KR20160090622A

KR20160090622A - 3d 물체 생성 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20160090622A
Application number: KR1020150010645A
Authority: KR
Inventors: 임성재; 윤승욱; 전혜령; 황본우; 최진성
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-08-01
Also published as: KR102207855B1

Abstract

본 발명은 3D 물체 생성 장치를 제공한다. 상기 3D 물체 생성 장치는 물체를 스캔하는 스캔부 및 상기 스캔부를 통해 스캔된 물체에 대한 3D(3-Dimensional) 데이터를 생성하며, 상기 물체와 매칭되는 기모델링된 3D 모델을 검색하고, 상기 검색된 3D 모델, 상기 3D 모델에 대한 기능정보 및 사용자 요청에 따른 편집정보를 이용하여 상기 생성된 3D 데이터를 프린팅하기 위한 최종 데이터를 생성하는 제어부 및 상기 생성된 최종 데이터를 프린팅하는 출력부를 포함한다.

Description

3D 물체 생성 장치 및 그 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING 3-DIMENSIONAL OBJECT}

본 발명은 3D(3-Dimensional) 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물체를 스캔하여 3D 데이터로 복원하고, 데이터 편집 과정을 거쳐 프린팅하는 3D 물체 생성 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

물체를 스캔하여 3D 데이터로 복원하는 종래기술은 레이저 기반 스캔장치, 패턴 광 기반 스캔장치, 적외선 또는 TOF(Time Of Flight) 기반 뎁스 센서 등의 스캔장치가 물체 주변을 360도 회전해가며 획득한 데이터를 3D 데이터로 복원하는 기술이다.

그러나, 이러한 종래기술은 물체의 볼록한 면은 비교적 복원률이 높지만, 오목한 면은 누락되어 복원되는 경우가 많아 기형적인 3D 데이터가 생성되는 문제점이 존재한다.

또한, 종래기술은 복원된 3D 데이터의 온전한 외형과 추가적인 효과를 위하여 일반인이 다루기 힘든 3D 그래픽 편집 툴 사용이 요구되며, 복원 또는 편집된 3D 데이터를 출력하기 위해 3D 프린터의 종류, 프린팅 타입, 프린팅 소재 등에 따라 3D 데이터를 변형해줘야 하는 번거로움이 존재한다.

한편, 3D 데이터를 프린팅하는 종래기술 중, 3D 개인 아바타 생성 기술은 사용자의 얼굴 전면을 캡쳐하여 미리 모델링된 3D 모델과의 비교를 통해 개인 3D 아바타를 생성하고, 생성된 3D 아바타를 출력하는 기술이다.

하지만, 이러한 종래기술은 대상체가 사람의 얼굴로 제한되고, 추가적인 외형, 색상, 효과 등의 편집이 불가능하며. 미리 정해진 특정 3D 프린터를 통해 출력이 가능한 문제점이 있다.

즉, 종래에는 물체를 스캔하고, 스캔한 물체와 동일한 물체를 3D 형태로 프린팅하는 일체형 기술이 존재하지 않으며, 각각의 종래기술 또한 여러 가지 문제점을 가지고 있다.

따라서, 점차 3D 프린터의 보급이 늘어나고 있는 현 시점에서 물체의 고유한 기능을 유지하며, 사용자가 원하는 외형, 색상, 기능이 보완된 3D 물체를 생성하는 프린팅 장치의 개발이 요구될 필요가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 물체를 스캔하여 3D 데이터를 생성하고, 물체와 매칭되는 3D 모델 및 사용자로부터 입력된 편집정보를 이용하여 3D 데이터의 내부 형태, 외부 형태, 기능적 형태 등을 보완하여 출력하는 3D 물체 생성 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 3D 물체 생성 장치는 물체를 스캔하는 스캔부 및 상기 스캔부를 통해 스캔된 물체에 대한 3D(3-Dimensional) 데이터를 생성하며, 상기 물체와 매칭되는 기모델링된 3D 모델을 검색하고, 상기 검색된 3D 모델, 상기 3D 모델에 대한 기능정보 및 사용자 요청에 따른 편집정보를 이용하여 상기 생성된 3D 데이터를 프린팅하기 위한 최종 데이터를 생성하는 제어부 및 상기 생성된 최종 데이터를 프린팅하는 출력부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 스캔장치 및 3D 프린팅 장치가 일체화되어 있어, 스캔 에서 프린팅까지의 과정을 신속하게 처리할 수 있고, 다양한 3D 모델이 구축된 데이터베이스를 이용하여 스캔되는 물체의 고유한 기능을 유지하며, 사용자가 원하는 외형, 색상, 기능이 보완된 3차원 물체를 출력할 수 있는 이점을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 물체 생성 장치의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 물체 생성 장치의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 물체 생성 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정하여진다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 물체 생성 장치의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 3D 물체 생성 장치(100)는 스캔부(110), 제어부(120), 3D모델DB(130), UI(140) 및 출력부(150)를 포함한다.

스캔부(110)는 물체를 중심으로 상, 하 이동 또는 회전하며 물체의 상, 하, 좌, 우, 내부 등을 스캔하고, 스캔한 물체에 대한 정보를 제어부(120)로 제공한다.

이때, 스캔부(110)는 레이저 기반 스캔센서, 패턴광 기반 스캔센서, 적외선 기반 뎁스센서, 영상 캡쳐센서, CT 스캔센서 중 적어도 하나의 스캔센서를 포함할 수 있으며, 스캔되는 물체의 크기, 재질, 용도에 따라 각각의 스캔센서가 독립적으로 작동하거나 융합적으로 작동할 수 있다.

예컨대, 내부 기능이 없는 단순한 형태의 물체이거나 물체의 내부가 복원될 필요가 없는 경우, 레이저 기반 스캔센서, 패턴광 기반 스캔센서, 적외선 기반 뎁스센서, 영상 캡쳐센서 중 적어도 하나의 외부용 스캔센서를 이용하여 스캔한다.

반면, 내부 기능이 있는 물체이거나, 물체의 내부가 복잡한 형태일 경우, 전술한 외부용 스캔센서를 이용하여 물체의 외부를 스캔하고, CT 스캔센서와 같은 내부용 스캔센서를 이용하여 물체의 내부를 스캔한다.

제어부(120)는 스캔부(110)에 의하여 스캔된 물체에 대한 3차원 형태의 그래픽 데이터(이하, '3D 데이터'로 통일)를 생성하고, 생성된 3D 데이터와 매칭되는 3D 모델을 3D모델DB(130)에서 검색한다.

이때, 제어부(120)는 3D모델DB(130)에서 3D 데이터와 관련된 카테고리를 대화형으로 선택하고, 3D 데이터의 외형 정보를 기반으로 추출된 특징점을 이용하여 카테고리 내의 3D 데이터와 유사한 3D 모델을 검색한다.

즉, 3D모델DB(130)에는 다양한 3D 모델들의 외부 형태 정보, 내부 형태 정보, 기능 정보, 색상 정보 등이 카테고리 별로 파라미터화되어 저장되어 있으며, 이때, 3D모델DB(130)가 3D 모델들을 카테고리 별로 구분하는 구체적인 방법은 아래와 같다.

3D모델DB(130)는 3D 모델들의 구성 요소(연결 부위를 중심으로 의미론적으로 구분된 세그먼트(Segment))들을 하위 카테고리로 정의 및 분류하고, 3D 모델들의 외형 및 종류를 최상위 카테고리로 분류하여 유사한 구성요소 별로 최상위 카테고리 하에 하위 카테고리를 구성한다.

카테고리 구성이 완료되면, 3D모델DB(130)는 최상위 카테고리와 하위 카테고리가 가지는 연관 관계를 파악하여 파악된 연관 관계에 대한 관계 파라미터를 정의한다.

그리고, 3D모델DB(130)은 다양한 3D 모델들을 컬러 공간(Color Space), 기하 공간(Geometric Space), 깊이 공간(Depth Space), 기능 공간(Functional Space) 등으로 구분하여 통계적 특징 정보들을 파라미터화하고, 각 공간 별 통계적 특징 벡터를 추출하여 저장한다.

한편, 3D모델DB(130)에 저장되는 3D 모델은 실제 제품 생산에 활용되는 설계도 기반 3D 모델, 웹에 공유된 각종 3D 모델, 전문 디자이너에 의해 제작된 3D 모델, 실제 물체를 스캔하여 복원한 3D 모델, 전문가에 의해 편집 과정(외형 편집, 기능성 추가)을 거친 3D 모델 등을 포함할 수 있다.

매칭되는 3D 모델 검색이 완료되면, 제어부(120)는 3D모델DB(130)에서 검색된 3D 모델을 이용하여 3D 데이터의 불규칙한 외형, 일부 손실된 홀(Hole), 기능성 등을 보완한다.

예컨대, 제어부(120)는 스캔부(110)에 의해 스캔된 물체와 유사한 3D 모델을 검색한 결과, '주전자'의 3D 모델을 검색 결과로 얻은 경우, '주전자'에 물을 담기 위한 내부 공간 및 물을 따르기 위해 필요한 통로 등의 기능적 형태를 3D 데이터에 적용할 수 있다.

다른 예로, 제어부(120)는 스캔(110)부에 의해 스캔된 물체와 유사한 3D 모델을 검색한 결과, '관절이 꺾이는 로봇 팔'의 3D 모델을 검색 결과로 얻은 경우, '관절이 꺾이는 로봇 팔'과 유사하도록 관절이 움직일 수 있는 기능성을 3D 데이터에 적용할 수 있다.

또한, 제어부(120)는 유사 3D 모델을 이용하여 3D 데이터에 기능을 추가하거나 UI(140)를 통해 입력된 사용자의 요청에 따라 색상 편집, 로고 삽입, 글귀 삽입 등의 과정을 거쳐 사용자가 원하는 효과가 보완된 3D 데이터를 생성할 수 있다.

UI(140)는 사용자에게 스캔 및 출력 과정을 출력하거나 사용자로부터 데이터의 외형, 색감, 기능과 관련된 편집정보를 입력 받는 장치이며, 터치형 디스플레이(Display)일 수 있다.

3D 데이터 보완이 완료되면, 제어부(120)는 생성된 3D 데이터 특성에 적합한 프린팅 소재, 프린팅 재질 등을 선택하고, 선택된 프린팅 소재, 프린팅 재질 등에 따라서 프린팅 방식 및 프린팅할 프린터를 선택한다.

프린팅 방식 및 프린터 선택이 완료되면, 제어부(120)는 선택된 프린팅 방식 및 프린터에 따라 프린팅될 3D 데이터의 내구성, 두께 등을 조절하여 프링팅될 최종 3D 데이터를 생성하고, 생성된 최종 3D 데이터에 대한 정보를 출력부(150)로 제공한다.

출력부(150)는 제어부(120)에 의해 생성된 최종 3D 데이터를 제어부(120)에 의해 선택된 프린팅 방식 및 프린트를 통해 출력함으로써 최초 스캔된 물체와 동일하거나 보완된 형태의 3차원 물체를 출력할 수 있다.

이때, 출력부(150)가 이용하는 프린터는 광경화 수지 조형 방식(SLA), 선택적 레이저 소결 조형 방식(SLS), 폴리젯 방식(PolyJet), 마스크 투영 이미지 경화 방식(DLP), 플라스틱 적층 방식(FDM) 등을 이용하는 3D 프린터일 수 있다.

즉, 출력부(150)는 프링팅될 물체의 품질 구현도에 따라 고품질을 위한 광경화 수지 조형 방식, 선택적 레이저 소결 조형 방식, 마스크 투영 이미지 경화 방식 등을 이용하거나, 일반품질을 위한 플라스틱 적층 방식, 폴리젯 방식 등을 이용할 수 있다.

한편, 출력부(150)는 제어부(120)에 의해 선택된 프린터가 외부에 존재할 경우, 프린팅될 3D 데이터를 근거리 통신 방식을 이용하여 외부 프린터로 전송함으로써 프린팅 과정을 수행할 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 제어부(120)의 구성 및 동작을 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 물체 생성 장치의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 3D 물체 생성 장치(100)의 제어부(120)는 복원부(121), 편집부(122), 기능생성부(123) 및 출력설정부(124)를 포함한다.

복원부(121)는 도 1에 도시된 스캔부(110)에 의해 스캔된 물체에 대한 3D 데이터를 생성하고, 생성된 3D 데이터를 편집부(122)로 제공한다.

예컨대, 물체가 스캔부(110)에 포함된 여러 종류의 스캔센서에 의해 스캔된 경우, 복원부(121)는 스캔센서들의 캘리브레이션(Calibration) 파라미터 정보와 스캔센서들을 통해 획득한 스캔 데이터를 특징점 기반 정합 알고리즘을 통해 융합하여 하나의 3D 데이터로 복원한다.

다른 예로, 스캔부(110)에 의해 물체의 일부분만 스캔된 경우, 복원부(121)는 스캔된 일부분의 점 및 메쉬(Mesh) 데이터를 객체의 외형 특성 분석에 기반한 자동정합 및 자동 정렬 알고리즘을 통해 하나의 전체 3D 메쉬 데이터로 복원한다.

편집부(122)는 복원부(121)에 의해 복원된 3D 데이터와 유사한 3D 모델을 도 1에 도시된 3D모델DB(130)에서 검색하고, 검색된 3D 모델을 이용하여 3D 데이터에 포함된 여러 가지 크고 작은 홀이나 매끄럽지 못한 표면을 보완 및 수정하여 기능생성부(123)로 제공한다.

구체적으로, 편집부(122)는 3D모델DB(130)에 카테고리화되어 저장된 3D 모델 중에서 스캔부(110)를 통해 스캔된 물체가 속하는 카테고리를 하위 다중 레벨까지 검색한다.

예컨대, 편집부(122)는 의류, 신발, 가방, 쥬얼리, 시계, 안경, 식품, 장난감, 인형, 침구, 가구, 사무용품, 꽃, 악기, 카메라, 휴대폰, 태블릿, 모니터, TV 등 프린팅 가능한 모든 3D 모델이 저장된 3D모델DB(130)의 카테고리 중에서, 스캔된 물체가 속하는 카테고리를 선택할 수 있다.

카테고리 검색이 완료되면, 편집부(122)는 검색된 3D 모델들의 컬러 공간, 기하 공간, 깊이 공간, 기능 공간에서 각각의 특징 벡터를 추출하고, 추출된 특징 벡터 중에서 스캔된 물체의 3D 데이터와 가장 유사한 특징 벡터를 갖는 기저장된 3D 모델을 선택하여 선택된 3D 모델을 이용해 3D 데이터를 편집한다.

또한, 편집부(122)는 도 1에 도시된 UI(140)를 통해 입력된 사용자 요청에 따라 사용자가 원하는 모양으로 3D 데이터를 변형할 수 있다.

기능생성부(123)는 실제 물체가 가지는 기능을 살리기 위해 3D모델DB(130)에서 검색된 3D 모델의 기능적 특성을 편집부(122)에 의해 3D 데이터에 적용하여 최종 3D 데이터를 생성하고, 생성된 3D 데이터를 출력설정부(124)로 제공한다.

구체적으로, 3D모델DB(130)에 저장된 3D 모델은 외부 형태 정보 또는 내부 형태 정보뿐만 아니라, 물체의 고유한 기능 정보도 포함하고 있기 때문에, 기능생성부(123)는 편집부(122)에 의해 편집된 3D 데이터와 유사한 3D 모델을 오버래핑(Overlapping) 및 컴페어링(Comparing)하여 내부 형태 및 외부 형태를 보완하거나 기능을 추가하여 3D 데이터를 생성할 수 있다.

또한, 기능생성부(123)는 같은 카테고리에 속하는 다양한 3D 모델들을 참조하여 3D 데이터의 스타일, 크기, 부분 변형할 수 있고, 3D 모델들과의 조합 및 조립을 통해 다양한 효과를 추가할 수 있으며, UI(140)를 통해 입력된 사용자의 요청에 따라 사용자가 원하는 위치에 로고 및 글귀를 삽입할 수 있음은 물론이다.

이때, 3D모델DB(130)는 3D 모델의 변형 가능한 최대(Max) 및 최소(Min) 범위를 제한하여 설정함으로써 3D 데이터의 생성을 가이드하는 역할을 제공할 수 있다.

출력설정부(124)는 기능생성부(123)에 의해 생성된 3D 데이터의 특성에 맞는 프린팅 소재, 프린팅 방식 및 프린터 등을 선택하고, 선택된 프린팅 소재, 프린팅 방식 및 프린터에 따라 프린팅될 3D 데이터의 내구성, 두께 등을 조절하여 최종 3D 데이터를 생성한다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 3D 물체 생성 장치(300)는 자판기 형태로 제작될 수 있으며, 자판기 형태의 내부에는 물체를 스캔하기 위해 물체를 위치시킬 테이블, 물체 스캔에 적절한 조명장치 등이 추가로 구성될 수 있으며, 이때 테이블은 밑면이 투명하고 빛에 반사되지 않는 소재로 제작된 턴테이블일 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 물체 생성 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 3D 물체 생성 방법은 먼저, 물체를 중심으로 상, 하 이동 또는 회전하며 물체의 상, 하, 좌, 우, 내부 등을 스캔하고(S300), 스캔된 물체에 대한 3차원 형태의 그래픽 데이터(이하, '3D 데이터'로 통일)를 생성한다(S310).

이때, 레이저 기반 스캔센서, 패턴광 기반 스캔센서, 적외선 기반 뎁스센서, 영상 캡쳐센서, CT 스캔센서 중 적어도 하나의 스캔센서를 이용할 수 있으며, 스캔되는 물체의 크기, 재질, 용도에 따라 각각의 스캔센서가 독립적으로 작동하거나 융합적으로 작동할 수 있다.

3D 데이터가 생성되면, 생성된 3D 데이터와 매칭되는 기저장된 3D 모델을 검색하고(S320), 검색된 3D 모델을 이용하여 3D 데이터의 불규칙한 외형, 일부 손실된 홀(Hole), 기능성 등을 보완한다(S330).

예컨대, 스캔된 물체와 유사한 3D 모델을 검색한 결과, '주전자'의 3D 모델을 검색 결과로 얻은 경우, '주전자'에 물을 담기 위한 내부 공간 및 물을 따르기 위해 필요한 통로 등의 기능적 형태를 3D 데이터에 적용할 수 있다.

다른 예로, 스캔된 물체와 유사한 3D 모델을 검색한 결과, '관절이 꺾이는 로봇 팔'의 3D 모델을 검색 결과로 얻은 경우, '관절이 꺾이는 로봇 팔'과 유사하도록 관절이 움직일 수 있는 기능성을 3D 데이터에 적용할 수 있다.

또한, 유사 3D 모델을 이용하여 3D 데이터에 다른 기능을 추가하거나 사용자의 요청에 따라 색상 편집, 로고 삽입, 글귀 삽입 등의 과정을 거쳐 사용자가 원하는 효과가 보완된 3D 데이터를 생성할 수 있다.

3D 데이터가 보완되면, 보완된 3D 데이터 특성에 적합한 프린팅 소재, 프린팅 재질 등을 선택하고(S340), 선택된 프린팅 소재, 프린팅 재질 등에 따라서 프린팅 방식 및 프린팅할 프린터를 선택한다(S350).

프린팅 방식 및 프린팅할 프린터가 선택되면, 선택된 프린팅 방식 및 프린터에 따라 프린팅될 3D 데이터의 내구성, 두께 등을 조절하여 프링팅될 최종 3D 데이터를 생성하고(S360), 생성된 최종 3D 데이터를 출력한다(S370).

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고 그와 동등하거나 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

물체를 스캔하는 스캔부; 및
상기 스캔부를 통해 스캔된 물체에 대한 3D(3-Dimensional) 데이터를 생성하며, 상기 물체와 매칭되는 기모델링된 3D 모델을 검색하고, 상기 검색된 3D 모델, 상기 3D 모델에 대한 기능정보 및 사용자 요청에 따른 편집정보를 이용하여 상기 생성된 3D 데이터를 프린팅하기 위한 최종 데이터를 생성하는 제어부; 및
상기 생성된 최종 데이터를 프린팅하는 출력부
를 포함하는 3D 물체 생성 장치.