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필자는 현재 카네기멜론대학 기계공학과에서 스케치 응용기술에 대하여 연구 중이다. 스케치 응용기술을 자동차 디자인, 메쉬생성, 의료분야의 3가지 분야에 적용하여 연구를 진행하고 있다. 이 중에서 두가지 메쉬생성 적용과 자동차 디자인에의 적용 사례를 코젠에 소개하고자 한다. 이번에는 두번째로 자동차 디자인에의 스케치 응용기술 적용사례를 소개한다.

스케치를 이용한 디지타이징 데이터 편집

자동차 디자인 과정에서 스타일링 프로세스는 여러가지 어려운 과정이 발생한다. 이를 디지타이징 데이터 편집툴로 대체하면 많은 시간을 절약할 수 있다.  그렇지만 현재의 디지타이징 데이터 편집툴에는 3차원 디자인 스케치기능이 존재하지 않는다. 따라서 이 과정을 위하여 현재 클레이 모델을 수정한 뒤 다시 디지타이징 하여야 한다. 본 연구에서는 외형의 크레이 모델(clay model)을 만들어 디자인한 뒤 다시 클레이 모델을 만들지 않고 디지타이징 데이터에 삼차원 스케치를 가능케하고, 스케치를 이용하여 컷팅(cutting) 할 수 있는 시스템을 구축한다. 디지타이징 데이터상에 삼차원 스케치 곡선을 뷰티피케이션 (beautification) 밍 스내핑(snapping) 기능으로 보다 의미있는 디자인기능을 구현하였다. 또한, 뷰티피케이션 작업 후의 스케치 곡선을 이용하여 메시(mesh) 절단(cutting)을 수행가능한 자동차산업에 유용한 시스템구축을 수행한다
최근 삼차원 스케치 모델링에 대하여 많은 연구가 되어 왔고, 이에 따라서 다양한 성과를 얻었다. 이에 따라서 삼차원 스케치 모델링 시스템의 사용자 인터페이스 개선과 다양한 모델링 방법이 개발되어 전통적인 CAD 시스템과 함께 여러 분야에 활용 중이다. 그렇지만 현재 디지타이징 데이터 상에 스케치 할 수 있는 시스템은 연구되지 않았다.
이와 같은 삼차원 스케치 모뎅링에 관련된 연구로는 Igarashi 등[1]은 99년에 제스처기반 인터페이스와 2차원 자유선을 이용하여 3차원 모델을 디자인할 수 있는 “Teddy”라는 시스템을 만들었고, 삼차원 스케치 모델링을 위한 다양한 실용적인 기능을 개발하였다. Tsang 등[2]은 3차원 와이어프레임 모델 설계를 위한 이미지 가이드 펜기반 인터페이스 시스템을 제안하였다. 여기서 Tsang등이 제안한 시스템은 2차원 이미지를 이용하기 때문에 각각의 뷰포트에 대한 가이드를 위한 배경이미지가 각각 필요하다. 그리고 Kara등[3]은 스케치기반 모델링 시스템의 사용자 인터페이스에 대한 사용자 경험에 의한 만족도를 조사하여 사용자가 선호하는 사용자 인터페이스에 도출하였다. 또한, Kara와 Shimada [4, 5]는 템플릿(Template) 기반의 자동차 외형 디자인 시스템을 제안하였다. Kara와 Shimada가 제안한 템플릿 기반의 자동차외형 디자인은 빠른 디자인 도출이 가능하다. Igarashi등 [6]은 인터렉티브 뷰티피케이션(Interactive beautification) 이라는 개념을 기하 다이어그램의 신속 구축(rapid construction of geometric diagrams )시스템에 적용하여 발표한 바 있다. 기술한 바와 같이 현재 다양한 스케치기반의 3차원 모델링시스템이 개발되었지만 대부분의 시스템이 초기 디자인을 창출하기 위한 목적으로 설계되어 디지타이징 데이터에 스케치하는 용도에는 적합하지 않다. 본 연구에서는 좀더 매끄러운(smooth) 절단면을 얻기 위하여 뷰티피케이션 후의 곡선을 이용하여 메시 컷팅을 수행한다.

디지타이징 데이터 편집의 활용예는 이미 디자인되어 디지타이징된 데이터 상에 삼차원 스케치를 가능하게 하여 다양한 목적에 맞게 추가 설계를 가능케 하는 것이다. 그림 1(a)와 같은 전통적인 크레이를 이용한 디지타이징 방법인 테이핑, 드릴링, 치츨링(chiseling)과 같은 과정[7]을 그림. 1(b)의 삼차원 디자인시스템으로 대체하여 시간과 노력을 줄일 수 있도록 한다. 이를 위하여 삼차원 뷰티피케이션 수행시 3차원 측정데이터에서 추출한 에지정보를 스케치의 보조수단으로 사용하여 보다 의미있는 삼차원 스케치 모델링을 가능케 한다. 또한, 뷰티피케이션 한 3차원 곡선으로 디지타이징 데이터의 메시데이터를 절단(scissoring)을 수행하여, airbag 커버나 fuse 박스 커버를 디지타이징 데이터에 직접 스케치 및 디자인하여 이를 검토 할 수 있도록 한다.

템플릿 기반 자동차 시트 설계

자동차회사에서 새로운 시트 모델을 디자인 한 뒤 상용 캐드 시스템을 이용하여 삼차원 모델을 완성하기까지 일반적으로 일주일정도의 시간이 소요된다. 이렇게 완성된 모델이 여러가지 이유로 사용되지 못할 경우 다시 동일한 일주일의 설계 시간이 필요하다. 따라서 이러한 설계시간을 단축하고 디자이너가 오랜 시간의 교육을 받지 않고 쉽게 이용하여 설계할 수 있고 설계된 모델을 검증할 수 있는 시스템이 필요하다.
이와 같은 요구사항을 만족시키기 위하여 필자는 먼저 스케치기반의 인터페이스와 템플릿 모델을 이용하여 곡면이 많은 삼차원 시트 모델의 생성 시스템을 만들고 완성된 시트 모델의 검증을 위하여 시트모델과 시트프레임 간의 간섭검증, 시트모델과 시트프레임의 간섭검증, 3차원 인체 모델과의 관계검증, 시트 컴포넌트 간의 위치검증 기능 구현한다. 또한, 설계된 시트모델의 엔지니어링 부서의 연계를 위하여 IGES변환기능을 구현한다 [8].
템플릿 기반의 스케치 시스템을 이용하면 한 시간 정도의 작업으로 시트 디자인 초안을 완성하여 여러가지 기능적인 검토를 수행할 수 있다. 이와 같이 이 시스템은 실제 삼차원 물체를 만들고 디지타이징 하는 전통적인 스타일링 디자인 방법과는 다르게 컴퓨터 상에서 스케치 인터페이스를 이용한 시트 모델의 초기디자인 생성뿐 만 아니라 디자인된 시트데이터의 검증을 수행 할 수 있고 이러한 검증이 완료되면 IGES파일로 작성하여 엔지니어링 부서로 전달 할 수 있다. 이와 같은 과정으로 시트모델을 완성하고 검증하는 사례연구를 수행하여 본 시스템의 효용성을 검증하였다. 자동차 시트설계 과정에 개발된 시스템을 이용하여 많은 리드타임 감축을 실현 할 수 있다.

그림 2(a)의 템플릿 기반시트 모델은 74개의 큐빅 쿤스 곡면 패치(bi-cubic coons patch)와 92개의 버텍스 그리고 172개의 에지로 이루어져 있다. 이렇게 구성된 시트 모델은 좌우대칭을 유지할 수 있도록 설계되어 있고 곡면 패치간에 연결 조건으로 G1 연속 조건으로 구성되어 있다. 이렇게 구성된 템플릿 기반 시트모델은 그림 2(b)의 스케치를 이용한 에지 조정 방법과 조정점 조정 그리고 탄젠트 조정 방법으로 시트를 설계할 수 있도록 한다.

스케치기반 시트캐드를 이용하여 디자이너가 45분만에 작업하여 설계한 완성된 시트디자인의 예제를 그림 3에 나타낸다. 이렇게 설계된 시트디자인은 IGES 파일로 변환하여 상용캐드시스템 상으로 불러들여 시트프레임 모델과 함께 양산을 위한 디테일 설계를 수행 할 수 있다. 추후연구로 스케치 캐드 시스템을 초기 디자인 설계 뿐 만 아니라 실제 구체적인 디자인까지 완성할 수 있도록 확장하는 연구를 진행 중이다. 그리고 본 논문에서 개발된 스케치 캐드 시스템을 다양한 산업에 적용하기 위하여 연구 중이다.

참고문헌

[1] Igarashi, T.; Matsuoka, S.; and Tanaka, H.: Teddy: a sketching interface for 3D freeform design. In Proceedings of the 26th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, 1999, 409-416.
[2] Tsang S.; Balakrishnan R.; Singh K.; Ranjan A.: A suggestive interface for image guided 3d sketching. In Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems, 2004, 591-598.
[3] Kara L. B.; Shimada K.; Marmalefsky S. D.: An evaluation of user experience with a sketch-based 3D modeling system, Computer & Graphics, 31, 2007, 580-597.
[4] Kara L. B.; Shimada K.: Sketch-based 3d shape creation for industrial styling design, IEEE Computer Graphics and Applications, 27(1), 2007, 60-71.
[5] Kara, L. B.; Shimada, K.: Supporting early styling design of automobiles using sketch-based 3D shape construction, Computer-Aided Design & Application, 5(6), 2008, 867-876.