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카메라의 노출

필름 혹은 촬상소자에 빛이 들어가게 하는 것을 말합니다. 이러한 노출은 4가지 변수에 의해 결정되는데요. 이는 소형, 중형, 대형 카메라 모두 동일합니다. 촬영하고자 하는 공간의 빛이 밝으면 사진이 밝게 나올 것이고 공간의 빛이 적으면 어둡게 나옵니다. 또한 조리개가 열려 있으면 빛이 많이 들어올 것이고, 조여 있으면 빛이 적게 들어올 것입니다. 셔터 스피드로 셔터를 통해 들어오는 양을 조절하는 것이 가능합니다. 사진을 많이 촬영하면 찰칵 소리가 들리는데 셔터 스피드가 빛의 양을 조절하는 소리라고 할 수 있습니다. 감도는(ISO) 필름 혹은 촬상소자가 빛에 대해 민감한 정도를 수치로 나타냅니다. 감도의 수치가 높으면 빛에 대해 민감한 것을 의미하고, 수치가 낮으면 덜 민감하다는 것을 의미합니다. 디지털카메라도 필름과 크게 다르지 않은 특성곡선을 가지는데 디지털카메라의 특성곡선은 카메라 제조사 제이피지(JPEG) 파일에 따라 다른 특성을 나타냅니다. 로우 디지털로 캡처된 원본 파일로 비교적 가공되지 않은 파일을 말하고 제이피지 파일은 로우 파일을 이용해 디지털카메라 회사에서 변형 알고리즘에 의해 디지털 현상을 한 파일을 말합니다. 제이피지 파일은 컬러 압축하는 방식으로 파일의 용량을 줄여 파일의 크기가 작고, 컴퓨터에서 바로 볼 수 있는 범용적 파일입니다.

디지털카메라의 특성곡선

디지털카메라의 특성곡선은 노출 강도가 낮을 때 비교적 덜 반응하고, 노출값이 증가함에 따라 증가합니다. 그리고 노출 강도가 매우 강할 경우 다시 줄어드는 형태로 필름과 유사한 형태의 특성곡선을 가집니다. 노출값들은 디지털카메라에서 히스토그램의 형태로 표현되는데 여기서 히스토그램이란 가로축이 0에서 255까지의 데이터값을 가집니다. 0의 데이터는 정보 값이 없는 어두운 톤의 이미지를 말하고 255쪽으로 갈수록 밝아지는 데이터를 의미합니다. 세로축은 픽셀의 분포 정도를 얘기합니다. 히스토그램은 디지털 사진의 노출을 결정하는 중요한 요인이 됩니다. 밝은 부분이 많은 사진은 히스토그램이 우측으로 치우치고, 중간 톤이 많은 사진은 중간 톤 부분이 산처럼 만들어집니다. 어두운 톤이 많은 사진은 왼쪽으로 히스토그램이 만들어집니다.

카메라 노출 결정 요소는 무엇이 있을까?

노출 결정 요소로는 조리개, 셔터 스피드, 감도 등이 있습니다. 조리개는 렌즈로 들어오는 빛의 양을 조절해 노출에 영향을 주게 되는데 조리개를 개방하면 빛이 많이 들어오게 되고, 조리개를 조이면 들어오는 빛의 양을 조절할 뿐 아니라 피사계 심도에 영향을 줍니다. 조리개를 개방하면 피사체 심도가 좁아져 아웃 포커스의 사진을 만들게 되고, 조리개 구경이 좁아지면서 피사계 심도가 깊은 사진을 만들 수 있습니다. 또한 조리개는 해상도와 관련이 있습니다. 일반적으로 설치된 조리개의 중간 정도 조리개를 했을 경우 최상의 해상도를 만들어 냅니다. 디지털카메라의 화소와도 관련이 있습니다. 수차도 조리개를 중간 정도로 하는 것이 유리한데 해상도가 어느 지점에서 좋은 구간을 만드는가는 카메라에 따라 테스트가 필요합니다. 또한 조리개를 너무 과도하게 조이는 경우 회절현상이 일어나는데 회절현상이란 조리개 구경이 과도하게 적어서 빛이 휘어지면서 전체적인 화상의 선명도가 흐려지는 현상을 말합니다. 셔터스피드도 렌즈로 들어오는 빛의 양을 결정하는데 셔터는 크게 렌즈 셔터와 포 커플에 인 셔터로 구분할 수 있습니다. 렌즈 셔터는 렌즈에 설치된 셔터로 조리개처럼 구성되어 들어오는 빛을 제어하는 형식을 말합니다. 주로 대형 카메라와 중형 카메라 렌즈들이 렌즈 셔터를 선택하고 있습니다. 렌즈 셔터는 조리개처럼 중심부에서 구경이 열리면서 노출을 하기 때문에 노광 얼룩이 적고, 전 셔터 영역에서 플래시와 동조됩니다. 하지만 1/500초 이상의 고속 셔터를 만들기 어렵다는 단점이 있습니다. 포 커플에 인 셔터는 1/8000초 등의 고속 셔터를 만들 수 있지만 노광 얼룩이 생길 수 있고, 약 1/200초 이하의 노출에서 플래시와 동조가 되는 단점이 있습니다. 포컬플레인셔터는 선 막과 후 막이 지나가는 슬랫의 간격을 통해 빛의 양을 조절하는 방식의 셔터를 말하는데 대부분의 DSLR은 포 커플에 인 셔터를 통해 빛의 양을 조절합니다. 셔터스피드가 빨라지면서 촬상소자에 들어가는 빛의 양이 줄어드는데 움직이는 물체는 그 움직임이 고정됩니다. 셔터 스피드가 느려지면 셔터가 열려 있는 동안 움직이는 물체는 그 흐름이 기록됩니다. 즉, 셔터 스피드는 촬영되는 물체의 운동감과 관련이 있습니다. 감도는 빛에 대해 민감한 정도를 수치화 한 것을 말하는데 규격 표기 방법에 따라 ASA, DIN 등 다양한 표현으로 사용되기도 합니다. 감도가 높은 필름은 어두운 곳에서 촬영할 때 유리합니다. 감도가 높은 경우 조리개를 더 개방하는 것이 가능하고, 더 빠른 셔터 스피드를 사용해 촬영하는 것이 가능합니다. 하지만 높은 감도로 촬영하면, 노이즈가 발생하는 등 거친 입자로 촬영이 되므로 이런 노이즈가 있는 거친 입자를 선호하지 않는다면 일반적으로 저감도로 촬영하는 것이 좋습니다. 감도에 관한 기술 발전으로 인해 비교적 고감도로 촬영해도 노이즈가 적어지고 있습니다. 조리개와 셔터스피드 그리고 감도의 상관관계에는 감도가 고정이 되어있고, 촬영하는 공간의 빞의 양이 고정되어 있다면 조리개를 1 중지 열어 줄 경우 셔터스피드는 1 중지 조여주면, 셔터스피드는 1 중지 느리게 만들어야 동일한 노출이 될 수 있습니다. 셔터 스피드를 고정해야 하는 상황이라면, 조리개를 1 스톤 열어주면, 감도를 덜 민감하게 조절할 수 있습니다. 조리개를 1 중지 조인다면 감도는 더 민감한 감도로 조절해야 합니다. 조리개가 고정된 상태에서 저감도로 촬영한다면 셔터스피드를 더 늦춰서 촬영해야 합니다.

카메라 원리의 기원

카메라 옵스큐라 원리는 기원전 4세기경 아리스토텔레스(기원전 322~384) 시대로부터 알려져 있습니다. 카메라 옵스큐라('어두운 방' 이라는 뜻) 또는 암 상은 그림 등을 사실적으로 그리기 위해 발명한 광학 장치로, 많은 화가가 이 기술을 사용해 그림을 그렸는데요. 카메라 옵스큐라 원리는 어두운 방에서 장은 구멍을 통해 들어온 빛이 초점면에서 이미지를 형성하는 것으로 알려져 있는데 카메라 옵스큐라를 통해서 들어온 빛은 좌우 ·상하가 역상으로 표현됩니다. 작은 구멍에 렌즈를 설치하고 빛의 양을 조절하는 조리개를 설치하는 발전을 거듭하여 지금의 카메라 기원이 되었습니다. 카메라 옵스큐라 원리는 바늘구멍사진기로 이어지면서 본격적인 사진기로 이용이 되었습니다. 바늘구멍 사진기, 혹은 핀홀 카메라는 렌즈를 사용하지 않고 작은 구멍을 통해 빛을 받아들여 촬영하는 사진기를 말하는데 간단하게 제작할 수 있어서 교육용으로 쓰이고 있습니다. 다만 작은 구멍을 통해 들어온 빛을 이용해 촬영하기 때문에 장시간의 노출이 필요했다는 단점이 있습니다. 이때 빛의 양을 조절하는 조리개, 셔터, 초점 조절, 필름 등의 기술을 통해서 카메라 발전이 시작되었다고 볼 수 있습니다.

카메라의 구조

카메라에는 빛을 모아 주는 렌즈, 빛의 양을 조절해 주는 조리개, 빛의 양을 조절하는 셔터, 빛의 간섭을 막아주는 카메라 몸체, 상을 볼 수 있는 파인더로 구성이 되어있습니다.

렌즈(집 광부)
집광 부는 빛을 받아들여 촬상 부에 상이 맺히게 하는 역할을 하는데 단순한 작은 구멍에서부터 여러 종류의 다중 렌즈를 이용하는 복잡한 것까지 다양한 방식이 있습니다. 일반적으로 사진기의 집 광부에는 렌즈와 조리개로 이루어져 있습니다.

조리개
눈의 동공에 해당하는 사진기의 부품을 말하며, 눈의 동공이 커지면 빛이 많이 들어오고, 동공이 작아지면 빛이 적게 들어오는 것처럼 조리개가 렌즈로 들어오는 빛의 양을 결정하는 기능입니다. 조리개의 여닫는 정도를 조리개 수치라 하며 f로 표기합니다.

보디(촬상 부)
집광으로부터 들어온 빛에 의해 생긴 상이 맺히는 부분을 말하는데 디지털카메라의 경우 촬상 부에 빛의 신호를 전기신호로 바꾸는 장치(CMOS, CCD 등)를 놓아서 전기 신호로 바뀐 디지털 이미지를 여러 형식의 이미지 파일로 저장 매체에 저장하는 부분입니다.

CCD, CMOS
디지털카메라에서 빛을 받아들이는 장치로 필름과 같은 역할을 합니다.

조절 장치
어두운 곳에서 촬영하기 위한 플래시나 연속 촬영기능인 파노라마 촬영기능을 말합니다. 그 밖에 촬영할 대상을 미리 살피는 뷰파인더와 집 광부의 구멍 크기를 조정하는 조리개, 빛을 받아들이거나 차단하는 셔터 등이 있습니다.

뷰파인더
우리가 피사체를 보는 창이라고 할 수 있는데, 뷰파인더를 통해 촬영되는 모습을 살펴볼 수 있습니다. 뷰파인더의 시야 비율을 통해 보는 것과 촬영되는 것의 정도를 표현하기도 합니다.

플래시
순간적인 섬광을 발생시킴으로써 촬영 장면을 밝히는 장비로 동일한 의미로는 스트로보라는 말이 있습니다. 보통 1/1000초 정도의 시간 동안 지속되며, 색온도는 약 5500K로 표시됩니다.

파노라마
본래 큰 전망이라는 뜻을 가진 단어를 말하는데 현대에는 전체 경치 중에서도 360도 방향의 경치를 담아내는 기법이나 장치, 또는 그렇게 담아낸 사진이나 그림을 의미합니다. 파노라마의 기원은 과거 유럽 등지에서 둥근 모양의 건물 안의 벽에 전방위로 풍경화를 그려 넣어 마치 그 건물 안에서 실제 풍경을 보는 것과 같은 느낌이 들게 한데에 있습니다.

공차

공차에는 여러 가지 종류가 있습니다. 그중에서 일반적으로 공차라는 것은 기계 부품 등을 제작할 때 설계상 정해진 치수에 대해 실용상 허용되는 범위의 오차를 말합니다. 그 밖에도 치수 공차는 기준 치수에서 큰 쪽과 작은 쪽의 오차 범위를 주어 가공하는 것을 말하며, 일반 공차라고도 합니다. 허용 공차는 기계 부품 등을 제작할 때 설계상 정해진 치수에 대해 실용상 허용되는 범위의 오차, 변화량을 말합니다. 공차에는 끼워 맞춤 상태에 따른 종류가 있는데요. 제일 먼저 헐거운 끼워 맞춤에 대해 알아보도록 하겠습니다. 헐거운 끼워 맞춤은 구멍과 축이 결합할 때 구멍 지름보다 축 지름이 작으면 틈새가 생겨서 헐겁게 끼워서 맞추어진 것을 말합니다. 제품의 구멍과 축이 결합한 상태에서 헐겁게 결합하는 것을 말합니다. 그다음으로는 중간 끼워 맞춤이 있습니다. 구멍과 축의 주어진 공차에 따라 틈새가 생길 수도 있고, 죈 새가 생길 수도 있도록 구멍과 축에 공차를 준 것을 말합니다. 억지 끼워 맞춤은 구멍과 축이 주어진 허용 한계 치수 범위 내에서 구멍이 최소, 축이 최대일 때도 죈 새가 생기고, 구멍이 최대, 축이 최소일 때도 죈 새가 생기는 끼워 맞춤을 억지 끼워 맞춤이라 하며, 어떤 경우든 항상 죈 새가 생기는 끼워 맞춤을 말합니다. 여기서 말하는 틈새는 구멍의 치수가 축의 치수보다 클 때, 구멍과 축과의 치수의 차이를 말하고, 죔세는 구멍의 치수가 축의 치수보다 작을 때, 조립 전의 구멍과 축과의 치수 차이를 말합니다.

스캐너란?

측정 대상으로부터 특정 정보(문자, 모양, 크기, 위치 등) 얻어내는 것을 말합니다. 3차원 스캐닝은 측정 대상으로부터 3차원 좌표 즉 X, Y, Z값을 읽어내는 일련의 과정이며, 기본적으로 측정 대상물의 준비단계, 3차원 좌표를 다양한 측정 방식으로 추출하여 점 군(Point Cloud)을 생성하는 단계, 3차원 모델로 재구성하는 최종 단계를 말합니다. 3D 스캐너의 원리는 3차원 제품을 컴퓨터에서 사용하는 3차원 파일로 변환해주는 장치로 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있습니다.

접촉식 3D 스캐너 특징

• 주로 터치 프로브를 이용해서 측정하며, 3차원 측정기 또는 CMM이라고도 부릅니다.
• 접촉식 방법으로 측정이 가능한 경우에 쓰입니다.
• 측정 대상물이 투명한 경우, 거울과 같은 전반사가 일어나는 단단한 측정 물의 경우입니다.
• 터치 프로브가 들어갈 수 없는 형상의 경우 측정 불가합니다.

비접촉식 스캐너

주로 레이저 또는 광학식을 이용해서 스캔하는 것을 말합니다. 대부분의 3차원 스캐닝은 비접촉식 방법을 사용합니다. 접촉식 방법을 쓸 수 없는 경우, 측정 대상물의 외관이 복잡한 경우, 접촉 시 피 측정 물이 쉽게 변형되는 경우입니다.

레이저 방식 스캐너 : TOF와 삼각측량으로 나뉨

TOF 방식은 펄스 레이저를 사용하며 레이저의 펄스가 레이저 헤드를 출발해서 측정 대상을 맞히고 반사하여 돌아오는 시간을 측정해서 거리를 계산하는 방식을 말합니다. 점 방식으로 측정하여 피 측정 물을 둘러싼 외관을 스캔해야 한다. 장점으로는 먼 거리의 대형 구조물 측정이 가능하다는 것이고 단점으로는 측정 정밀도가 낮다는 것입니다. 삼각 측량법은 두 개의 카메라와 하나의 광원을 이용해 만나는 점에서 사인법칙을 이용하여 거리를 측정하는 방법을 말합니다.

광학식 스캐너

• 변조 광과 백색광(패턴, 삼각측량)으로 나뉨
• 광학식 스캔 과정
  스캐닝 준비 -> 스캐닝 설정 -> 스캐닝 실시 -> 스캐닝 보정 -> 저장

변조 광 방식

물체 표면에 지속해서 주파수가 다른 빛을 쏘고 수신 광부에서 이 빛을 받을 때 주파수의 차이를 검출해 거릿값을 구해내는 방식입니다.

백색광 방식(패턴)

여러 패턴을 주사하고 패턴의 변형 형태를 파악해 3D 형상 파악. 이때 패턴을 구성하는 화소의 깊이 값은 광 삼각법을 이용하여 측정합니다.

스캐닝 준비

측정 대상물에 대한 표면 처리를 준비하며 스캐닝 가능 여부 및 대체 스캐너 선정합니다.

광학식으로 작업할 경우 제품표면 상태에 따라 스캔이 안되는 경우가 있습니다.

1. 투명하거나, 광택이 있거나, 거울 표면의 경우 스캔이 잘 안 됩니다.
2. 기종에 따라 검은색이 스캔이 안 되는 경우도 있습니다.
3. 기종에 따라 스캔이 가능한 크기인지 확인합니다.
4. 스캐닝 설정
   기종에 따라 원점 설정(대부분 자동 원점)
   조도 조절(너무 밝을 경우 스캔 안 됩니다.)
   측정범위 설정
   스캐닝 간격 및 속도 조절 -> 해상도와 연관

조도 

측정 방식에 따라 주변 밝기인 조도를 조절해야 합니다. 레이저 방식, 광 패턴 방식 모두 빛이 너무 밝은 경우, 표면에 투사된 레이저가 카메라에 잘 측정되지 않으므로 직사광선을 피해야 합니다. 빛이 너무 어두울 경우, 카메라에 들어오는 빛의 양이 감소하여 측정이 잘되지 않기에 주변 밝기 조절로 스캐너에서 요구하는 조도를 맞추고 카메라 설정을 통해 노출 정도를 제어해야 합니다.

스캐닝 실시(데이터 획득)

일단 스캔 데이터를 보정하기 위해서는 스캐너가 어떤 데이터로 정보를 얻는지를 알아야 하며, 스캐너마다 고유의 방법으로 데이터를 모읍니다. 이때 대부분의 스캐너는 대상의 각각의 점의 데이터를 모으게 됩니다. 이런 점들의 모임을 점 군(Point Cloud)이라고 부릅니다.

정합

스캔의 경우 한 번에 데이터를 받으면 가장 좋지만, 보통은 여러 번을 찍은 다음 합치는 작업을 정합이라고 합니다. 일부 스캐너에서는 align이라고도 합니다. 해당 작업을 쉽게 하기 위해서 보통 정합용 마커 또는 정합용 볼을 붙이는 데 정합용 마커는 보통 검은색과 흰색으로 된 동그란 스티커를 사용합니다. 그 외 스캔 제품 형태를 이용해서 정합할 수도 있습니다.

병합

정합하고 나면 똑같은 부분은 겹치게 됩니다. 이때 겹쳐서 중복되는 데이터를 합치는 과정을 병합이라고 합니다. 이 과정을 통해 불필요한 데이터를 많이 줄일 수 있습니다.

데이터클리닝(노이즈 제거)

스캔하다 보면 내가 원하지 않은 부분이 같이 스캔 되는 경우가 있는데, 이때 바닥이나 고정하고 있던 지그나 먼지 등이 같이 스캔 될 수 있습니다. 이런 부분을 제거해주는 과정이 데이터클리닝 과정이라고 합니다.

페어링

점 군 데이터를 메시 파일로 변환하는 작업을 말합니다. 스캐너에 따라 구멍이나 스캔이 제대로 안 된 부분을 자동으로 보정해 주는 기능이 있는 스캐너도 있습니다. 보통 유선형으로 보정합니다.

STL : 3D프린팅에서 가장 일반적으로 사용하는 파일 포맷으로 수많은 삼각형으로 이루어진 포맷입니다.

IGES : CAD 데이터에 대한 최초의 표준 포맷으로 형상 데이터를 나타내는 엔티티로 이루어져 있습니다.

STEP(STP) : 2차원 도면이나 3차원 데이터를 표현하기 위한 형식으로 ISO에서 제작하였으며 주로 3D CAD 데이터를 표현하는 데 주로 사용합니다. IGES의 단점을 극복하기 위해 가장 최근에 개발된 표준 포맷을 말합니다.

XYZ : 가장 단순한 포맷으로 각 점에 대한 좌푯값인 XYZ 값을 포함하고 있습니다.

OBJ : Wavefront에서 개발한 포맷을 말하며, 3D 모델 데이터의 형식 중 하나로 기하학적 정점, 텍스처 좌표, 정점 법선과 다각형 면들을 포함하고 있습니다.

PLY : 폴리곤 저장 방식으로 스탠퍼드 삼각형 형식입니다.

AMF : XML 기반 적층 제조를 위해 개발된 파일 포맷입니다.

3 MF : 적층 제조를 위해 개발된 파일 포맷으로 재료, 색상 및 기타 정보까지 포함하고 있으며 마이크로소프트 중심으로 한 컨소시엄에서 주도합니다.

3D 프린팅의 특징

1. 적층 가공을 통해 제조, RP(절삭가공 아님)
2. 제작 속도가 느림
3. 대량생산보다는 소량 맞춤형 생산에 적합
4. 쌓아서 만들기 때문에 표면이 거침
5. 쌓아서 만들기 때문에 서포트 필요
6. 복잡한 형상도 제작 가능

적층 가공(additive manufacturing)
3차원 물체를 만들어 내기 위해 원료를 여러 층으로 쌓거나 결합하는, 입체(3D) 프린팅이 작동하는 방식
모든 입체(3D) 프린터는 컴퓨터의 지시에 따라 원료를 층(layer)으로 겹쳐 쌓아서 3차원 물체를 만들어 내는 것

절삭가공(subtractive manufacturing)
금속 따위의 공업용 재료를 여러가지 공구로 자르고 깎아 가공하는 일.

3D 형상 제작 방법

2D 라인을 이용하여 3D 형상을 제작하는 방법

돌출 모델링, 스윕 모델링, 회전 모델링, 로프트 모델링

2D 라인 없이 3D 형상을 제작하는 방법

기본 도형을 이용한 모델링, 폴리곤 모델링, CSG 방식이 있음

2D 라인을 이용한 3D 모델링

2D 라인 없이 3D 형상 제작 방법

3D 기본 도형 모델링

간단한 도형 (박스, 구, 콘, 실린더 등)

폴리곤 모델링

삼차원 객체를 구성하는 점, 선, 면을 편집하여 형성

CGS(Constructive Solid Geometry) 방식

기본 객체들에 집합연산을 적용하여 새로운 객체를 만드는 방법

집합 연산은 합집합, 교집합, 차집합이 있음

3D 모델링 방식의 종류

도면의 이해

투상법

투상도

일정한 법칙에 의해서 대상물의 형태를 평면상에 그린 그림

정 투상도 

직각으로 교차하는 세 개의 평면에 투영하는 방법

투상법의 종류 : 제1각법, 제3각법

모델링할 때는 보통 제 3각법에 의해 제작됩니다,

도면 작성 시 사용하는 선의 종류

치수 보조 기호

템플릿

도면에 사용되는 레이어, 문자, 치수 스타일, 회사 로고, 단위 유형, 도면 이름 등을 미리 만들어 놓고 필요할 때 파일을 불러서 사용하는 도면 양식을 말한다. 

좌표계의 종류

① 직교 좌표계

② 극좌표계 : 거리와 각도로 좌표를 표현하는 좌표계

③ 원통 좌표계 : 3차원 좌표 공간에서 점 P=(x,y,z)에 대응하는 값 (r,θ,z)로 표현하는 좌표계

④ 구면 좌표계 : 3차원 공간에서 점 P=(x,y,z)에 대응하는 값 (p,∅,θ)로 표현하는 좌표계