3D 스캐닝 정확도, 정밀도 및 해상도: 그 차이점은?
정확도, 정밀도, 해상도는 3D 스캐닝 성능의 가장 중요한 세 가지 지표입니다. 하지만 이 세 지표를 오해하는 경우가 많습니다. 이 글에서는 각 기능을 응용 분야별 맥락에서 정의하고 비교하며 그 과정에서 결과를 최적화하기 위한 도움말을 제공합니다.
개요
3D 스캐너의 내부 작동 방식을 살펴보기 전에 잠시 세 가지 핵심 용어를 정의해 보겠습니다. 측정 분야에서 정확도는 캡처된 데이터가 실제 치수에 얼마나 가까운지를 나타냅니다. 정밀도는 측정 일관성을 나타내는 반면, 해상도는 적어도 넓은 의미에서 장치가 물체 표면의 특정 영역에서 얼마나 많은 정보를 캡처할 수 있는지를 나타내는 척도입니다. 나중에 살펴볼 다양한 형태의 해상도가 있습니다.
각 용어에 대한 자세한 분석을 위해 JCGM(계측학 지침 공동 위원회)과 ISO(국제 표준화 기구)에서도 심층적인 리소스를 개발했으며, 관련 페이지에 대한 링크를 글 전체에 포함하겠습니다.
요점
정확도, 정밀도, 해상도는 모두 중요한 3D 스캐닝 지표이지만 각각은 결과에 뚜렷한 영향을 미칩니다.
3D 스캐닝 응용 분야에 따라 이러한 사양을 중요하게 여기는 정도는 다르지만 각각 결과에 영향을 미칩니다. 리버스 엔지니어링 또는 품질 관리 분야에서 일하는 경우 측정 시스템의 정확도와 정밀도가 최우선 사항일 것입니다. 반면 CGI 모델러는 사실감을 높이기 위해 고해상도에 더 집중할 가능성이 큽니다.
따라서 3D 스캐닝 성능의 세 가지 척도를 모두 이해하는 것은 기술을 최대한 활용하는 데 필수적입니다. 그러나 정확도, 해상도, 정밀도가 업계 내에서조차 오용되는 경우가 많기 때문에 이를 비교하는 방법에 대해 여전히 많은 혼란이 있습니다. 예를 들어, 정밀도와 정확도는 표면 디테일 캡처를 설명하는 데 사용되는 경우가 있는데, 사실 표면 데이터의 품질은 해상도에 달려 있습니다.
정확도, 정밀도, 해상도는 서로 다를 수 있지만 여전히 서로 영향을 미칠 수 있다는 사실로 인해 상황은 더욱 복잡해집니다. 모든 것을 명확히 하기 위해 3D 스캐닝 사양의 세계에 대해 자세히 알아보겠습니다. 이제 본격적으로 기술적인 내용을 시작하겠습니다!
정확도
3D 스캐닝 정확도는 포인트당 또는 체적 단위로 측정할 수 있습니다. 대부분의 3D 스캐너 사양에는 단일 스캔 정확도, 즉 캡처된 단일 이미지로 물체의 실제 측정값에 얼마나 근접할 수 있는지가 표시되어 있습니다. 3D 스캐닝 중에 캡처된 물체의 모든 다양한 모습을 결합한 체적을 측정하여 체적 정확도를 파악할 수도 있습니다.
정확도는 스캔 체적(또는 하위 체적) 내부에서도 방향에 따라 달라질 수 있으므로 참조 물체에 대해 측정하며, 제조업체에서 제시하는 최악의 수치를 기준으로 합니다. 따라서 체적 정확도에 대해 이야기할 때는 실제로 캡처된 '총 측정 체적'을 말합니다.
예를 들어 동전을 3D 스캔한다면(주변에 아무것도 없는 경우) 총 측정 체적은 그 물체의 체적이 됩니다. 즉, 스캐닝 거리는 매개변수에 영향을 미치지 않으며, 어느 쪽이든 제조업체에서 명시한 최소 오차 수준을 충족합니다.
이는 캡처 장면의 크기와 더 관련이 있으며, 물체가 클수록 체적 정확도가 떨어집니다. 따라서 이 사양은 3D 측정 시스템의 규모에 따른 캡처 능력을 평가하는 척도로 가장 유용합니다.
어떻게 측정하든 3D 스캐닝으로 달성할 수 있는 정확도 수준은 매우 놀랍습니다. 휴대용 구조광 3D 스캐너는 일반적으로 0.01~1.0mm 정확도로 표면을 캡처하지만 현실에 훨씬 더 가까운 스캔도 얻을 수 있습니다. 예를 들어 Artec Micro II와 같은 데스크톱 솔루션은 편차가 0.005mm(또는 5마이크론)에 불과한 3D 스캐닝을 수행할 수 있습니다.
물론 위의 모든 사항에는 '측정 불확실성'이라는 주의해야 할 사항이 있습니다. 스캔 정확도는 포인트 클라우드와 피팅된 형상적 물체를 비교하여 측정하는 경우가 많습니다. 이는 스캔에는 본질적으로 '실제 값'과 비교하는 것을 방해하는 수준의 '오차'가 생기기 때문입니다. 하지만 적어도 오차 범위는 파악할 수 있으며, 참조 측정 정확도는 이 범위 내에 있습니다.
거리와 함께 캡처 조건과 기술 또한 정확도를 최적화하는 데 있어 중요한 기준입니다. LiDAR는 구조광에 비해 정확도가 떨어지는 측정값을 캡처하지만, 원거리 스캐닝에 더 적합합니다. 반면 비계측 사진 측량은 정확한 데이터 캡처에 대한 신뢰도는 훨씬 떨어지지만 매우 사실적인 모델을 제공합니다.
데이터 캡처를 최적화하는 데 있어 기술을 연마하면 결과를 향상할 수 있으며, 과도한 조명과 온도로 인해 스캔이 왜곡될 수 있는 조건을 완벽하게 만드는 것도 도움이 됩니다.
요점
정확도와 정밀도는 종종 혼동하기 쉽지만 상당히 다릅니다. 하나는 측정값과 참조값 사이의 편차를 반영하고, 다른 하나는 반복성과 재현성을 나타냅니다.
정밀도
더 넓은 의미에서 정밀도는 정확도와 동의어로 사용되는 경우가 많습니다. 정확도와 마찬가지로 정밀도는 측정상의 불확실성으로 인해 수치를 매기기 까다롭지만 3D 스캐닝의 맥락에서는 캡처 일관성을 더 많이 나타냅니다.
스캔 정확도는 측정한 값이 기준값에 얼마나 가까운지를 측정하는 반면, 정밀도는 반복 테스트를 통해 확인되며 측정 간 차이가 적을수록 성능이 높다는 것을 나타냅니다.
다시 말해, 측정 조건의 변화는 결과의 반복성에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 정밀도를 극대화하려면 사용자, 환경, 3D 측정 시스템의 균일성이 필수적입니다. 사용하는 장치에 따라 다르지만, 까다로운 산업 환경에서도 리버스 엔지니어링 및 품질 관리에 충분한 1mm 미만의 정밀도를 달성할 수 있는 경우가 많습니다.
정밀도에 대한 관련 ISO 표준에 따르면, 반복성뿐만 아니라 '재현성'도 중요합니다. 전자의 경우 한 명의 작업자가 동일한 장비로 일정한 간격으로 측정한다고 가정하지만, 후자의 경우 각 영역의 가변성을 고려합니다. 이 두 요소는 함께 최소 결과와 최대 결과라는 두 가지 극단의 정밀도를 나타냅니다.
요점
리버스 엔지니어링 및 검사에 필요한 반복 가능한 측정값을 얻으려면 1mm 미만의 정밀도가 필수적입니다.
또한 정확성을 위해서는 정밀도가 필요하지만 그 반대의 경우도 마찬가지라는 점도 주목할 필요가 있습니다. 이는 3D 스캐너가 정밀해서 매번 동일한 지점을 캡처할 수 있지만 보정에 관한 문제로 인해 '측정 편향'이 있는 결과가 나와 부정확한 판독값으로 이어질 수 있기 때문입니다. 이는 정확도, 정밀도 및 해상도 간 교차를 보여주는 한 가지 예일 뿐입니다. 나중에 더 자세히 알아보겠습니다!
해상도
일반적으로 최상의 결과를 위해 장치의 시야 끝에서 측정하는 해상도는 캡처된 3D 데이터 포인트 클라우드에서 두 포인트 사이의 가장 작은 증분으로 정의됩니다. 해상도는 또한 삼각 메시 각 조각의 크기를 결정하며, 삼각형이 작을수록 디테일이 뛰어난 모델을 만들 수 있습니다.
그러나 새 3D 스캐너를 구입할 때는 항상 제조업체가 의미하는 해상도가 무엇인지 확인하는 것이 좋습니다. 메시 해상도(최종 모델의 최대 해상도), 3D 공간 해상도(주어진 공간의 3D 포인트 밀도), 단일 프레임 해상도(정합 전 각 프레임의 3D 포인트 밀도)가 있습니다.
응용 분야에 따라 구조적 해상도(개별적으로 측정 가능한 가장 작은 구조의 크기)와 계측적 해상도(알려진 치수와 측정된 양 사이의 감지 가능한 가장 작은 변화)가 발생할 수도 있습니다.
각 용어에는 몇 가지 주의해야 할 사항이 있습니다. 메시 융합 중에 사용자가 구성할 수 있는 메시 해상도도 1mm 미만 수준에 도달할 수 있습니다. 하지만 이는 궤적, 노이즈 및 기타 여러 요인에 따라 달라지기 때문에 항상 '최대' 수치로 표현됩니다.
마찬가지로 3D 공간 해상도는 특정 깊이에서 1cm당 캡처된 데이터 포인트의 수로 측정됩니다. 따라서 장치가 측정된 수량에서 멀어질수록 표면에 투사할 수 있는 포인트 수가 적어져 저해상도 스캔이 발생합니다.
요점
업스케일한 스캔으로 해상도를 높일 수 있지만 최상의 결과를 얻으려면 고급 하드웨어가 필요합니다.
앞서 언급한 모든 사양이 하드웨어에 따라 달라지는 것은 아닙니다. 저가형 스캐너를 사용하는 경우 보간(측정된 두 포인트 사이에 계산된 포인트 추가)과 같은 기술을 항상 사용할 수 있습니다. 이렇게 하면 구조적 해상도가 향상되지 않아 이전보다 작은 요소를 분해할 수 없지만 메시 해상도는 향상됩니다. 즉, 고해상도 카메라가 탑재된 3D 스캐너에 투자하는 것이 매번 최고의 텍스처 디테일을 캡처할 수 있는 가장 좋은 방법입니다.
정확도와 정밀도의 차이
관찰 오차의 중요한 척도인 스캔 정확도와 정밀도는 완전히 다른 기준에 따라 평가됩니다. 전자는 참조 수치( 표적 물체의 치수)와 비교하여 동일한 값에 얼마나 근접할 수 있는지를 반영하는 결과입니다. 후자는 동일한 조건에서 이전 스캔과 비교하여 측정됩니다.
그리고 이 둘 사이에는 상관관계가 없습니다. 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 둘 다 사용 가능한 3D 데이터를 캡처하는 데 필요하지만, 반드시 그렇게 된다는 보장은 없습니다. 정확도와 정밀도가 겹치는 부분은 개선할 수 있으며, 스캐닝 중 빛의 산란을 방지하는 것이 두 가지 측면에서 데이터 캡처를 최적화하는 데 매우 중요합니다.
정확도와 해상도의 차이
정확도는 3D 스캔한 물체와 매우 유사한 치수의 3D 포인트 클라우드를 생성하는 것이고, 해상도는 캡처된 포인트의 수와 서로 얼마나 가까운지를 나타냅니다.
따라서 정확도와 해상도를 비교하는 것은 사실상 불가능합니다. 그러나 세밀도가 낮은 스캔은 삼각측량 후 삼각형 수가 적은 데이터를 생성한다는 점을 고려할 때 해상도가 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 세밀도가 떨어진다고 해서 그 자체가 정확도가 떨어지는 것은 아니므로 두 측정값이 불가분의 관계는 아니지만, 정확도는 여러 부분의 합이라는 점에 주목할 필요가 있습니다.
이는 표면 노이즈를 줄이고 더 많은 포인트를 생성하여 정확도를 효과적으로 높이는 고해상도 HD 모드 기능을 갖춘 3D 스캔 데이터 캡처 및 처리 소프트웨어인 Artec Studio에서도 확인할 수 있습니다. Artec Studio는 경사면과 작은 물체의 표면을 재구성하는 기능을 통해 CAD 기본 요소를 맞추는 데도 도움을 주어 정확도를 더욱 높여줍니다.
해상도와 정밀도의 차이
해상도와 정밀도는 일반적으로 혼동되는 경우가 적지만, 그래도 그 차이를 강조할 필요가 있습니다. 하나는 3D 스캐닝 중에 포착되는 데이터 포인트의 수와 관련이 있고, 다른 하나는 캡처되는 데이터 포인트의 일관성을 나타냅니다.
그러나 산업에 따라 해상도와 정밀도가 결과물을 얻는 데 똑같이 중요할 수도 있습니다. 예를 들어 복잡한 형상과 정교한 표면을 가진 제품을 반복적으로 검사해야 하는 경우 정밀하고 세부적인 데이터를 확보하는 것이 필수적입니다.
정확도, 정밀도, 해상도가 중요한 분야는 어디일까요?
의료, 교육, 항공우주, 방위 등 모든 분야에서 3D 스캐닝은 정확하고 정밀한 고해상도 데이터 캡처에 활용되고 있습니다. 그러나 이러한 측면 중 일부가 다른 측면보다 더 중요한 영역이 있습니다.
예를 들어 리버스 엔지니어링을 위해 물체를 캡처할 때 3D 모델링을 위해 원본에 아주 가까운 메시를 생성하려면 1mm 미만의 정확도가 필수적입니다. 3DMakerWorld가 3D 스캔한 Sadler Vampire 비행기를 예로 들어 보겠습니다. Artec Leo로 캡처한 0.1mm의 정확한 데이터가 없었다면 고객이 원하는 대로 예비 부품을 리버스 엔지니어링하는 것은 불가능했을 것입니다.
요점
분야에 따라 어느 한 가지를 다른 것보다 우선시할 수도 있지만 정확도, 정밀도, 해상도는 산업 전반에 걸쳐 중요한 요소입니다.
편차를 최대한 줄이면서 반복되는 형상을 캡처해야 하는 경우 정밀 3D 스캐닝도 마찬가지로 중요합니다. GoMeasure3D는 Leo를 사용하여 철도 선로의 전체 구간을 캡처하고 조사함으로써 편차를 조기에 감지하여 3D 스캐닝을 통해 철도 사고를 예방할 수 있다는 아이디어를 입증했습니다.
반면 해상도는 매우 사실적인 디지털 복제본을 제작하는 3D 모델러에게 필수적인 요소입니다. 이는 문화유산 보존, 법의학, CGI와 같은 분야에서 볼 수 있습니다. CGI에서 3D 스캐닝의 가장 인상적인 응용 분야 중 하나는 유명한 특수 효과 분장 아티스트 Kazu Hiro가 배우의 얼굴을 놀랍도록 세밀하게 캡처하기 위해 Leo와 Artec Space Spider를 사용하는 것입니다.
물론 이는 전문가급 3D 스캐닝이 제공하는 가능성의 몇 가지 예에 지나지 않습니다. 높은 정확도, 정밀도, 해상도로 캡처하면 더 많은 가능성을 열어줍니다.
최상의 3D 스캐닝 결과를 얻는 방법
3D 스캐너는 시간이 지남에 따라 정확도와 정밀도가 자동으로 떨어지기 때문에 정기적으로 보정하는 것이 중요합니다. 사용하는 장치에 따라 가끔 보정 보드를 사용하거나 작동할 때마다 표적 보정을 해야 할 수도 있습니다.
요점
사용자의 기술, 보정 및 조건이 모두 영향을 미치지만 전문적인 3D 스캐닝만이 최고의 성능을 제공합니다.
위에 나열된 응용 분야에서 알 수 있듯이 3D 스캐닝은 현재 매우 다양한 산업 분야에서 사용되고 있기 때문에 모든 산업에 적합한 단일 솔루션을 찾는 것은 불가능합니다. 따라서 특정 용도의 요구 사항을 조기에 파악하는 것이 중요하며, 이를 통해 정확도, 정밀도 또는 해상도(어쩌면 세 가지 모두)의 우선순위를 정할 수 있습니다. 필요한 모든 것을 캡처하지 못하는 측정 시스템에 투자하는 것은 값비싼 대가를 치르는 실수가 될 수 있습니다.
스캐닝 환경과 거리와 같은 다른 요인도 결과에 영향을 미치며, 멀리서 스캔할 경우 정확도와 해상도가 모두 낮아집니다. 좋은 소식은 현재 140m 이상의 범위와 1.9mm 정확도를 자랑하는 Artec Ray II와 같은 삼각대 장착형 제품뿐만 아니라 다양한 다용도 3D 스캐너가 시중에 나와 있다는 것입니다. 따라서 용도에 따라 요구 사항을 충족하는 장치가 반드시 있을 것입니다.
마지막으로 정확도, 정밀도, 해상도는 3D 모델링, 리버스 엔지니어링, 품질 관리와 같은 전문 응용 분야에 있어 모두 핵심 요소입니다. 이제 각각의 작동 방식을 이해했으니 각 영역에서 결과를 최적화할 수 있을 것입니다. 그리고 소프트웨어와 하드웨어가 계속 발전함에 따라 이 기술은 세 가지 측면 모두에서 계속 개선될 것입니다.
