마네킨의 분할된 부위를 둘러싸는 가장 작은 닫힌 볼륨(closed volume)으로 형성된다.
상기 초기 회전윤곽상자를 생성한 후, 필요에 따라 상기 초기 회전윤곽상자를 확대 또는 축소할 수 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 초기 회전윤곽상자의 크기 조정 예시도가 도시되어 있다.
도 4(a)는 상기 마네킨의 분할된 부위 중 인체 상완(upperarm)에 대한 초기 회전윤곽상자의 예시도이며, 도 4(b)는 도 4(a)의 회전윤곽상자를 인체특징점(LHandTipF)을 기준으로 축소시킨 예시도이며, 도 4(c)는 인체특징점(LHandTipF)을 기준으로 확대시킨 예시도이다.
상기 초기 회전윤곽상자는 여러 유형의 회전윤곽상자 중 수직 방향(V-CUT) 분할을 위해 방향이 지정된 회전윤곽상자(OBB)가 선택된다.
상기 회전윤곽상자(OBB)는 하기와 같은 구조로 구성된다.
class OBB {
public:
SVector3D Axes[3];
double Values[3][2];
};
상기 회전윤곽상자(OBB)의 구조에서 Axes는 주축 방향을 나타내는 3차원 단위벡터이며, Values는 이들 주축 방향의 상기 회전윤곽상자의 꼭지점을 나타내는 값이므로, 15개의 실수값으로 상기 회전윤곽상자 한 개를 표현할 수 있다.
예를 들어 상기 회전윤곽상자(OBB)의 무게중심점은 하기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021037416895-pat00001
Figure 112021037416895-pat00002
Figure 112021037416895-pat00003
상기 Values값을 적절히 대입함에 따라 상기 회전윤곽상자(OBB)의 임의의 위치를 쉽게 표현할 수 있다. 상기 Axes와 상기 Values의 세부값은 상기 인체특징점에 대한 PCA분석을 분석하고, 고유벡터(eigenvector) 계산을 통해 얻을 수 있다.
상기 회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 상기 마네킨의 몸체를 분할하는 단계는 상기 마네킨을 수직 방향(V-CUT) 분할하는 단계와, 상기 마네킨을 수평 방향(PIE-CUT) 분할하는 단계를 포함하여 진행된다.
도 5에는 알파벳 A를 대상으로 한 일반적인 2D 회전윤곽상자의 여러 유형이 도시되어 있다. 도 5(a)는 axis-aligned bounding box(AABB)이며, 도 5(b)는 OBB (orienting bounding box)이고, 도 5(c)는 k-DOP이다.
도 6에는 본 발명에 따른 수직 방향(V-CUT) 분할 및 수평 방향(PIE-CUT) 분할의 실시예가 도시되어 있다. 도 6(a)는 수직 방향(V-CUT) 분할된 복수 개의 회전윤곽상자인 것으로, 도 3(b)에서 얻어진 6개 인체 부위 중 몸통(bodice)의 수직 방향(V-CUT) 분할을 위한 회전윤곽상자 생성 사례(beam length = 18cm)가 도시되어 있고, 도 6(b)에는 도 6(a)의 수평 방향(PIE-CUT) 분할 결과가 도시되어 있고, 도 6(c)에는 도 6(b)를 다시 수평 방향(PIE-CUT) 분할 한 복수 개의 파이형 회전윤곽상자가 도시되어 있고, 도 6(d)에는 도 6(c)에서 수평 방향(PIE-CUT) 분할 된 실시예가 도시되어 있다.
상기 마네킨을 수직 방향(V-CUT) 분할하는 단계에서는 상기 회전윤곽상자 중 박스형 회전윤곽상자(도 6(a), 도 6(b))를 이용하게 되며, 상기 마네킨을 수평 방향(PIE-CUT) 분할하는 단계에서는 상기 회전윤곽상자를 상기 마네킨의 길이 방향 축을 중심으로 분할한 파이형 회전윤곽상자(도 6(c), 6(d))를 이용하게 된다.
상기 마네킨의 분할 시 분할된 어느 한 부분의 크기가 출력하고자 하는 3D 프린터의 출력 크기와 비교하여 상대적으로 작은 경우, 수직 방향(V-CUT) 분할만을 이용하여 분할하게 된다.
상기 수직 방향(V-CUT) 분할은 분할된 어느 하나의 상기 마네킨의 부위를 복수 개의 회전윤곽상자로 나누고, 도 6(a)와 같이, 상기 복수 개의 회전윤곽상자를 쌓아 형성하게 된다.
상기 복수 개의 회전윤곽상자의 개수와 크기는 빔 길이(Lb)를 사용하여 제어된다. 상기 빔 길이는 3D 프린터에서 인쇄 가능한 최대 x, y, z 치수 중 최소값으로 정의된다.
상기 복수 개의 상기 회전윤곽상자의 개수는 하기의 [수학식 2]으로 나타낼 수 있다.
Figure 112021037416895-pat00004
여기서, floor(x) 함수는 xx보다 작은 최대 정수를 반환하고, ∥OBBS∥Z는 전역 z 축에 대한 메쉬 데이터(S)의 회전윤곽상자 크기를 나타낸다.
상기 마네킨의 분할 시 분할된 어느 한 부분의 크기가 출력하고자 하는 3D 프린터의 출력 크기와 비교하여 상대적으로 큰 경우, 수직 방향(V-CUT) 분할 이후 수평 방향(PIE-CUT) 분할이 추가로 진행된다.
도 6(b)에 도시된 바와 같이, 수평 방향(PIE-CUT) 분할된 메쉬 데이터는 원형 방향에 따라 파이 형상의 조각으로 복수 개 분할되어 도 6(c)에 도시된 바와 같이 수평 방향(PIE-CUT) 분할 된 복수 개의 회전윤곽상자를 생성하게 된다.
상기 파이 형상의 조각 개수 설정 시 상기 수평 방향(PIE-CUT)으로 분할 된 복수 개의 회전윤곽상자의 가장 큰 치수는 상기 빔 길이(Lb)보다 작아야 한다.
상기 마네킨을 수평 방향(V-CUT) 분할하는 단계와 상기 마네킨을 수직 방향(PIE-CUT) 분할하는 단계는 분할된 상기 마네킨의 크기가 3D프린터의 출력 가능한 최대 크기를 초과하지 않을 때까지 자동 반복된다.
상기 회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 상기 마네킨의 몸체를 분할하는 단계는, 상기 마네킨을 경계표현법(boundary representation) 형태의 메쉬 데이터로 생성하는 단계 및 상기 메쉬 데이터를 CSG(constructive solid geometry) 방식으로 집합 연산하여 분할하는 단계를 포함하여 진행된다.
상기 마네킨을 경계표현법(boundary representation) 형태의 메쉬 데이터로 생성하는 단계에서, l개의 꼭지점과 m개의 면을 가진 입력 인체 모형 메쉬 데이터(A)는 하기의 [수학식 3]에 의해 지원된다.
Figure 112021037416895-pat00005
여기서, <>는 벡터 목록을 의미하고 pl, fm 및 nm는 각각 정점, 얼굴 정보 및 얼굴 법선 벡터의 위치 벡터이다.
도 7에는 Mathematica 소프트웨어를 사용하여 주성분 분석(PCA) 기법을 통해 왼팔에 대한 주축 연산 사례가 도시되어 있다.
상기 박스형 회전윤곽상자는 PCA분석을 통해 상기 마네킨의 메쉬 점 데이터의 고유벡터(eigenvector) 값으로부터 얻어진다.
하기의 [수학식 4] 및 [수학식 5]는 주성분 분석(PCA) 또는 모달(modal) 분석을 통해 메시 데이터(A)에 해당하는 고유 벡터 (v1, v2 및 v3)를 산출하게 된다.
Figure 112021037416895-pat00006
Figure 112021037416895-pat00007
상기와 같은 고유 벡터는 분할된 상기 마네킨의 부위별로 형성된 상기 회전윤곽상자의 로컬 축을 나타낸다.
한편, 상기 회전윤곽상자의 크기는 각 고유 벡터를 따라 범위 값에 의해 제어된다. 예를 들어 v1에 대한 스팬 값 (ψ1, min, ψ 1, max)은 하기의 [수학식 6] 및 [수학식 7]이 된다.
Figure 112021037416895-pat00008
Figure 112021037416895-pat00009
따라서 분할된 상기 마네킨의 부위별로 형성된 각각의 상기 회전윤곽상자는 (v1, ψ1, min, ψ 1, max), (v2, ψ2, min, ψ 2, max) 또는 (v3, ψ3, min, ψ 3, max)를 포함하는 15개의 실수로 설명할 수 있다.
상기 메쉬 데이터를 CSG(constructive solid geometry) 방식으로 집합 연산하여 분할하는 단계는 상기 CSG 방식 집합 연산을 상기 메쉬 데이터에 적용할 때 특히 대상물체의 일부 면(face)와 회전윤곽상자의 일부 면(face)이 서로 동일 평면상에 위치할 경우, 실시 소수점 오차(round-off error)로 인해 절단된 도형이 닫힌 도형을 생성하지 못하는 오류를 방지하기 위해, 상기 회전윤곽상자와 상기 마네킨 간에 서로 일치하는 평면이 존재하는지 확인하는 단계와 상기 회전윤곽상자의 크기를 조절하는 단계를 진행할 수 있다.
도 8에는 본 발명에 따른 CSG 및 B-rep 작업 결과 예시도가 도시되어 있다. 도 8(a)에는 CSG 방식으로 모델링 된 물체 A(cone)가 도시되어 있고, 도 8(b)에는 CSG 방식으로 모델링 된 물체 B(box)가 도시되어 있으며, 도 8(c)에는 CSG 방식 SW에서 A∩B의 교집합 연산 결과가 도시되어 있고, 도 8(d)에는 B∩A의 교집합 집합 연산 결과가 도시되어 있으며, 도 8(e)에는 B-rep 방식으로 모델링 된 물체 A(cone)가 도시되어 있고, 도 8(f)에는 B-rep 방식으로 모델링 된 물체 B(box)가 도시되어 있으며, 도 8(g)에는 B-rep 방식에서 A∩B의 교집합 연산 결과가 도시되어 있고, 도 8(h) B∩A의 교집합 연산 실패 결과가 도시되어 있다.
도 9에는 본 발명에 따른 동일 평면 간 소수점 반올림 (round-off) 절단 오류 방지를 위한 개선된 부울(Boolean) 연산자의 알고리즘이 도시되어 있다.
본 발명에서 사용하는 상기 마네킨의 신체데이터는 주로 B-rep방식의 데이터인데, 이를 CSG 방식으로 집합 연산할 경우 도 8(h)와 같은 오류가 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해 상기 마네킨의 메쉬를 구성하는 삼각형 내지 사각형 등의 요소(element)와, 절단의 기준이 되는 상기 회전윤곽상자 간에 동일한 평면이 존재하는지 확인한 후, 동일 평면이 있을 경우 상기 회전윤곽상자의 크기를 도 9에 도시된 알고리즘에 따라 일정 크기만큼 조정하는 방식을 사용하게 된다.
물체 A의 면의 개수가 m, 물체 B의 면의 개수 o일 때, 개선된 수식은 수학식 3으로부터 수학식 8과 같이 두 입력값으로 시작된다.
Figure 112021037416895-pat00010
첫 단계에서 법선벡터 <nm>중에서 중복된 것을 제거하여 <n‘n>을 형성하고, A의 면 중에서 법선벡터가 <n‘n>인 것을 모아 <f‘n>을 구성하여 새로운 메쉬 Anew<f‘n,n‘n>을 생성한다. 이 때 n은 정수로서 m보다 작거나 같은 값이다.
두 번재 단계에서는 마찬가지로 B메쉬에 대해 진행하여 새로운 메쉬 Bnew<f‘o,n‘o>을 생성한다.
세 번째 단계에서는 Anew과 Bnew의 면 사이의 평면간 거리(plane-to-plane distance)값인 <dnp>를 얻는다.
네 번째 단계에서는 <dnp>의 원소 에 djk대해, 값이 0이면 메쉬 B의 면 fk를 미리 정해진 상수 θ를 기준으로 법선 벡터 nk방향으로 수평 이동한다. 이후 수정된 메쉬 B를 이용해 다시 CSG 집합연산을 적용하면, 도 8(h)와 같은 오류가 발생하지 않고, 도 8(g)와 같이 정상적으로 닫힌 볼륨을 갖는 메쉬가 얻어진다.
상기 분할된 각각의 상기 마네킨의 몸체를 3D 프린팅하는 단계에서는 서포트 발생량을 최적화하기 위해 상기 3D 프린팅은 원뿔형 출력 방법으로 진행된다.
상기 분할된 각각의 상기 마네킨의 몸체를 결합하는 단계에서는 상기 결합 시 에틸시아노아크릴레이트(Ethyl Cyanoacrylate) 성분의 고분자 접착제를 사용하거나 상기 마네킨의 몸체 표면에 돌기 형태의 결합구조를 미리 생성하여 결합할 수 있다.
본 발명의 마네킨은 일반 의류 디스플레이뿐만 아니라, 인체 발열량 측정용 써멀 마네킨에 사용 가능하며, 이 경우 내부가 금속 발열부 내지 액체 발열체로 채워질 수 있으므로 금속과 액체 존재하에서 경화가 빠른 에틸시아노아크릴레이트 성분이 적합하다.
한편, 상기 인체특징점을 이용하여 상기 마네킨의 6개 인체 부위별로 초기 회전윤곽상자(OBB)를 생성하는 단계와 회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 상기 마네킨의 몸체를 분할하는 단계 사이에 상기 마네킨을 일정 두께의 껍질을 갖는 쉘(shell) 형태로 변경하는 단계가 진행될 수도 있다.
상기 쉘 형태로 변경하는 단계는, 상기 마네킨의 메쉬 데이터를 복셀로 변경한 후, 껍질 형태로 변환한 뒤 다시 상기 메쉬 데이터로 변경하는 방법이 적당하다.
이러한 연산은 그래픽카드(GPU)를 이용하여 계산 속도를 증가시킬 수 있다.
상기 쉘 형태로 변경하여 적용하는 경우, 내부 지지구조가 제거됨으로 인해 필라멘트 소모량과 출력 시간이 급감하는 효과가 있다.
선행연구(D1)의 경우 물체를 수십만개의 조합으로 분할 수 최저값을 찾는 방식이어서 수 분의 시간이 걸리나, 본 발명의 경우 아래 표 1과 같이 수초의 연산으로 인체 형상을 자유롭게 3D프린터의 출력 가능 크기(beam length)의 범위 내에서 자동 분할 가능하다.
또한, 도 10과 같이 의류 업계 종사자가 인체 부위를 자유롭게 선택하여 3D프린팅하거나, 절단 부위와 크기를 용도에 따라 적절히 변경할 수 있다. 이는 일반 디스플레이용 의류 마네킨뿐만 아니라 자동차 충돌 검사용 더비, 의복 보온성 측정용 써멀 마네킨 등 특수 용도의 마네킨 제작에도 필수적인 기능이다.
축척별 3D프린팅 필라멘트 소모량 및 출력시간(unit means mm / hour : minute)
1/8 scale 1/4 scale 1/2 scale
V-CUT 8.98
/3:30		 49.71
/15:33		 298.99
/90:57
PIE-CUT 11.38
/5:26		 62.2
/35:19		 349.73
/109: 1
본 발명은 상기 마네킨의 분할된 각 부위들을 내보내기(export) 및 3D 프린팅함에 있어서, 오버행 구조에 대한 지지구조의 발생량을 최소화하기 위해, 분할된 상기 마네킨 조각을 각도 별로 회전시켜 지지구조 발생량이 최소화되는 각도를 구하는 단계를 더 포함한다.
상기 지지구조 발생량은 g-code 변환을 직접 이용하거나, 빠른 연산을 위해서는 OpenGL의 Shading Language 작성을 그림자의 부피를 측정하는 방법이 사용될 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 마네킨의 인체특징점을 자동 탐색하는 단계;
    상기 인체특징점을 이용하여 상기 마네킨의 6개 인체 부위별로 초기 회전윤곽상자(OBB)를 생성하는 단계;
    회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 상기 마네킨의 몸체를 분할하는 단계;
    분할된 각각의 상기 마네킨의 몸체를 3D 프린팅하는 단계;
    분할된 각각의 상기 마네킨의 몸체를 결합하는 단계;를 포함하며,
    상기 마네킨의 인체특징점을 자동 탐색하는 단계에서,
    상기 인체특징점은 단면 폐곡선에 기반하여 자동 탐색되는 것
    을 특징으로 하는 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인체특징점은,
    상기 마네킨의 손끝, 발끝, 정수리, 가랑이 및 어깨점을 포함하는 1차 특징점과,
    상기 1차 특징점으로부터 선형 보간(bilinear interpolation)을 통해 간접적으로 얻어지는 2차 특징점을 포함하는 것을 특징으로 하는 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 상기 마네킨의 몸체를 분할하는 단계는,
    상기 회전윤곽상자 중 박스형 회전윤곽상자를 이용하여 상기 마네킨을 수평 방향(V-CUT) 분할하는 단계;
    상기 회전윤곽상자를 상기 마네킨의 길이 방향 축을 중심으로 분할한 파이형 회전윤곽상자를 이용하여 상기 마네킨을 수직 방향(PIE-CUT) 분할하는 단계;를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 박스형 회전윤곽상자는 PCA분석을 통해 상기 마네킨의 메쉬 점 데이터의 고유벡터(eigenvector) 값으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 마네킨을 수평 방향(V-CUT) 분할하는 단계와 상기 마네킨을 수직 방향(PIE-CUT) 분할하는 단계는,
    분할된 상기 마네킨의 크기가 3D프린터의 출력 가능한 최대 크기를 초과하지 않을 때까지 자동 반복되는 것
    을 특징으로 하는 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전윤곽상자(OBB)를 이용하여 상기 마네킨의 몸체를 분할하는 단계는,
    상기 마네킨을 경계표현법(boundary representation) 형태의 메쉬 데이터로 생성하는 단계;
    상기 메쉬 데이터를 CSG(constructive solid geometry) 방식으로 집합 연산하여 분할하는 단계;를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메쉬 데이터를 CSG(constructive solid geometry) 방식으로 집합 연산하여 분할하는 단계는 상기 CSG 방식 집합 연산을 상기 메쉬 데이터에 적용할 때 발생하는 동일 평면 간 소수점 반올림 (round-off) 절단 오류를 방지하기 위해,
    상기 회전윤곽상자와 상기 마네킨 간에 서로 일치하는 평면이 존재하는지 확인하는 단계;
    상기 회전윤곽상자의 크기를 조절하는 단계;를 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분할된 각각의 상기 마네킨의 몸체를 3D 프린팅하는 단계에서,
    상기 3D 프린팅은 원뿔형 출력 방법으로 진행되는 것을 특징으로 하는 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분할된 각각의 상기 마네킨의 몸체를 결합하는 단계에서,
    상기 결합 시 에틸시아노아크릴레이트(Ethyl Cyanoacrylate) 성분의 고분자 접착제를 사용하는 것을 특징으로 하는 마네킨의 분할 3D 프린팅 방법.
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