본 논문에서는 플랫폼에 구애받지 않으며, 특정한 3차원 그래픽스 소프트웨어 없이 웹 상에서 솔리드 모델을 설계할 수 있는 꾑 기반 3차원 솔리드 모델러를 설계하였다. Java 3D를 이용하여 개발하기 위한 시스템 라이브러리의 설계 결과와 구현방법을 제시하였다. 클라이언트는 솔리드 모델러 서버에 접속하여 설계를 한 후 원하는 파일 형태로 저장할 수 있으며, 다른 CAD 시스템에서 기존에 설계된 데이터를 볼 수 있도록 하며, 렌더링 및 애니메이션과 같은 3차원 그래픽스 기능이 가능함으로써 정확한 설계를 지원하도록 한다.
지금까지 3차원 솔리드 모델링은 최소한 유닉스 운영체계를 사용하는 워크스테이션에서나 가능한 것으로 여겨져 왔으나 최근 pc에서 사용할 수 있는 다양한 기능의 솔리드 모델러가 개발되어 올 년말쯤 발표될 예정으로 있어 많은 관심을 모으고 있다. 다음 내용은 95년 CAD Report지에 연재된 그와 같은 소프트웨어에 대한 소식을 발췌한 것이다.
본 논문은 인터넷 웹 상에서 협동작업으로 이루어지는 CAD시스템의 3차원 솔리드 모델러를 보여준다. 협동CAD시스템의 클라이언트는 자바 애플릿을 통해 웹 상에서 접근하고 솔리드 모델러 서버는 접속을 통제하는 접속관리자, 작업 그룹의 동기화를 유지하며 공유작업공간을 확보하는 작업관리자, 그리고 3차원 도형 객체를 생성하고 변형시키는 솔리드 모델러로 이루어져 있다. 솔리드 모델러의 시스템 라이브러리는 워크스페이스 클래스, 뷰 클래스, 평행투영 뷰 클래스, 원근투영 뷰 클래스, 솔리드 클래스 등으로 되어 있다. 기본도형을 생성하여 이동, 회전, 확대·축소하고, 다른 툴을 이용하여 제작한 오브젝트를 불러올 수 있다. 트리 형태의 장면그래프를 사용하므로 전체 구조를 쉽게 알 수 있고, 부분적 결합이 가능하며 오브젝트의 선택이나 조작에 있어서 하위계층을 쉽게 제어할 수 있다. Java 3D를 이용하여 개발함으로 써 많은 그래픽 라이브러리들의 특징을 편리하게 이용할 수 있으며, 다른 라이브러리에서 사용하지 않는 뷰, 렌더렁, 애니메이션 등과 같은 새로운 기술들을 포함시킬 수 있다.
B-rep 기반의 솔리드 복원 기법은 비교적 복잡한 물체의 경우에도 복원이 잘 되지만, 후보면의 수가 증가함에 따라 탐색 공간 및 시간이 기하급수적으로 늘어나는 단점이 있다. 빈번한 조합 탐색과 복잡한 기하 연산으로 인해 도면이 복잡해질수록 복원 효율성이 떨어지고, 모호성이 발생하는 문제가 있다. 그러나, 이차 곡면을 포함하는 복잡한 물체에 대해서도 복원이 가능하므로 복원 대상 범위가 넓다고 할 수 있다. CSG 기반의 솔리드 복원 기법은 세 투영면에서 돌출 시킨 각각의 솔리드를 서로 교차시켜서 3차원 물체를 복원하는 방법으로, 복잡한 조합 탐색이나 기하 연산 작업을 하지 않게 때문에 비교적 효율적인 복원이 가능하다.(중략)
3차원 물체를 표현하는 솔리드 모델링 기법으로 Constructive Solid Geometry(CSG)와 경계표현 (Boundary Representation: BRep)이 널리 쓰이고 있다. 현대의 솔리드 모델링 시스템들은 대개 이 두 기법을 모두 지원하고 있으며, CSG와 BRep간 상호 변환은 매우 중요한 문제이다. 하지만, BRep에서 CSG로의 변환은 아직 완전히 해결되지 않은 과제이다. 이 논문은 BRep을 CSG의 특수한 형태인 Destructive Solid Geometry(DSG)로 변환하는 3차원 기하 추론 알고리즘을 소개한다. BRep에서 DSG를 만들어내는 알고리즘은 CAD와 CAM을 통합시키는 특정 형상 인식 분야에 직접 응용될 수 있다.
최근 스마트 시티, 디지털 트윈 등에 실제 3차원 좌표를 취득할 수 있는 이점에 따라 포인트 클라우드를 이용한 모델 생성에 관한 연구가 늘어나고 있으며, 건물 형상 및 텍스처의 수정이 용이한 솔리드 모델에 대한 요구가 늘어나고 있다. 이에 따라 본 논문에서는 포인트 클라우드 데이터를 기반으로 군집형 솔리드 건물 모델을 생성하는 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 총 다섯단계로 구성된다. 첫 단계에서는 포인트 클라우드의 평면성 분석을 통해 지면을 제거하였다. 두 번째 단계에서는 지면이 제거된 포인트 클라우드에서 건물 영역을 추출하였다. 세 번째 단계에서는 건물의 세부 구조물 영역을 추출하였다. 네 번째 단계에서는 추출된 영역에 3차원 좌표정보가 부여된 3차원 건물 모델의 형상을 생성하였다. 마지막 단계에서는 건물 모델 형상에 텍스처를 부여하여 3차원 건물 솔리드 모델을 생성하였다. 제안하는 방법의 검증을 위하여 상용 소프트웨어를 이용해 무인항공기 영상으로부터 포인트 클라우드를 추출하여 실험하였다. 그 결과, 포인트 클라우드 내에 존재하는 일정 높이 이상의 모든 건물에 대하여 포인트 클라우드 대비 위치오차 1 m 내외의 3차원 건물 형상을 생성하고, 원본 영상 해상도 대비 2배 이내의 해상도를 갖는 텍스처링이 수행된 3차원 모델이 생성되는 것을 확인하였다.
오늘날 컴퓨터와 통신 기술의 발달로 시간과 공간의 제약 없이 공유된 가상 공간에서 작업을 하는 컴퓨터 지원 협동 시스템(CSCW)이 등장하고 있다. 그러나 대부분의 시스템은 그룹웨어를 사용하고, 공유객체는 윈도우 탐색기 형태를 지니고 있고, CAD를 비롯하여 그래픽 분야의 시스템은 하드웨어와 응용 소프트웨어에 크게 의존하기 때문에 협동시스템이 많지 않다. 본 논문은 인터넷 웹 상에서 협동작업으로 이루어지는 CAD시스템의 3차원 솔리드 모델러를 제안한다. 이 시스템은 Java와 Java 3D API를 이용하여 개발함으로 플랫폼에 구애받지 않고, 특정한 3차원 그래픽스 소프트웨어 없이 인터넷망과 웹브라우저를 이용하여 공유된 가상 공간에서 협동작업이 이루어지도록 한다. 협동설계 참여자들은 인터넷을 통해 솔리드 모델러 서버에 접근하여 원하는 3D 도형을 생성하고 조작한다.
Rapid Prototyping(RP)이란 3차원 솔리드 모델을 단면화한 뒤 하나씩 적층하는 가공방식을 총칭한다. 이때 단면화하는 방법에 따라서 uniform, adaptive slicing으로 나뉘며, 입력 모델에 따라서 direct slicing과 STL을 이용한 방식으로 나뉜다. 적층 방법에 따라서는 연속된 2D 윤곽을 기반으로 적층하는 vertical layer 방식과 인접한 두 개의 2D 윤곽들을 연결하며 만들어진 3D layer를 기반으로 가공하는 sloping layer방식으로 나뉠 수 있다. 현재 상용 RP 시스템들에서는 거의 모든 경우 vertical layer 방식이 채택되어 사용되고 있다. RP와 절삭 공정, 예를 들면 CNC 밀링의 장점을 효율적으로 결합하기 위해서는 임의의 복잡한 형상을 갖는 솔리드 모델을 정밀도에 제한이 없이 제조할 수 있어야 한다. 그러나 절삭 공정은 특별한 전문적 지식들을 필요로 한다 또한 상용 RP에서 사용하는 순차적인 적층 작업으로는 가공할 수 없는 형상들이 많다. 대표적인 것으로 지지대를 필요로 하는 형상들이 있다. 이러한 형상들을 지원하기 위해서는 복잡한 3D 형상을 절삭 가능한 형식으로 분할하는 것과 적층 가능한 순서대로 공정 계획하는 것이 필요하게 된다. 본 연구에서는 SDM에서 제시된 3D 분할 방법이 솔리드 모델을 기반으로 전개되어 STL file과 같은 삼각다면체 형식으로 근사화된 모델에 적용하기 어렵다는데 착안하여 STL file에서 읽어들인 삼각 다면체 모델을 가공 가능한 3D 형상으로 분할하는 알고리즘을 제시하고자 한다.
일반적인 본 논문은 인터넷상에서 원격접근으로 3 차원 솔리드 모델을 수정하고 제어할 수 있는 협업설계 시스템을 개발하는데 목적이 있다. 본 시스템은 주어진 구속조건에서 만질 수 있는 설계대상을 설계하기 위해 함께 작업하는데 있어 발생하는 관점의 충돌을 해결할 수 있게 해준다. 협업설계 시스템을 이해하기 위해, 협업설계가 분산환경에 있어서 어떻게 3 차원 솔리드 모델을 실시간으로 수정하도록 구현할 것인가에 중점을 두었다. 본 시스템은 설계 요소들간의 일관성을 유지시키는 방법을 제공한다. 본 시스템은 분산환경에서의 실제적인 적용 예를 통해 그 유효성을 확인한다. 전체 시스템은 협업관리서버, 파일서버, 솔리드 모델러 클라이언트, 원격제어모듈, 클라이언트모듈 등으로 구성된다.
본 시스템은 주어진 건축 부지위에 최대 건축 가능 공간을 산정한다. 한국 건축법규와 건축조례를 검토하여 가능공간을 산정하며 입력 데이타로는 부지 및 도로의 도형정보 및 부지의 위치정보등을 사용한다. 본 시스템은 일반적인 CAD S/W와 달리 Non-geometric 데이터를 많이 포함하여 데이터 구조 부분이 타 시스템과 많은 차이가 있으므로, 그에 따른 알고리즘을 자체 개발 적용하였다. 본 시스템은 건축 법규 추론 시스템의 결과에 따라 건축 가능 공간을 솔리드 모델로 생성한다. 이를 위해 평면만을 가지는 경계 표현법(B-Rep)솔리드 모델링 기능이 사용되었으며 생성되는 솔리드 모델은 Half-Edge데이터 구조로 저장되며 물성치 계산 기능, 은선제거기능, 음영처리기능들이 개발되었다. 적용시 각 단계를 시각화하고 출력하여 지금까지의 수작업을 배제하고 정확한 결과를 얻게 하여 설계시간을 최소화하고 건축주에게 만족한 결과를 얻게 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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