3D 프린팅 관련 3D 저작/편집도구 분석 및 연구동향

Trends on 3D Modeling and Editing Technologies for 3D Printing

저자
윤승욱, 전혜령, 황본우, 임성재, 박창준, 최진성 / CG기술연구실
권호
31권 1호 (통권 157)
논문구분
일반 논문
페이지
134-145
발행일자
2016.02.01
DOI
10.22648/ETRI.2016.J.310113
초록
최근 3D 프린팅이 제조업의 혁신을 이끌 새로운 키워드로 주목을 받으면서 하드웨어인 3D 프린터를 비롯해 각종 프린팅 재료, 프린팅 대상을 만들 수 있는 3D 저작 및 편집 소프트웨어에 이르기까지 관련 분야에 대한 관심과 지원이 빠르게 확산되는 추세다. 특히, 개인의 아이디어를 3D 프린터로 직접 출력할 수 있다는 점이 강조되면서 개인용 3D 콘텐츠 제작을 위해 필요한 저작/편집도구의 수요가 급격히 증가하고 있다. 더불어 3D 프린팅 출력 대상이 개인화되고 사용자의 기호에 따른 맞춤형으로 변하면서, 3D 콘텐츠 제작에 필수적인 소프트웨어 개발 업체의 영향력이 하드웨어 제조사보다 더욱 커지고 있다. 3D 프린팅 관련 세계적 기술 및 수요 변화에 발맞춰 본고에서는 3D 프린팅용 콘텐츠를 제작할 수 있는 3D 저작/편집도구 및 연구동향을 살펴보고, 다양한 응용을 목적으로 ETRI에서 개발 중인 3D 프린팅용 편집기술을 소개하고자 한다.
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Ⅰ. 머리말

최근 세계 각국에서 제조업 혁명을 위한 기술로 적층 가공(Additive Manufacturing: AM) 또는 3D 프린팅을 강조하면서 3D 프린팅에 대한 관심과 지원이 증가하고 있다. 2012년부터는 미국을 선두로 영국, 중국, 독일, 일본 등에서 정부 주도하에 3D 프린팅 지원 및 육성 정책을 정비하고 투자 지원을 확대하고 있다. 국내에서도 2013년부터 국가 주도 3D 프린팅 연구개발 사업이 시작돼 관련 기술을 연구개발 중이다.

적층가공 방식은 1980년대부터 사용됐으나 재료공학의 발달과 오픈 소스 기반 저가형 하드웨어가 급속히 퍼지면서 3D 프린팅이라는 키워드로 새롭게 대중적 관심을 받고 있다. 응용분야는 전자, 항공, 자동차, 건축, 의료, 제약, 교육, 패션, 디자인, 완구 등 실생활과 관련된 대부분의 영역을 모두 포함할 정도로 다양하다.

기존에는 제품 모형이나 시제품 또는 견본을 테스트하는 용도로 주로 사용됐으나, 최근 개인이 직접 프린트할 수 있는 Fused Deposition Modeling(FDM) 방식의 프린터가 늘어나고 Stereolithography(SLA)나 Selective Laser Sintering(SLS) 방식의 고가 프린터 가격이 하락하면서 응용분야가 확대되는 추세며, 개인화된 3D 프린팅용 콘텐츠 제작에 대한 관심이 높다. 하지만 3D 프린터의 잦은 고장과 수리의 번거로움, 3D 프린팅 가능한 3D 데이터 제작의 어려움, 오랜 프린팅 시간, 잦은 실패율 및 출력물 크기 제약 등 아직 극복해야 할 요소가 많다. 이 중에서도 누구나 쉽게 아이디어를 현실화 또는 제품화한다는 취지에 맞게 3D 프린터를 활용하려면 3D 프린팅용 콘텐츠를 제작할 수 있는 간편한 3D 저작 및 편집도구가 필수적이다.

전통적인 3D 모델링 또는 Computer Aided Design(CAD) 도구는 범용적이고 전문적인 기능을 제공하지만, 학습에 오랜 시간이 걸리고 습득이 어려워 일반 사용자가 접근하기 힘든 문제점이 있다. 이에 비해 최근 출시되는 다양한 앱과 캐주얼 소프트웨어들은 대부분 무료로 제공되며 쉬운 사용을 목적으로 하지만, 유지 보수 문제와 3D 프린팅 가능한 데이터를 생성할 수 있는가 하는 측면에서 보면 부족한 부분이 많다.

본고에서는 3D 프린팅용 데이터를 생성하기 위해 사용할 수 있는 기존의 3D 저작/편집도구 현황 및 관련 연구동향을 살펴보고, ETRI에서 연구 중인 3D 프린팅을 위한 3D 편집기술을 소개한다.

II. 3D 저작/편집도구 분석 및 연구동향

1. 3D 저작/편집도구 분석

기존의 3D 모델 저작/편집도구는 크게 컴퓨터 그래픽스 응용을 위한 모델제작, 그리고 공학 설계와 제품 제작용 CAD 모델제작을 위해 주로 사용됐다. 사용 대상을 기준으로 분류하면 전문가용/비전문가용으로, 3D 모델을 생성하는 방식에 따라 분류하면 3D 모델링 도구와 CAD 도구로 나눌 수도 있다. 생성하려는 모델이 정해진 규격과 정확한 치수를 갖는 공학적 설계에 기반한 모델이면 CAD 도구가 유용하며, 유기체나 사람, 동물과 같이 수치적으로 표현이 어렵고 규격화하기 어려운 모델제작 시에는 3D 모델링 도구를 사용하는 편이 더 적합하다. 그밖에 가격을 기준으로 상용 제품과 시험용 무료 제품, 오픈소스 기반 무료 제품으로 나눌 수 있다.

최근의 대표적 경향 중 하나는 모바일 편집환경의 확대를 고려해 기존 제품의 경량화 버전, 클라우드 버전, 모바일 앱 버전이 출시되고 있는 점이다. 다른 하나는 3D 프린팅 출력을 지원하기 위해 플러그인과 같은 형태로 부가 기능이 조금씩 추가되고 있는 점이다. 하지만 현재 저작 및 편집단계부터 3D 프린팅용 모델제작을 고려한 전용 도구는 거의 없는 실정이다.

가. 전문가용 3D 모델링 도구

(그림 1)

상용 3D 모델링 도구 UI[1]

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3D 모델링 도구는 주로 게임, 애니메이션, 영화 등 컴퓨터 그래픽스 응용을 목적으로 사용돼 왔으며, 렌더링, 애니메이션 기능이 통합된 도구가 많다. 대표적으로 Autodesk사의 Maya, 3ds Max, Softimage 등은 고품질 3D 그래픽스 데이터 제작을 위한 전문가용 범용 소프트웨어로, 가격도 천만원 이상의 고가로 제공됐다[(그림 1) 참조]. 하지만 최근 기간제 라이선스 정책을 지원하는 제품군(LT, Suite) 출시로 가격 경쟁력을 강화하고 있다[1]. 3D 프린터 시장의 선두 기업 중 한 곳인 3D Sytems사의 Geomagic 제품군은 3D 스캔과 데이터 정제, 가공 및 3D 프린터 출력 기능을 제공하며 수백만원에서 수천만원으로 고가이다. 최근 저가형 가격 정책을 채택한 Cubify 제품군을 출시해 제품군을 다양화하는 추세다[2]. 그 외에도 Houdini[3], Lightwave 3D[4], Modo[5], ZBrush[6] 등 다수가 사용 중이다.

(그림 2)

무료 3D 모델링 도구 UI[7][9]

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무료 소프트웨어 제품 중 전문가를 대상으로 하는 Blender[7]는 3D 모델링 도구로 Maya나 3ds Max와 유사한 대부분 기능을 지원하는 오픈소스 소프트웨어다[(그림 2) 참조]. 그 외에 유기체 모델링용으로는 2011년 지원이 중단된 Scultpris[8], 주로 연구용으로 많이 사용되는 캐릭터 모델링용 도구인 MakeHuman[9]이 있다. 하지만 이런 도구는 무료 정책으로 인한 긴 업그레이드 주기, 시스템 안정성 문제 발생 시 즉각적인 해결 어려움 등 유지보수 측면에서 문제점이 있다.

나. 전문가용 3D CAD 도구

(그림 3)

상용 3D CAD 도구 UI[1][10]

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CAD 도구는 Product Lifecycle Management(PLM)이라 불리는 제품 수명주기 관리 솔루션의 일부로 주로 산업용 또는 공업용 제품의 개념 및 상세 설계를 위한 용도로 사용돼 왔다. 대표적 CAD 도구로는[(그림 3) 참조] Autodesk사의 AutoCAD[1], Dassault Systèmes사의 SolidWorks[10]와 CATIA[11], Siemens사의 Solid Edge [12], 그리고 Rhinoceros 3D[13]를 들 수 있다. 가격은 대략 백만 원에서 수백만원대로 제공되고 있으며, Autodesk사는 앞서 언급한 바와 같이 저가 경량화 버전인 AutoCAD LT나 클라우드 기반 AutoCAD 360과 같은 제품군을 출시했다. Trimble사의 SketchUp Pro[14]는 백만원 이하 저가형이나 기본적인 CAD 기능을 대부분 지원한다. 국내에서는 ㈜인텔리코리아에서 Auto CAD와의 호환성을 강조하는 CADian 제품군을 백만원 이하로 판매하고 있다[15]. 무료 제품으로 FreeCAD [16], 오픈 소스이면서 전문적인 기능을 지원하는 CAD 플랫폼으로 OpenCASCADE [17]가 있다.

다. 비전문가용 3D 모델링 도구

(그림 4)

Autodesk 123D Design, 123D Sculpt+ UI[18]

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(그림 5)

Spacedraw, SubDivFormer UI[19][20]

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비전문가를 대상으로 특화된 기능을 제공하는 모델링 도구로 Autodesk 123D 제품군(Design, Sculpt+) [18]과 [(그림 4) 참조] MeshMixer[18]를 들 수 있다. 상용 제품 대비 제한적 메쉬 표현, 메쉬 호환성, 모델 변형 및 재활용 미흡으로 범용성에 한계가 존재한다.

한편, (그림 5)와 같이 모바일 기기를 지원하는 캐주얼 제품군도 다양하다. 안드로이드용 무료 3D 모델링 도구인 Scalisoft사의 Spacedraw[19]는 3D 모델 생성, 다각형 및 패치 모델링, 텍스처 등 전문 3D 모델링 소프트웨어 기능을 지원한다. 데이터 크기 무제한, UNDO 기능이 추가된 버전은 유료 판매 중이다. ASCON사의 SubDivFormer[20] 역시 모바일 전용 무료 3D 모델링 앱으로 기본 도형편집, 병합, 분할 기능을 포함한다. iOS용 도구는 MeshLab[21], 3DVIA Mobile[22], Cortona3D Viewer[23] 등이 존재하나 대부분 저작/편집 기능 없이 3D 모델 뷰어 기능만 제공된다.

라. 비전문가용 3D CAD 도구

비전문가용 3D CAD 도구는 주로 데스크톱 버전의 일부 기능(주로 3D 뷰잉, 단순 조작, 마킹 등)을 사용자 접근성 향상과 협업을 위한 목적으로 제공하는 형태가 다수이다. Autodesk사에서는 자사의 3D 모델링 및 CAD 소프트웨어 중 응용에 특화된 기능을 모아 데스크톱과 모바일기기에서 모두 사용이 가능한 캐주얼 소프트웨어군[1](AutoCAD 360, Fusion 360, Tinkercad)을 배포 중이다. 이 외에도 SketchUp Make[14], Sweet Home 3D[24], progeCAD smart[25] 등의 제품이 존재하며, 안드로이드 기기용 om3DCAD[26]는 3D CAD 모델제작 및 포맷변환 기능을 제공한다.

(그림 6)

국산 3D CAD 도구 UI[15][27]

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국내에서는 (그림 6)에 나타낸 바와 같이 ㈜인텔리코리아에서 CADian 가정용 버전을, ㈜로이비즈에서 한글 3D CAD인 한캐드를 무료로 배포 중이다[27]. 한캐드는 직관적이고 쉬운 인터페이스와 기본 도형의 불리언 연산 지원, 템플릿 모델 지원 등으로 초등학생 및 일반인이 3D 모델링의 개념을 이해하기 쉽도록 제작돼 교육적 측면에서 강점이 있다. 대신 복잡한 모델 처리나 프린팅 가능성 보장, 안정성 측면에서는 개선이 필요하다.

(그림 7)

CAD 소프트웨어 발전 예상[28]

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모바일용 3D 저작/편집도구는 클라우드 서비스를 기반으로 데이터 공유가 용이하며, 이동성을 갖춰 현장성이 뛰어나므로 향후 시장에서도 클라우드 기반 모바일 저작/편집도구의 수요가 증가할 것으로 예상된다. 특히, (그림 7)에서 보는 바와 같이 3D 프린팅용 콘텐츠 제작, 협업, 데이터 확인 등에 사용될 것으로 전망된다.

단점은 첫째로 제한적 사용자 인터페이스를 들 수 있다. 마우스와 키보드를 사용하여 정교한 입력이 가능한 데스크톱용 도구와 달리 상대적으로 두꺼운 손가락을 사용한 터치 기반의 인터페이스는 전문적인 디자인 기능을 지원하기 어렵고, 라이브러리에서 불러온 모델을 단순히 편집하거나 특정 관심 영역을 표시하는 수준이다. 둘째로, 모델 편집을 위한 필압감지 기능 지원 부족, 적은 메모리와 배터리 등 모바일 3D 저작/편집도구는 하드웨어 성능에 의존적인 문제점이 있다. 최근 애플사가 태블릿용 스타일러스 펜을 출시했고, 모바일기기 제조사들의 터치 인터페이스 향상 노력이 점차 증가하는 추세를 고려하면 시간이 지남에 따라 이러한 문제점도 단계적으로 해소될 것으로 예측된다.

마. 3D 저작/편집도구 발전 방향

향후 전문가를 대상으로 하는 경우, 데스크톱에서 작업한 결과물을 모바일 기기에서 확인하고 이를 협업에 활용하기 위한 디스플레이, 편집 및 변형, 마킹, 공유 기능을 수행하는 앱에 대한 수요 증가가 예상된다. 즉, 사용자 편의성을 향상시키고 복잡한 연산은 클라우드를 통해 수행함으로써 전문가들이 환경에 상관없이 더욱 빠르게 3D 모델을 제작할 수 있도록 지원하는 형태다.

일반 사용자를 대상으로 하는 경우, 3D 프린팅 시장 대중화와 산업 활성화로 비전문가용 3D 모델링 및 CAD 앱의 수요가 더욱 늘어날 것으로 예측된다. 디자인 지식 부족과 복잡한 3D 디자인 절차에 대한 진입장벽을 낮출 수 있는 라이브러리 기반 모델 검색, 변형, 합성, 편집 지원 형태로 발전할 가능성이 크다. 특히, 3D 프린팅용 모델 저작 및 편집을 위한 복잡한 기능은 최대한 자동화 및 내재화돼 사용자 노출을 최소화하는 방향, 사용자가 직관적 인터페이스를 통해 최소한의 조작만으로 아이디어를 현실화할 수 있도록 도와주는 방향으로 3D 저작 및 편집도구가 진화할 것으로 전망된다.

2. 3D 저작/편집 관련 연구동향 분석

가. 스케치 및 터치기반 사용 편의성 향상 연구

3D 저작 및 편집 관련 연구분야에서는 쉬운 사용자 인터페이스 및 가벼운 모델링 기능 지원을 목적으로 하는 3D 모델링 및 CAD 기법 관련 연구가 늘어나는 추세다. 현존하는 모바일용 3D 모델링 및 CAD 소프트웨어는 대부분 2D 모델링 기능 및 데스크톱용 소프트웨어서 제작된 모델의 뷰잉 및 간단한 조작, 마킹 위주의 제한적 기능만 제공한다. 이런 한계를 극복하고 손쉬운 인터페이스로 다양하고 용도에 맞는 3D 모델 생성 및 편집/저작 작업을 수행하기 위한 연구가 증가하고 있다.

대표적으로 처음부터 3D 모델링 도구를 사용해 3D 모델을 생성하는 방식이 아니라 모바일 기기에서 작업한 사용자의 2D 스케치로부터 3D 모델을 생성하는 연구가 있다. Xu[29](그림 8)과 같이 2D 스케치의 곡률, 대칭성, 평행성 등의 특성을 단계적, 선택적으로 3D로 확장하고 사용자의 3D 모델 인식정보와 결합해 최종 3D 모델을 복원하는 방식을 제안했다. Paoli[30]는 3D 체적 모델의 외형에 부착되는 장식물, 의복 등 레이어 구조를 갖는 3D 모델을 2D 스케치 기법을 사용해 모델링하는 방법을 제안했다.

(그림 8)

2D 스케치 곡선의 3D 곡면확장 및 3D 모델복원[29]

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Lipp[31](그림 9)에 나타낸 바와 같이 3D 모델링 작업 중 모델의 점, 선, 면을 선택/변형하는 편집작업의 한계(면 삽입, 변형 시점 조절, 변형 정도 선택 등)를 극복해 모델링 작업의 복잡도를 줄이고 사용자의 편의성을 높이는 접근법을 제안했다. 최근에는 제한된 터치 인터페이스에 매크로 기능을 접목시켜 모바일 기기에서 간편하게 CAD 모델을 생성하는 연구도 발표됐다[32].

(그림 9)

3D 다각형 모델링 단순화 및 사용자 편의성 증대[31]

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나. 데이터 분석 기반 객체 단위 저작/편집 연구

데이터 분석을 기반으로 객체 단위의 조합, 변형, 편집을 통해 3D 데이터를 생성하는 새로운 저작기법에 대한 연구가 3D 프린팅 서비스에 가장 부합하는 저작방법론의 하나로 대두되고 있다.

구체적인 사례로 객체가 가진 고유 특성을 반영하여 제약 영역을 지정, 이를 고려하여 객체 전체(혹은 객체 구성 요소)를 변형하는 연구[33], 객체의 구조를 와이어 방식으로 근사해 구조적 특성을 유지하면서 객체를 변형하는 접근[34], 유사 객체 변형학습을 통해 기하학적, 공간적 제약 조건을 유지하며 3D 객체를 변형하는 방법[35], 객체 자체의 기능이나 제약조건보다는 사용자에게 의미 있는 속성에 따라 3D 객체를 변형하는 연구[36] 등이 있다[(그림 10) 참조].

(그림 10)

객체 속성 및 사용자 속성 기반 3D 객체 편집 및 변형

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(a) 크기 변형 시 구조보전제약 변형[33]

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(b) 사용자 의미 속성에 따른 3D 객체 변형[36]

또한, 객체를 구성하는 각 요소를 결합하여 새로운 객체를 생성하는 방법[37] 및 입력된 3D 객체 형태를 구성요소 단위로 분석해 자동으로 유사 모델을 생성함으로써 불완전한 3D 데이터에서 완전한 3D 객체모델을 저작할 수 있는 연구가 꾸준히 진행되고 있다[38]-[40]. 이런 객체 구성요소 기반 객체 생성 연구를 검색 기능과 결합하면 3D 스캐너 등을 통해 입력된 불완전한 3D 외형 데이터를 객체 라이브러리에 저장된 객체 구성 요소를 정합해 가장 유사한 구성 요소로 대체함으로써 완전한 3D 모델을 생성하는 데 활용할 수 있다[41][(그림 11) 참조].

(그림 11)

객체 구성요소 조합 및 유사 모델 생성을 통한 3D 객체 생성

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(a) 다른 범주간 객체 구성요소별 분할/조합[38]

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(b) 불완전 3D 외형 데이터의 완전한 모델 대체[40]

다. 예제 기반 3D 모델 편집 연구

객체를 기반으로 3D 모델을 편집한다는 점에서는 앞서 방식과 유사하나 이러한 객체를 모아 3D 모델 라이브러리를 구축하거나 예제 데이터를 생성하고 예제에 기반을 둬 모델을 편집하는 연구도 활발히 진행 중이다.

(그림 12)

3D 예제모델 집합 기반 3D 객체모델 생성 및 편집

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(a) 3D 유사 모델 기반 3D 모델 보정 및 변형[43]

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(b) 매개변수 기반 사용자 변형 가능 모델 변환[45]

사진과 3D 후보 객체모델에 기반을 둔 3D 객체모델링 기법[42][(그림 12) 참조], 3D 모델 저장소에서 유사모델 선택 후 정합을 통해 3D 모델을 보정, 변형하는 방법[43], 전문가가 제작한 3D 모델을 3D 프린팅 가능한 템플릿 모델로 변환 후, 이를 기반으로 3D 객체를 편집하는 접근[44], 매개변수 기반 모델을 기능성과 3D 프린팅 가능성을 보장하면서 쉽게 외형변형이 가능한 모델로 변환하는 연구가 있다[45][(그림 12) 참조 참조]. 이런 연구는 사용자가 3D 프린팅용 3D 모델 생성에 익숙하지 않아도 검증된 예제를 통해 쉽게 변형을 가해 원하는 모델을 생성할 수 있는 장점이 있다. 그러나 접합부나 기능성을 갖는 부분에 대한 변형 정도 제한, 규격화하기 어려운 사람, 동물 등 유기체 모델이나 매개변수로 특성을 정의하기 어려운 모델에는 적용이 힘든 단점이 있다.

라. 3D 모델 비교/검색을 위한 구조분석 연구

한편, 처음부터 원하는 3D 프린팅용 대상 모델을 모델링 하거나 예제를 통해 변형하는 방식 외에 최근에는 대량의 3D 모델집합 내에서 원하는 모델을 비교, 검색하기 위한 모델 구조 분석 기반의 다양한 알고리즘 및 프레임워크 연구도 진행 중이다.

서로 다른 형태로 구성된 3D 모델집합의 공통요소를 기저함수화 함으로써 이종 3D 모델집합 내의 검색, 파트 결합 모델 분할 등을 수행하는 연구[46][(그림 13) 참조 참조], 동종 3D 모델집합의 공통 파트를 분석해 파트간 상대 위치정보로 입력모델을 표현하는 연구[47], 3D 실내 장면을 그래프 구조로 표현해 이종, 복합 모델집합의 비교, 분류를 수행하는 연구[48], 그리고 (그림 13)과 같이 3D 객체 간의 기능적 유사도를 정량적으로 표시하는 연구[49] 등이 발표됐다.

(그림 13)

공통 및 핵심요소 분석을 통한 3D 모델집합 내 모델 검색, 분석, 분류

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(a) 3D 모델집합의 공통요소 분석을 통한 이종 모델 검색[46]

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(b) 3D 개별 객체의 기능적 특성 정량화 및 유사도 분석[49]

그밖에 최근에는 저작/편집기능과 밀접하게 연관된 시뮬레이션 연구(프린팅을 위한 3D 모델의 안정성, 내구성, 출력물 크기 제약을 극복하기 위한 분할 및 조립, 모델에 운동성 부여 등)도 진행 중이다[50].

지금까지 3D 저작 및 편집도구 및 관련 연구동향을 살펴봤다. 기존 3D 모델링 및 CAD 도구 업체들은 자사 제품군에 3D 프린팅 지원 기능을 추가하고, 사용자의 진입장벽을 낮추기 위한 시도로 저가형, 모바일기기용 제품을 출시하고 있다. 또한, 사용자 편의성 향상, 객체 기반 편집, 예제 기반 접근, 모델 비교 및 검색 측면에서 관련 연구가 활발히 진행 중이다.

III. ETRI 3D 편집기술

앞서 설명한 바와 같이 기존 3D 모델링 도구와 CAD 도구에 3D 프린팅 관련 기능이 점진적으로 추가되는 추세며, 사용자 편의성을 향상시키려는 연구가 진행되고 있으나 아직 초기단계다. 특히, 3D 모델링에 대한 지식이 없는 일반 사용자가 접근하기엔 기존 범용 도구들은 학습장벽이 높고, 가볍고 용도에 특화된 도구들은 3D 프린팅 가능성 보장 측면에서 부족한 점이 많다.

데이터의 무결성에 대한 기준은 3D 프린터 종류에 따라 다르나, 개인용 3D 프린터에서 프린팅 성공률이 낮은 이유 중 하나는 프린팅 가능한 모델 생성에 대한 완성도가 낮기 때문이다. 저가형 FDM 프린터의 경우 3D 데이터의 무결성과 관계없이 자동으로 내부를 채우거나 자체적 해석을 통해 두께를 생성하기도 한다. 하지만 정밀도가 높고 재료가 고가인 3D 프린터에서는 별도의 편집 소프트웨어를 통해 모델의 오류를 수정하고 무결성을 보장해야 출력할 수 있다. 따라서 어떻게 복잡한 모델을 손쉽게 만들고 변형하면서도 3D 프린팅 가능성을 보장하는지가 주요 문제 중 하나다. 특히, 최근 주목받고 있는 3D 캐릭터나 개인용 피규어와 같이 규격화하기 어려운 유기체 모델인 경우 앞서 언급한 조건을 만족하는 저작/편집도구나 관련 연구가 미흡한 실정이다.

ETRI에서 연구 중인 3D 프린팅용 편집기술은 3D 저작 및 편집에 대한 지식이 없는 일반 사용자를 대상으로 하며, CAD 모델과 달리 규격화, 수치화하기 어려운 비정형 유기체 모델의 손쉬운 변형 및 편집을 목적으로 한다. 이를 위해 (그림 14)와 같이 3D 프린팅 가능한 예제모델집합을 생성하고 이를 기반으로 대상 모델의 구조나 기능과 상관 없이 사용자에게 의미 있는 속성을 단순한 조작으로 변형하는 기술을 개발 중이다[51].

(그림 14)

3D 프린팅용 비정형 유기체 모델 편집기술 개념 및 적용 예[50]

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초기 예제모델은 전문가가 시스템의 모델 생성 가이드라인에 따라 모델의 기능성, 구조, 3D 프린팅 가능성을 고려해 제작한다. 제작한 초기 모델을 다차원 비선형 보간 방식으로 확장[52]하고 오류를 검증해 최소 예제모델집합을 자동 생성한다. 생성된 예제모델집합 내부를 사용자가 변형할 수 있는 속성에 따라 선형 프로그래밍[53] 방식을 통해 실시간 자동 보간하면, 인터페이스 조작에 따라 변형되는 결과물을 얻을 수 있다. 사용자는 모델을 로딩하고 원하는 속성을 선택해 슬라이드 바 등의 간편한 조작을 통해 대상을 변형할 수 있다.

이 방식의 장점은 모델의 복잡도에 상관없이 단순한 인터페이스를 통해 기존 방식으로 처리가 어려운 유기체 모델을 자신이 원하는 대로 변형할 수 있다는 점, 그리고 변형 후에도 3D 프린팅에 문제없는 모델을 저장 및 출력할 수 있다는 점이다. 단점은 아직 모델 데이터베이스가 작고, 3D 프린팅용 모델제작에 경험이 많은 전문 디자인 인력이 부족해 초기 모델제작이 쉽지 않다는 점, 그리고 사용자가 원하는 모델변형의 자유도와 속성을 무한히 수용하기는 어렵다는 점을 들 수 있다.

따라서 이를 해결하기 위해 초기 모델제작 시 모델 제약 사항을 완화함으로써 제작 프로세스를 쉽게 하기 위한 방향, 편집 가능한 속성과 방식(조합, 조립, 운동성 등)을 확장하는 방향으로 추가 연구를 진행 중이다.

IV. 맺음말

최근에는 오픈소스 3D 프린팅 하드웨어의 확산 및 가격하락과 더불어 관련 소프트웨어 기술의 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 일반 사용자도 쉽게 사용할 수 있는 3D 저작/편집기술에 관한 연구개발이 활발히 진행 중이다. 본고에서는 이런 추세에 맞춰 3D 프린팅을 위한 핵심 요소인 3D 콘텐츠 생성을 위해 필요한 3D 저작/편집도구와 관련 연구동향을 분석하고, ETRI에서 연구 중인 3D 프린팅용 편집기술에 대해 살펴봤다. 향후에는 개인이 자신의 아이디어를 좀 더 손쉽게 현실화하거나, 원하는 모델을 전문가가 제작한 라이브러리에서 검색 및 선택하고, 이를 기호에 따라 변형해 자신만의 물체나 제품을 출력하는 일이 더욱 확대되고 쉬워질 것으로 전망된다.

용어해설

적층가공 재료를 분사해 한 겹씩 쌓아 올려 입체물을 제조하는 방식으로 구체적 동작 형태에 따라 FDM, SLA, SLS 등 다양한 분류 존재

3D 프린팅 3D 데이터를 입력받아 플라스틱, 금속 등 재료를 적층가공 방식으로 쌓아 물체를 조형하는 기술

3D 모델링 가상의 3차원 공간 속에 재현할 수 있는 수학적 모델을 만드는 과정

약어 정리

AM

Additive Manufacturing

CAD

Computer Aided Design

FDM

Fused Deposition Modeling

PLM

Product Lifecycle Management

SLA

Stereolithograpy

SLS

Selective Laser Sintering

UI

User Interface

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(그림 1)

상용 3D 모델링 도구 UI[1]

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(그림 2)

무료 3D 모델링 도구 UI[7][9]

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(그림 3)

상용 3D CAD 도구 UI[1][10]

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(그림 4)

Autodesk 123D Design, 123D Sculpt+ UI[18]

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(그림 5)

Spacedraw, SubDivFormer UI[19][20]

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(그림 6)

국산 3D CAD 도구 UI[15][27]

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(그림 7)

CAD 소프트웨어 발전 예상[28]

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(그림 8)

2D 스케치 곡선의 3D 곡면확장 및 3D 모델복원[29]

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(그림 9)

3D 다각형 모델링 단순화 및 사용자 편의성 증대[31]

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(그림 10)

객체 속성 및 사용자 속성 기반 3D 객체 편집 및 변형

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(a) 크기 변형 시 구조보전제약 변형[33]

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(b) 사용자 의미 속성에 따른 3D 객체 변형[36]

(그림 11)

객체 구성요소 조합 및 유사 모델 생성을 통한 3D 객체 생성

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(a) 다른 범주간 객체 구성요소별 분할/조합[38]

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(b) 불완전 3D 외형 데이터의 완전한 모델 대체[40]

(그림 12)

3D 예제모델 집합 기반 3D 객체모델 생성 및 편집

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(a) 3D 유사 모델 기반 3D 모델 보정 및 변형[43]

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(b) 매개변수 기반 사용자 변형 가능 모델 변환[45]

(그림 13)

공통 및 핵심요소 분석을 통한 3D 모델집합 내 모델 검색, 분석, 분류

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(a) 3D 모델집합의 공통요소 분석을 통한 이종 모델 검색[46]

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(b) 3D 개별 객체의 기능적 특성 정량화 및 유사도 분석[49]

(그림 14)

3D 프린팅용 비정형 유기체 모델 편집기술 개념 및 적용 예[50]

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