3D 모델 생성: 사진 촬영 대 3D 스캐닝
3D 모델을 생성하는 프로세스는 작업에 적합한 도구를 선택하는 것으로 시작하며, 이 선택은 주로 3D 모델이 필요한 용도, 즉 3D 모델의 사용 계획을 중심으로 이루어집니다. 가장 많이 사용되는 도구로는 3D 스캐닝과 사진 측량이 있으며, 이 기사에서는 특정 프로젝트에 대해 이 두 개의 도구 중 어떤 것을 선택해야 하는지 그리고 언제 이 두 개의 도구를 결합할 수 있는지 설명합니다.
3D 스캐너
우선 3D 스캐닝이 작동하는 방식을 간단히 설명하고, 시중에 나와 있는 3D 스캐너의 주요 유형에 대해서도 살펴보겠습니다. 이는 나중에 이 기술을 사진 측량과 비교할 때 도움이 될 것입니다.
3D 스캐닝은 물리적 물체, 더 정확하게는 물체의 모양과 종종 색상에 대한 정보를 디지털 세계로 가져오는 기술입니다. 컴퓨터에 물체의 디지털 복제본이 있으면 검사, 측정, 수정, 시뮬레이션 또는 스트레스 테스트, 공유, 공동 작업, AR/VR 환경에서 가져오기 등 작업에 대한 다양한 가능성이 열립니다.
요점
3D 스캐닝은 무엇보다도 산업, 의료, 자동차, CGI, 항공우주 및 고고학 분야 등에서 물체를 검사, 측정 및 디지털화하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
물체의 정확한 디지털 복제품을 어떻게 얻을 수 있습니까? 간단히 대답하자면 3D 스캐너를 사용하는 것입니다. 3D 스캐닝 도구 분야는 지난 수십 년 동안 기존의 검증된 기술이 발전하고 새로운 기술이 처음부터 다시 개발됨에 따라 빠르게 변화하고 있습니다. 현재 가장 널리 사용되는 3D 스캐닝 도구는 구조화 광 및 레이저 삼각 측량 스캐너입니다.
구조화 광 및 레이저 삼각 측량 스캐너
이러한 장치의 메커니즘은 매우 유사합니다. 스캐너는 물체의 표면에 빛을 투사하고 스캐너의 카메라는 빛이 표면에서 반사될 때 빛의 빔이 왜곡되는 방식을 기록합니다. 여기서 차이점은 구조화 광 스캐너는 그리드를 형성하는 흰색 또는 파란색 빛의 빔을 방출하고 레이저 삼각 측량 스캐너는 단순한 선을 방출한다는 것입니다.
스캔하는 동안 3D 스캐너는 물체 표면의 수백만 개의 포인트에 대한 정보를 수집하고 스캐너의 소프트웨어는 앞서 말한 왜곡을 분석하고 모든 포인트를 서로 상대적으로 배치하여 디지털 환경에서 물체의 모양을 재구성합니다.
구조화 광 및 레이저 삼각 측량 방법 모두에서 3D 포인트 데이터 세트를 포인트 클라우드라고 하며, 이는 3D 메시 모델로 변환할 수 있습니다. 이 메시를 만드는 데 사용되는 프로그램에 따라 그 위상은 삼각형 또는 2차 면으로 구성될 수 있지만 어느 쪽이든 모델은 함께 결합된 수백만 개의 면으로 구성됩니다. 위에서 설명한 목적을 위해 변환을 수행하여 리버스 엔지니어링, CAD, AR/VR 응용 분야 등을 위한 물체의 디지털 복제본을 통해 추가 작업을 쉽게 할 수 있습니다.
구조광 및 레이저 3D 스캐닝 기술은 크기가 몇 밀리미터에서 몇 미터에 이르는 비교적 소형의 물체를 스캔해야 할 때 특히 효과적입니다. 휴대용 3D 스캐너를 사용하면 이 프로세스가 매우 빨라지고 최종 3D 모델이 매우 정밀하고 원본에 매우 충실해집니다.
ToF(Time-of-flight) 3D 스캐닝 기술
물체의 크기(높이 또는 길이)가 수십 미터를 초과하는 경우 펄스 기반 레이저 3D 스캐닝 기술이라고도 하는 ToF(time-of-flight) 기술을 기반으로 하는 3D 스캐너를 선택할 수 있습니다. 이러한 스캐너는 장거리 스캐너라고 할 수 있습니다. 구조화 광 및 레이저 삼각 측량 스캐너와 달리 ToF 스캐너와 물체 사이의 거리는 몇 미터에서 수백 또는 심지어 수천 미터에 이를 수 있습니다.
이 기술은 어떻게 작동할까요? 스캐너가 레이저 펄스를 방출합니다. 레이저 펄스가 표면에서 반사될 때 스캐너의 수신기에 의해 포착되고 스캐너는 각 펄스가 복귀하는 데 걸린 시간(초 단위)을 계산합니다. 반사된 수백만 개의 펄스에 대한 정보를 수집하고 기록하면서 스캐너는 표면의 그림을 형성합니다. 정확도는 사용된 솔루션과 디지털화할 영역에 따라 달라집니다. 고정된 삼각대 장착형 3D 스캐너로 건물을 스캔하는 경우 단 몇 밀리미터까지 정확한 스캔을 기대할 수 있습니다. 넓은 지역의 지형을 매핑해야 하고 이를 비행기나 무인 항공기(UAV)에서 스캔하는 경우 공차가 몇 센티미터에 달할 수 있습니다.
3D 스캐너의 장단점
이 글의 첫 번째 부분에서도 알 수 있듯이 구조광, 레이저 삼각 측량, TOF 스캐너는 모두 비교적 작은 물체나 넓은 표면적의 정밀한 디지털 복제본을 제공할 수 있습니다. 고품질 3D 스캐닝 솔루션이 제공하는 공간 데이터의 정확도는 정확도 오류가 돌이킬 수 없는 결과나 재난으로 이어질 수 있는 분야에서 없어서는 안 될 도구입니다. 3D 스캐너는 산업 설계 및 엔지니어링 분야에서 널리 사용되고 있으며, 유수의 전문가들이 전자 제품 개발, 배관의 안정적인 작동 보장, 대량 생산된 기계 부품의 품질 검사 등 다양한 용도로 사용하고 있습니다.
의료 분야에서 3D 스캐너의 용도는 완벽하게 맞고 오래 쓸 수 있는 맞춤형 보철 장치 및 임플란트 설계부터 수술 전 및 수술 후 성형 수술 결과 평가에 이르기까지 다양합니다. 예술, 엔터테인먼트, 과학 및 박물관 분야에서 3D 스캐너는 배우의 디지털 대역을 만들고, 발굴 현장 및 박물관 저장소에서 수백만 년 된 화석을 디지털화하고, 해부학, 고생물학, 심지어 우주 탐사와 같은 영역의 연구를 발전시키는 데 도움이 됩니다. 마지막으로 이에 못지않게 중요한 것은 점점 더 많은 포렌식 인류학자들이 범죄 현장을 가장 빠르고 정확하게 기록하는 방법으로 3D 스캐닝을 채택하고 있다는 것입니다.
이러한 다양한 응용 분야 외에도 3D 스캐너는 사용 편의성 면에서 탁월합니다. 예를 들어, 휴대용 스캐너는 물체 주위를 걸어 다니며 표면의 모든 부분을 캡처할 수 있는 경량 장치입니다. 이러한 3D 스캐너 중 가장 발전된 스캐너는 일체형(all-in-one) 솔루션입니다. 터치스크린이 내장되어 있어 노트북이나 태블릿 없이도 스캐너 디스플레이에서 스캔 진행 상황을 실시간으로 추적할 수 있습니다. 노트북이나 태블릿이 필요 없으므로 케이블이나 전선의 방해를 받지 않고 물체 주위를 자유롭게 이동할 수도 있습니다.
이러한 화면에서 제공되는 실시간 피드백은 사용자가 물체의 모든 영역을 캡처했는지 빠르고 쉽게 파악할 수 있도록 도와주기 때문에 사용자에게도 매우 유용합니다. 곧 사진 측량의 장단점을 자세히 살펴보겠지만 이것이 내장된 화면을 사용한 3D 스캐닝의 뚜렷한 이점이라는 점을 주목해야 합니다. 즉, 축적한 데이터와 누락된 데이터를 즉시 파악할 수 있습니다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이, 3D 스캐너는 물체의 모양을 캡처하며, 일부 스캐너는 3D 스캐닝 세계에서 알려진 것처럼 물체의 색상 또는 텍스처를 캡처할 수도 있습니다. 정확도는 3D 스캐닝의 확실한 비장의 카드이지만, 이러한 결과는 사진 측량이 제공할 수 있는 선명도를 통해 더욱 향상될 수 있습니다.
사진 측량
사진 측량은 여러 장의 사진을 결합하여 물체의 3D 모델을 제공하는 기술입니다. 위에서 설명한 전문적인 3D 스캐닝 기술과 달리 사진 측량에는 3D 스캐너가 필요하지 않습니다. 사진을 생성하는 데 필요한 것 즉, 카메라가 있으면 됩니다. 카메라는 특수 장비가 아니어도 되므로 휴대용 스마트폰에서 드론에 이르기까지 무엇으로든 찍은 사진을 사용하여 프로세스를 완료할 수 있습니다. 2D 카메라 사진은 주로 카메라의 초점 거리, 렌즈 왜곡 및 해상도, 물체 촬영 시 카메라의 위치와 각도, 카메라의 충분한 시야 확보 및 인접 영역의 사진 간 겹침 등 여러 요인을 고려하여 사진 측량 소프트웨어로 처리됩니다.
사진 측량 소프트웨어
품질 결과에 항상 도움이 되지 않고 지원이 제한적이거나 없으며 처리/편집 도구 선택이 빈약한 무료 앱을 배제하면 이 업계에는 Reality Capture와 Metashape라는 두 개의 주요 브랜드가 있습니다. Reality Capture는 더 유연하고 직관적인 작업 흐름에 차별화되며, 원본 데이터를 수정해야 할 때 선택할 수 있는 다양한 경로를 제공합니다. Reality Capture를 무료로 다운로드할 수 있고 소프트웨어에서 3D 모델을 조립하도록 할 수 있습니다.
그런 다음 필요에 잘 맞게 보이는지 확인하고, 그럴 경우 유료로 3D 모델을 다운로드할 수 있습니다. Reality Capture는 또한 주요 경쟁 제품보다 최대 10배 빠르게 계산을 수행합니다. 반면에 Metashape의 한 가지 장점은 확고한 지원과 필요한 경우 조언과 도움을 요청할 수 있는 광범위한 사용자 커뮤니티입니다. 많은 교육 자료와 인상적인 3D 모델 갤러리에 대한 액세스가 제공됩니다. 많은 사용자는 Metashape가 Reality Capture에 비해 더 높은 정확도를 보장한다고 생각합니다.
다른 옵션을 찾는 사용자를 위해 3DF Zephyr와 Meshroom은 이미 강력한 사진 측량 기능 세트를 지속적으로 개선하고 있습니다. 그 외에는 원래 연구용으로 개발된 무료 솔루션인 Colmap이 간소화된 저렴한 대안을 제공합니다.
사진 측량의 장단점
사진 측량의 큰 장점 중 하나는 사용하는 카메라가 저렴하다는 것입니다. 오늘날 스마트폰에는 사진 측량을 위한 충분한 색상 해상도로 이미지를 거뜬히 촬영할 수 있는 16MP 카메라가 탑재되어 있습니다. 3D 스캐닝과 마찬가지로 사진 측량은 물체를 디지털화하는 비접촉 방식입니다. 전문 카메라든 스마트폰이든 사진 측량 하드웨어 장치는 가볍고 휴대가 간편하며 사용에 대한 교육이 필요하지 않습니다. 3D 스캐닝과 달리 스캔해야 하는 물체의 크기에 따라 올바른 도구(카메라)를 선택할 필요가 없습니다. 카메라는 소형 물체와 대형 물체 모두에 사용할 수 있습니다.
당연히 숏의 품질이 높을수록 이를 통해 만들어진 최종 3D 모델의 품질도 더 좋습니다. 격차 없는 3D 모델을 만드는 데 중요한 역할을 하는 핵심 요소는 촬영한 숏이 물체의 전체 표면 영역을 포함하는지 여부입니다. 더 나은 결과를 얻으려면 수십, 수백, 수천 개의 숏을 수동으로 촬영해야 하는 상황에 대비해야 합니다. 이를 3D 스캐너가 수행하는 즉각적인 자동 3D 데이터 캡처와 비교하십시오. 이는 사진 측량의 또 다른 한계를 시사합니다. 대부분의 경우 모델이 몇 분 또는 몇 시간 동안 가만히 있을 수 없다면 사람의 3D 모델을 만드는 것은 현실적이지 못합니다.
마찬가지로 사진 측량은 특히 부스 기반 설정을 사용하려는 경우 현장에서 효율적으로 사용하기가 훨씬 더 어렵습니다. 예를 들어, 들판 한가운데와 같은 외딴 지역에서 스캔하는 경우, 그곳에서 부피가 큰 부스를 사용하는 것은 매우 까다로울 것입니다. 같은 위치에 있지 않은 사람들을 스캔하는 경우 복잡하게 여러 카메라를 배치하는 것보다 3D 스캐너 한 대를 그들에게 보내는 것이 훨씬 쉽습니다.
또한 사진을 찍을 때 피사체에 조명이 고르게 비추기를 원할 수도 있습니다. 그렇지 않으면 나중에 많은 숏의 밝기를 수정/조정하는 데 며칠이 걸릴 수 있습니다. 화창한 날 야외에서 물체의 사진을 찍을 때 특히 그렇습니다. 햇빛이 비치는 쪽이 그림자 쪽보다 더 밝게 나타날 것입니다.
따라서 이상적으로는 사진 촬영을 하려면 흐린 날을 선택해야 합니다. 처리 단계에서 표면의 일부가 충분히 잘 나오지 않는 경우 원래 사진 촬영을 진행했던 현장으로 돌아가서 조명을 포함한 첫 번째 사진 세션의 조건을 다시 만들어야 합니다. 원본 데이터베이스에 새 사진을 추가할 수 있다면 운이 좋은 것입니다. 그러나 전체 물체 또는 장면을 다시 촬영해야 할 수도 있습니다.
인공 광원에 투자하고 이것과 카메라에 편광 필터를 장착하면 사진 측량의 한계 일부를 극복할 수 있습니다. 이러한 교차 편광 설정을 통해 사진 촬영 중 반사로 인해 가려지는 물체의 양을 줄여 세밀도가 향상된 사진 측량 모델을 생성할 수 있습니다. 이 프로세스의 한 가지 단점은 편광 장치를 구매해야 하므로 캡처 세션에 비용이 많이 든다는 것입니다. 이는 완벽하지도 않습니다. 마치 편광자를 동일한 재료로 만들지 않은 듯이 모델의 모양을 왜곡시키는 색상 변화를 일으킬 수도 있습니다.
궁극적으로, 정확한 선형 측정을 제공하는 3D 스캔과 달리, 사진 측량을 사용하면 물체의 크기와 비율이 왜곡될 수 있습니다. 이는 입력 이미지 품질에 대한 기술의 의존도 때문이며, 이는 조명에서 해상도 및 모션 블러(motion blur)에 이르기까지 다양한 문제의 영향을 받을 수 있습니다. 최종 모델은 추상적인 단위로 조립되기 때문에 리버스 엔지니어링이나 품질 검사와 같이 높은 정확도를 요구하는 응용 분야에서도 사용할 수 없습니다.
두 세계의 장점을 결합하는 방법은?
많은 경우에 사용자는 3D 모델이 최대한 정확하고 사실적인 색상으로 렌더링되기를 원할 수 있습니다. 이런 경우 3D 스캔과 사진을 결합하는 것을 고려할 수 있습니다.
이 정확한 접근 방식은 당시 국가 원수였던 버락 오바마 대통령의 최초의 3D 초상화를 제작하는 데 사용되었습니다. 이 프로젝트에서는 구조광 스캐너(Artec Eva)가 사진 측량과 시너지 효과를 내며 사용되었습니다. 지금쯤이면 아시겠지만, 사진 측량은 사람의 3D 모델을 만들어야 할 때 사용하기가 까다롭습니다. 특히 당연히 항상 일정이 빡빡한 대통령에 대해 이야기할 때 더욱 그렇습니다. 여기서 문제 해결 방법은 대통령 주변에 놓인 특수 비계에 장착된 80여 대의 카메라로 동시에 촬영하는 것이었습니다. 이러한 방식으로 모든 색상, 음영 및 색조가 최단 시간 내에 선택되었으며 Artec Eva는 머리 모양을 최대한 정확하게 캡처했습니다.
다른 사례에서는 결합된 데이터 세트를 사용하여 자동차 전체를 3D 모델링했습니다. 이 프로젝트에서 테더리스 Artec Leo는 자동차의 형상(차체와 내부 디자인 모두)을 캡처했습니다. 형상에 대한 정확한 정보는 산업 디자이너와 엔지니어의 요구를 충복합니다. 그러나 비디오 게임 개발과 같은 산업에서는 자동차의 공기역학적 프로필의 정확도보다 선명한 색상이 더 큰 역할을 하는 경우가 많으므로 게임 개발자는 컬러 카메라 숏을 3D 메시 모델에 중첩할 수 있습니다. 이렇게 하면 자동차는 비디오 게임에 통합될 때 완전히 실물처럼 보일 것이며, 이는 훨씬 더 나은 사용자 경험으로 이어질 것입니다.
소프트웨어 측면에서도 Artec Studio는 이제 그 어느 때보다 쉽게 3D 스캐닝과 사진 측량을 결합할 수 있게 되었습니다. 스캔 데이터 캡처 및 처리 기능과 함께 이 프로그램에는 사용자가 고해상도 사진에서 모델로 텍스처를 적용할 수 있는 사진 정합 알고리즘이 포함되어 있습니다. 대부분의 경우 이것은 색상 선명도를 향상하고 스캔을 더 사실적으로 보이게 합니다.
그러한 사례 중 하나는 Artec Studio의 공동 3D 스캐닝-사진 측량 기능을 사용하여 복잡한 정글에서 영감을 받은 패턴을 가진 의자를 디지털화하는 것이었습니다. 사진은 Artec Leo 스캔 데이터와 결합되어 텍스처 파일을 만들고, 이 파일은 프로그램의 텍스처링 알고리즘을 사용하여 3D 메시에 매핑되었습니다. 이 선명하고 생동감 있는 색상의 의자 모델과 함께 이 기능은 Artec Space Spider로 캡처한 고해상도 3D 스캔 데이터로 Nike 운동화의 140개 고해상도 이미지를 래핑하는 데도 사용되었습니다.
완료하는 데 30분이 조금 넘게 걸린 프로세스를 통해 Nike Kyrie 7 농구화의 놀라울 정도로 실물과 같은 스캔을 얻을 수 있었습니다. 유명한 신발의 이 모델은 Nike의 360도 트랙션 깔창을 세밀하게 텍스처를 입혀 복제한 것이 특징이며, 구김을 방지하기 위해 운동화를 거꾸로 놓고 스캔했습니다. 비슷한 프로젝트에서 스포츠 브랜드 아식스(ASICS)는 사진 텍스처링을 사용하여 품질 검사와 혁신적인 애니메이션 마케팅 콘텐츠를 위한 초현실적인 신발 모델을 제작했습니다. 이러한 각 이니셔티브는 Artec 하드웨어와 소프트웨어가 결합하여 캡처할 수 있는 높은 세밀도를 보여줍니다.
결론
사진 측량은 놀라운 시각 자료를 만들 수 있는 사진 측량의 기능을 중요시하는 비디오 게임 개발자 사이에서 여전히 인기가 있습니다. 그러나 3D 스캐닝은 실제 물체와 사람을 디지털화하는 훨씬 빠르고 다양한 방법으로서 이 분야에서 입지를 강화하고 있습니다 휴대형 3D 스캐닝은 환자 팔다리의 빠르고 정확한 측정을 통해 점점 더 잘 맞는 맞춤 보조기를 제작할 수 있는 의료 등의 분야에서 계속 주목을 받고 있습니다.
따라서 정밀도가 가장 중요하고 물체를 고해상도로 빠르게 캡처하고 CAD 응용 프로그램에서 3D 모델을 추가로 사용할 계획이라면 전문 3D 스캐너 및 3D 스캐닝 소프트웨어도 선택해야 합니다.
예산이 제한되어 있지 않고 작업을 서둘러 끝내지 않아도 되는 경우에는 3D 스캐닝과 사진 측량의 조합을 통해 실제 물체를 디지털 복제본으로 변환하는 것이 이상적일 때가 많습니다. 이렇게 하면 모델은 매우 정확한 형상과 생생한 색상의 사실적이고 세밀한 텍스처 모두를 갖추게 됩니다.
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인터넷에서 구매할 수 있는 최고의 3D 스캐너 목록을 검토한 결과, 당사는 대부분 스캔해야 하는 물체의 주요 매개 변수에 대한 정보를 포함하지 않는다는 것을 알았습니다. 물체 크기 및 스캐너를 사용할 적용 분야와 같은 중요한 범주가 다뤄지지 않습니다. 이 리뷰는 이러한 차이를 메우고 프로젝트에 가장 적합한 3D 솔루션을 찾는 데 도움이 되고자 합니다.
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사진 측량은 사진에서 신뢰할 수 있는 측정값을 얻는 과정입니다. 그것은 수 세기 동안 어떤 형태로든 우리와 함께해 왔으며 지구 표면과 같은 것에 대한 우리의 이해를 구체화하는 데 도움을 주었습니다. 오늘날, 사진 측량은 많은 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다. 이것이 무엇이고, 어떻게 작동하는지에 대한 일반적인 이해를 돕기 위한 입문서가 여기 있습니다.
최근에는 한때 대부분의 사람들이 접근할 수 없었던 사진 측량의 진입 장벽(주로 가격과 사용 가능한 기술)이 상당히 완화되었습니다. 이는 사진 측량이 더욱더 광범위하게 채택될 수 있는 길을 열어 더 나아지고 성능이 우수하며 사용자 친화적인 소프트웨어의 개발을 장려했습니다. 여기에서 현재 시중에 나와 있는 소프트웨어를 살려봅니다. 호환성, 가격, 장단점 및 사진 측량 요구 사항에 대한 솔루션을 찾고 있는 경우 상황을 파악하는 데 도움이 되는 몇 가지 중요한 세부 사항에 대해 이야기해 보겠습니다.
지난 10년 동안 비디오 게임의 캐릭터 모델과 환경은 게임 콘솔 하드웨어 업그레이드뿐만 아니라 사진 측량과 같은 디지털화 프로세스의 채택으로 인해 비약적으로 발전했습니다. 이제 이 기술을 사용하면 전 세계적으로 점점 그 수가 늘어나는 게이머에 전례 없는 수준의 몰입감을 제공하는 사실적인 세계를 만들 수 있습니다. 사진 측량에 익숙한 사람은 그것을 통해 인상적으로 높은 수준의 텍스처 품질을 특징으로 하는 3D 모델로 수집되고 변환된 대상 물체의 다양한 이미지를 효과적으로 볼 수 있다는 것을 알 것입니다. 하지만 게임 산업에서 이 프로세스는 정확히 어떻게 사용되고 있을까요? 다음 기사에서는 작업 흐름 단계부터 대안으로 3D 스캐닝을 사용할 가능성에 이르기까지 모든 것을 다루면서 이 주제에 대해 알아봅니다.