3D 프린터의 기본 지식인 디자인 모델링에 대한 좌표계와 뷰포트 개념, 3D 모델링 기능과 방식(폴리곤, 넙스, 솔리드), 2D를 이용하여 3차 원화 하는 모델링 등에 대해 알아봅니다. 이 정보는 3D 프린터 운용 기능사 필기시험에도 대비용으로 활용하실 수 있도록 최하단에 붙임 파일을 첨부하였습니다.
▣ 디자인모델링(넙스 모델링)
좌표계와 뷰포트(Viewport)
좌표계
3차원 객체를 모델링하기 위해서 3차원 좌표계를 사용한다. 3차원 공간의 좌표계는 축의 방향을 설정하는 방법에 따라 오른손 좌표계, 왼손 좌표계로 나뉜다.
오른손 좌표계는 가로를 x축, 세로를 y축, 바라보는 시점을 기준으로 앞쪽 즉 시점 쪽이 z 축 양의 방향이 되는 것이다.
왼손 좌표계는 x축과 y축은 동일하나 z 축이 시점에서 먼 쪽, 즉 시점 반대쪽이 z 축 양의 방향이 되는 것이다. 3D 디자인 소프트웨어마다 좌표계 방향이 조금씩 다르므로 사용하고자 하는 소프트웨어의 좌표계를 숙지하고 작업해야 한다.
Viewport
3D 객체를 모델링하기 위한 3D 작업 공간을 viewport라고 하며, 대개 4가지 화면으로 작업을 진행한다. 기본 설정은 Top, Front, Left, Perspective로 설정되어 있다.
Top view는 객체를 위에서 바라본 장면을 나타내고, Front view는 정면에서 바라본 장면, Left view는 왼쪽에서 바라본 장면이다.
Perspective view는 원근감이 있는 입체적인 장면을 나타낸다. 3차원 객체는 2차원 평면에 투영되어 나타나는데, 투영 방식에 따라 평행 투영과 원근 투영으로 나뉜다. 평행 투영 방식은 거리에 관계없이 객체를 구성하는 각 요소들 간의 상대적 4인 크기가 보존되어 나타난다.
Top view와 Front view, Left view는 원근감 없이 상대적인 크기가 보존되어 나타나므로 평행 투영방식으로 2차원 화면에 보이는 것이다.
Perspective view는 거리에 따라 크기가 다른 원근감이 나타나므로, 원근 투영 방식으로 화면에 표시되는 것이다.
모델링을 위한 3D 소프트웨어 주요 기능
기본 메뉴, 3D 모델링 기능, Modify, 재질 입히기 및 렌더링 기능이 있다.
3D 모델링 기능
3D 객체를 생성하기 위한 모델링 방법으로 3D 기본 도형을 이용하는 방법과 2D라인을 3D 객체로 만드는 방법, 폴리곤 모델링 기법, CSG(Constructive Solid Geometry) 방식으로 3D 객체를 모델링하는 다양한 방법이 있다.
Modify 기능
생성된 3D 객체를 수정할 수 있다. 점, 선, 면에 대한 삽입, 삭제, 수정 기능을 제공하고 객체 구부리기, 비틀기, 늘리기, 돌출시키기, 부드럽게 하기 등의 기능을 제공하여 생성된 객체의 품질을 향상한다
재질 입히기 및 렌더링 기능
재질은 3D 객체에 색상이나 문양, 질감을 표현하는 기능이다. 유리나 플라스틱, 금속, 천, 나무, 돌 등의 재질을 제작할 수 있게 지원한다. 이미지 매핑도 가능하며 빛의 세기 조절과 반사 굴절 효과도 지원한다. 마지막으로, 랜더링을 통해 모델링 된 결과물을 출력할 수 있다. 랜더링은 3D로 제작된 결과물을 출력하는 계산 과정이다.
3D 모델링 방식
3D 모델링 방식의 종류는 크게 폴리곤 방식과 넙스 방식, 솔리드 방식이 있다.
1. 폴리곤 방식
폴리곤 방식은 삼각형을 기본 단위로 하여 모델링을 할 수 있는 방식이다. 삼각형의 꼭짓점을 연결해 3D 객체를 생성한다. 기본 삼각형은 평면이며 삼각형의 개수가 많을수록 형상이 부드럽게 표현된다. 크기가 작은 다각형을 많이 사용하여 객체를 구성하면 부드러운 표면을 표현할 수 있으나 랜더링 속도는 떨어진다. 다각형의 수가 적으면 빠른 속도로 랜더링 할 수 있으나 객체 표면이 거칠게 표현된다.
2. 넙스 방식
넙스 방식은 수학 함수를 이용하여 곡면의 형태를 만든다. 폴리곤 방식에 비해 많은 계산이 필요하지만 부드러운 곡선을 이용한 모델링에 많이 사용된다. 폴리곤 방식보다 정확한 모델링이 가능하다. 자동차나 비행기의 표면과 같은 부드러운 곡면을 설계할 때 효과적이다.
3. 솔리드 방식
면이 모여 입체가 만들어지는 상태로 속이 꽉 찬 물체를 이용해 모델링하는 방식이다. 솔리드 방식으로 모델링할 경우 재질의 비중을 계산해 무게 등을 측정할 수 있다.
3D 디자인 소프트웨어에서 지원하는 모델링 종류
3D 기본 도형 모델링
3D 기본 도형이란 박스, 콘, 구, 실린더, 튜브 등 가장 기본이 되는 간단한 도형을 의미한다. 3D 도형은 길이와 너비와 높이 정보를 가진다. 3D 소프트웨어에서 제공하는 3D 도형에는 Box(육면체), Cone(위아래 반지름이 다른 원기둥), Sphere(구), Cylinder(원기둥), Tube, Pyramid, Torus(도너스, 링) 등이 있다.
폴리곤 모델링
폴리곤 모델링은 삼각형을 기본 면으로 3D 객체를 모델링하는 방법이다. 삼차원 객체를 구성하는 점과 선, 면을 편집하여 객체를 만든다. 폴리곤의 서브 오브젝트인 점(Vertex), 선(Edge), 면(Polygon)에 대한 편집 명령으로는 삭제, 분할, 연결, 높이 변경, 모서리 깎기 등이 있다.
2D 라인을 이용한 3D 모델링
2D 라인으로 단면을 그리고 단면에 두께를 준다거나 2D 라인을 회전시킨다거나 하는 방식으로 3D 객체를 생성하는 방법이다. 2차원 객체로는 라인, 사각형, 원, 타원, 호, 텍스트 등이 있다.
돌출 모델링
돌출 모델링은 2D 단면에 높이 값을 주어 면을 돌출시키는 방식이다. 선택한 면에 높이 값을 주어 돌출시킨다
스윕 모델링
스윕(Sweep) 모델링은 경로를 따라 2D 단면을 돌출시키는 방식이다. 스윕 모델링을 하기 위해서 경로와 2D 단면이 있어야 한다.
회전 모델링
축을 기준으로 2D 라인을 회전하여 3D 객체로 만드는 방식이다. 단면이 대칭을 이루면서 360도 회전되는 물체를 만들 때 사용한다. 주로 와인 잔, 병 등을 만들 때 사용한다.
로프트 모델링
2개 이상의 라인을 사용하여 3D 객체를 만드는 방식이다. 사용되는 라인 중 하나는 경로(path)로 사용되며, 다른 하나는 표면(shape)을 만들게 된다. 2개 이상의 라인을 적용하여 다양한 형태를 만들 수 있고, 복잡한 형태의 객체도 만들 수 있다.
CSG(Constructive Solid Geometry) 방식
기본 객체들에 집합 연산을 적용하여 새로운 객체를 만드는 방법이다. 집합 연산은 합집합, 교집합, 차집합 연산이 있다. 합집합은 두 객체를 합쳐서 하나의 객체로 만드는 것이고, 교집합은 두 객체의 겹치는 부분만 남기는 방식이다. 차집합은 한 객체에서 다른 한 객체의 부분을 빼는 것이다. 합집합과 교집합은 피연산자의 순서가 변경되어도 동일한 결과를 나타내지만, 차집합의 경우는 피연산자의 순서가 변경되면 다른 객체가 만들어진다.