3D 시각화 (3D Virtualization)란?

참고, 참고2

데이터 시각화(data visualization)

• 데이터 시각화(data visualization)

  • 데이터 분석 결과를 쉽게 이해할 수 있도록 시각적으로 표현하고 전달되는 과정을 말한다.

  • 데이터 시각화의 목적은 도표(graph)라는 수단을 통해 정보를 명확하고 효과적으로 전달하는 것이다.

• 데이터 시각화는 차트, 그래프 또는 맵과 같은 시각적 요소를 사용해 데이터를 표시하는 프로세스입니다.

  • 이를 통해 복잡하거나, 용량이 많거나, 숫자로 된 데이터를 처리하기 쉬운 시각적 표현으로 변환합니다.

  • 데이터 시각화 도구는 정확성과 세부 정보를 위해 시각적 통신 프로세스를 개선하고 자동화합니다.

    • 시각적 표현을 사용해 원시 데이터에서 실행 가능한 인사이트를 추출할 수 있습니다.

데이터 시각화의 이점

현대의 기업은 다양한 데이터 소스의 많은 데이터를 처리합니다. 그러나 원시 데이터는 이해하고 사용하기 어려울 수 있습니다. 따라서 데이터 사이언티스트는 올바른 컨텍스트에서 데이터를 준비하고 제시합니다. 또한 의사 결정자가 데이터 간의 관계를 식별하고 숨겨진 패턴이나 추세를 감지할 수 있도록 데이터에 시각적 형태를 부여합니다. 데이터 시각화는 비즈니스 인텔리전스를 개선하고 데이터 중심 의사 결정 및 전략적 계획 수립을 지원하는 이야기를 만들어줍니다.

1. 전략적 의사 결정

• 주요 이해관계자와 최고 경영진은 데이터 시각화를 사용하여 데이터를 의미 있게 해석합니다.

  • 더 빠른 데이터 분석과 더 큰 그림을 시각화하는 기능을 통해 시간을 절약할 수 있습니다.

  • 예를 들어 패턴을 식별하고 추세를 찾고 인사이트를 얻어서 경쟁에서 앞서 나갈 수 있습니다.

2. 향상된 고객 서비스

• 데이터 시각화는 그래픽 표현을 통해 고객의 필요와 욕구를 강조합니다.
• 고객 서비스의 공백을 식별하고 제품 또는 서비스를 전략적으로 개선하며 운영 비효율성을 줄일 수 있습니다.

3. 직원 참여도 향상

• 데이터 시각화 기술은 데이터 분석 결과를 대규모 팀에 전달하는 데 유용합니다.

• 전체 그룹은 데이터를 함께 시각화하여 공통의 목표와 계획을 개발할 수 있습니다.

  • 시각적 분석을 사용하여 목표와 진행 상황을 평가하고 팀 동기를 개선할 수 있습니다.

  • 예를 들어, 영업 팀이 한 분기에 영업 막대 차트의 높이를 늘리기 위해 협력합니다.

데이서 시각화의 구성 요소

1. 스토리

• 스토리는 데이터 시각화의 목적을 나타냅니다.

  • 데이터 사이언티스트는 데이터 분석을 통한 달성 목표에 대해 여러 이해관계자와 의견을 나눕니다.

  • 예를 들어 핵심 성과 지표를 측정하거나 판매량을 예측할 수 있습니다.

• 데이터 사이언티스트와 비즈니스 사용자는 데이터를 통해 전달하고자 하는 스토리를 식별하기 위해 협업합니다.

2. 데이터

• 그런 다음 데이터 분석가는 데이터 스토리를 설명하는 데 도움이 되는 적절한 데이터 세트를 식별합니다.

  • 기존 데이터 형식을 수정하고, 데이터를 정리하고, 이상값을 제거하고, 추가 분석을 수행합니다.

• 데이터 준비 후 다양한 시각적 탐색 방법을 계획합니다.

3. 시각적 객체

• 그런 다음 데이터 사이언티스트는 새로운 인사이트를 공유하는 데 가장 적합한 시각화 방법을 선택합니다.

• 주요 데이터 포인트를 강조 표시하고 복잡한 데이터 세트를 단순화하는 차트와 그래프를 만듭니다.

  • 또한 비즈니스 인텔리전스를 위한 데이터를 체계적으로 제시하는 효율적인 방법을 생각합니다.

데이터 시각화 프로세스

1. 목표 정의

• 기존 데이터 세트에서 답을 찾을 수 있는 질문을 식별하여 데이터 시각화 목표를 정의할 수 있습니다. 명확한 목표는 다음 유형을 결정하는 데 도움이됩니다.

  • 사용할 데이터

  • 수행할 분석

  • 결과를 효과적으로 전달하는 데 사용할 시각 자료

• 예를 들어 소매업체에서는 판매량이 가장 많은 제품 포장 유형을 파악하려고 할 수 있습니다.

2. 데이터 수집

• 데이터 수집에는 내부 및 외부 데이터 소스를 식별하는 작업이 포함됩니다. 온라인에서 방대한 데이터 세트를 구매하고 사용할 수 있습니다

3. 데이터 정리

• 데이터 정리에는 중복된 데이터를 제거하거나, 추가 분석을 위한 수학적 연산을 수행하거나, 질문 기준에 맞게 데이터를 필터링 및 변환하는 작업이 포함됩니다.

4. 데이터 시각 자료 선택

• 효율적인 시각적 검색을 위해 여러 차트 유형 중에서 선택할 수 있습니다. 최상의 그래픽 표현은 데이터 포인트와 전달하려는 인사이트 간의 관계에 따라 결정됩니다.

3차원 모델링(3D modeling)

출처

• 사전적 의미로 3차원 모델링(3D modeling)은 컴퓨터가 이해할 수 있는 형태의 데이터로 저장하는 것을 말한다.

• 컴퓨터 그래픽스 분야에서는 특히 이러한 3차원 모델을 표현하고자 하며 가상공간의 입체적인 모델을 통해 실세계의 물체를 묘사하거나 혹은 물리적 환경을 만들어 가상환경 속에서 물체의 모습을 만들어낼 수 있다.

  • 최근 3차원 모델링은 영화, 애니메이션, 광고 등의 엔터테인먼트 분야와 물리적 실험 시뮬레이션, 건축, 디자인 등의 설계 및 예술의 표현 수단으로 활용되고 있다.

• 쉽게 말하면 입체 그림을 그릴 수 있는 프로그램을 활용해 가상의 공간에서 입체적인 그림을 그려 컴퓨터가 인식할 수 있는 데이터로 저장하는 것을 말한다.

• 모델링을 끝낸 3차원 모형은 재질과 조명 등을 설정하여 실제 물체와 비슷한 질감으로 보이도록 결과를 출력할 수 있는데, 이런 출력과정을 렌더링(Rendering)이라고 한다.

개요

1970년대 시스템의 발전과 더불어 개발되어 사용되기 시작한 이것은 CAD/CAM으로 표현되는 모델의 차원이 2D, 2.5D, 3D 3가지로 나눠진다.

1) 2D modeling

• 형상정보의 2차원적인 자료로 도면작성과 같은 방법이 이에 해당되며 물체의 경계면을 구성하는 요소를 기초로 만든 것.

2) 2.5D modeling

• 2D에서 작성한 평면의 데이터에 제3의 요소인 측단면과 길이에 대한 정보를 추가해 3차원 형상을 만드는 방식

3) 3D modeling

• 1980년대에서 1990년대 엔지니어링 수준의 컴퓨터가 등장하면서 적극적으로 이루어진 것으로 입체를 표현하는 X, Y, Z축의 좌표값을 표시함으로서 3차원의 형상을 구현하는 것.

3차원 형상 표현기법의 종류

1) 와이어프레임 모델링(Wire Frame Modeling)

• 1960년대 처음으로 발견된 이 방식은 가장 단순한 소프트웨어로 직선, 점, 원, 호 등의 기본적인 기하학적인 요소로 마치 철사를 연결한 구조물과 같이 모델링을 하였는데 소요시간이 적게 들고 차지하는 메모리의 용량이 적기때문에 주로 2D도면 출력을 위한 평면 가공과 용도에 적합한 방식이다.

• 장점

  • 최소의 정보만으로 원하는 형상 구현시스템 구축이 쉽다.

  • 처리 속도가 빠르며 모델 작성이 쉽다.

  • 데이터 구성이 간단하며 3면 투시도 작성이 용이하다.

• 단점

  • 경계 정보나 부피에 대한 정보다 없다.
    구현하려는 모델의 형상이 간단하고 명확해야 한다.
    물리적 성질을 계산할 수 없으며 숨은선 제거가 불가능하다.

  • 간섭체크가 어렵고, 단면도 작성이 불가능하다.
    형상을 정확하게 판단하기 어렵다.

2) 서페이스 모델링(Surface Modeling)

• 이 방식은 면을 이용해서 물체를 모델링하는 방법으로 표면 모델링이 정밀하고 수학적으로 정의된 곡선표면, 우주항공, 자동차, 조선 산업에서는 필수이다.

• 물체의 경계면을 구성하는 요소를 기초로 만든 것으로 와이어 프레임에서 어려웠던 작업을 진행할 수 있고, 가공면을 정확히 인식해 NC가공에 최적화된 방식으로 겉표면만이 존재하는 모델링 기법으로 인식되며 컴퓨터의 속도와 메모리 용량을 적게 쓰고, 주로 랜더링을 하기 위한 목적이나 애니메이션 등의 필름용, 화면용으로 데이터를 출력하는 용도에 많이 쓰이고 있다.

• 장점

  • 은선처리가 가능하고, 단면도 작성을 할 수 있다.
    자동으로 Tool Path를 생성할 수 있고, 간섭체크가 가능하다.
    컴퓨터 내에서 가상적인 목업을 만들어 실사화할 수 있다.
    음영처리가 가능하며 2개 면의 교선을 구할 수 있다.

• 단점

  • 물리적 성질을 계산할 수 없다.

  • 물체 내부의 정보가 없다.

3) 솔리드 모델링(Solid Modeling)

• 가장 진보적인 방식으로 앞서 설명한 두 가지 방식에 비해 모든 작업이 가능해 표면 모델러는 물체의 표면을 정확하게 기술할 수 있으나 종종 물체의 내부에 관한 정보가 요구된다.

• 3차원으로 형상화된 물체의 내부를 공학적으로 분석할 수 있는 방식으로 물체를 가공하기 전에 가공상태를 미리 예측하거나, 부피, 무게 등의 다양한 정보를 제공한다.

• 장점

  • 부품간의 간섭 검사를 할 수 있고, 물리적 특정 계산이 가능하다.

  • 서페이스 방식과 같이 가상적인 목업을 생성하고 실사화할 수 있다.

  • 단면도 작성을 할 수 있고, 은선 제거가 가능하다.

  • 정확한 형상을 파악할 수 있다.

• 단점

  • 컴퓨터 메모리를 많이 차지하며 데이터 구조가 복잡하다.

  • 많은 정보를 가지고 있고, 논리적으로 완전히 채워진 모델만 허용한다.

3D 모델링의 장점

1. 신뢰할 수 있는 표준 및 보조 3D뷰 자동 생성

2. 섹션 및 2D도면 작성

3. 관측하기 유리한 위치에서 모형 관측

4. 은선을 제거해 사실적 음영처리 수행

5. 간섭 점검 및 엔지니어링 분석 수행

6. 조명 추가 및 사실적 렌더링 생성

7. 모형으로 탐색 가능 및 모형을 이용한 애니메이션 작성

8. 제조 데이터 추출

3D 렌더링 (3D Rendering)

• 컴퓨터 그래픽스 분야에서는 2차원 또는 3차원 장면을 바탕으로 컴퓨터를 이용해 사진이나 영상을 만들어내는 과정 또는 그러한 기법

  • 건물 설계, 게임, 애니메이션 등에 주로 사용되며 쉽게 말해 만들어낸 3D모델에 질감을 입히고 여러 광학 효과를 가미하는 과정을 말한다.

• 렌더링은 아키텍처, 비디오 게임, 시뮬레이터, 영화, 텔레비전 특수 효과, 디자인 시각화에서 사용되며 분야마다 서로 다른 기능과 기술을 이용하며 또 렌더링을 위해 다양한 렌더링 프로그램을 이용할 수 있다.

• 어떤 프로그램들은 대형 모델링, 애니메이션 패키지를 만드는 데 통합되며 또 어떤 것들은 독립형 제품이고 또 어떠한 것들은 자유 소스 프로젝트에 속해 있어 안을 더 들여다보면 렌더링 프로그램은 광학, 비주얼 시스템, 수학, 소프트웨어 개발과 관련된 선택적 혼합에 기반을 둔 공학 프로그램이기도 하다.

• 기본적으로는 형태 표현, 음영, 색상표현, 공간, 재질 표현이 가능하며 사실감을 표현하고, 제품의 특징을 잘 나타낼 수 있는 여러 재료를 혼합해서 사용하는데, 가장 많이 사용된 재료로는 매직 마커와 수재화 물감, 매직 마커는 색상이 풍부하고, 선명하며, 건조시간이 매우 빠를 수 있다.

• 그리고 목재, 금속, 도자기, 천, 가죽 등의 재질감을 표현할 때는 혼용기법을 사용하는 것이 효과적이다.

  • 건식기법 : 연필, 색연필, 파스텔, 크레용 등의 표현 도구사용.

  • 습식기법 : 수채화 물감, 매직마커, 포스트컬러, 잉크, 유화, 아크릴물감 등을 사용.

  • 천부기법 : 스크린톤, 컬러톤, 색지 등을 붙어 사용.

3D 렌더링 과정

3D형상 제작 과정은 모델링과 렌더링 과정으로 나누는데 전자가 기본적인 골격을 만드는 과정이라면, 후자는 그 골격 표면을 처리하는 과정이라 할 수 있다.
렌더링을 하지 않고 모델링만으로 작업을 마치는 경우도 있지만, 보통 영상이나 게임 분야에서는 이 과정을 꼭 거친다.

렌더링 과정에는 크게 변환과 색칠 과정으로 구분할 수 있는데 변환 과정이란 3차원 모델 좌표계의 정점들을 2차원 모델 화면 좌표계로 바꾸는 것이고, 색칠 과정은 면에 그려지는 객체의 색체와 조명 또는 매핑 등으로 원하 효과를 나타내는 것을 말한다.

• 렌더링 과정

  • 투영->클리핑->은면처리->셰이딩->매핑

  • 투영(Projection): 3차원 오브젝트를 2차원 스크린에 비추는 과정

  • 클리핑(Clipping): 디스플레이 밖(모니터 또는 윈도우 창에 나오지 않는 부분)의 오브젝트 부분(보이지 않는 부분)을 처리하는 과정

  • 은면처리(Hidden Surface): 오브젝트의 보이는 부분과 보이지 않는 부분을 처리하는 과정

  • 셰이딩(Shading): 음영, 조명 빛, 광원의 빛, 반사광, 투명한 효과 등을 처리하는 과정

    1) 플랫 셰이딩(flat shading)

    3차원 컴퓨터 그래픽스에 쓰이는 광원 기술인데 다각형의 표면과 광원 방향 간 각도, 개별 색상, 광원의 세기에 따라 한 물체의 각 다각형에 그림자를 넣음.

    2) 고러드 쉐이딩 ( Gouraud shading)

    플렛 쉐이딩의 단점을 보완한 것으로 빛이 비춰지는 면들의 평균적인 명암을 계산해서 그것을 부드럽게 적용시켜주는 것으로 플렛 쉐이딩과는 달리 면과 면 사이의 각을 감추어 줌.

    3) 퐁 쉐이딩 (Phong shading)
    고러드 쉐이딩과 유사하며 정점들 사이의 노말들을 하나의 표면 노말로 분해하여 면의 모든 픽셀에 대한 노말을 계산하여 고러드 쉐이딩보다 정확한 곡면 쉐이딩 가능하며 보다 사실적인 표현이 가능함.

    4) 레이트레이싱(Ray tracing )
    자연적인 명암표현으로 실사와 유사한 느낌, 주로 ,영화 CG제작에 사용함.

  • 매핑(Mapping): 오브젝트의 표면에 텍스처 등을 씌워 질감과 반사된 풍경 등을 처리하는 과정
    이 과정 중에서 셰이딩과 매핑은 특성상 겹치는 부분이 많다.

실시간 3D

참조

실시간 3D 소프트웨어를 사용하면 완전한 인터랙티브 콘텐츠, 3D 모델, 환경, 완전한 가상 환경을 순식간에 디지털 렌더링할 수 있으며, 이는 기존 콘텐츠 제작 툴과 비교하면 엄청난 장점이라 할 수 있습니다.

실시간 3D 콘텐츠를 제작하면 모바일 디바이스, 컴퓨터, AR(증강 현실) 및 VR(가상 현실) 디바이스, 기타 플랫폼에 배포할 수 있습니다. 실시간 3D는 상호작용이 불가능한 정적인 콘텐츠에 비해 최종 사용자에게 훨씬 매력적인 몰입형 경험을 제공합니다.

실시간 3D는 근본적으로 다음과 같은 경험을 제공합니다.

• 몰입형 경험 - 현실의 디지털 표현이 사실적이고 현실 아날로그 경험의 현실감과 가까워지고 있습니다.

• 인터랙티브 경험 - 사용자가 마치 비디오 게임처럼 자신의 경험을 정확하게 제어할 수 있습니다.

수많은 실시간 3D 활용 방법이 있지만 대부분의 업계 사용자는 이를 사용하여 CAD(Computer-Aided Design) 어셈블리와 같은 3D 모델에서 데이터를 시각화하고, 동적이며 사실적인 경험을 구축합니다. 이러한 물리적 제품의 인터랙티브 디지털 트윈을 활용하면 연구 개발(R&D)에서 운영에 이르기까지 비즈니스 전반에 걸쳐 프로세스와 워크플로를 개선하는 잠재력을 가질 수 있습니다.

실시간 3D의 비즈니스 효과

산업 기업은 수익성 있는 성장을 주도하는 데 어려움을 겪습니다. 디자인은 점점 복잡해지고, 제작 일정은 더욱 촉박해지며, 구매자는 더욱 까다로워지고 있습니다.

실시간 3D를 사용하면 이러한 문제를 더 효과적으로 해결할 수 있습니다. 연구를 통해 밝혀진 실시간 3D의 장점은 다음과 같습니다.

• 비용이 많이 드는 물리적 프로토타입에 대한 의존도를 줄이고 설계 및 엔지니어링 결함을 조기에 파악하여 비용을 절감합니다.

• 연구 개발(R&D) 일정을 단축하고, 시뮬레이션 환경에서 자동화된 시스템을 교육하고, 기타 개선 사항을 적용하여 출시 기간을 단축합니다.

• 직원 생산성을 높이고 애프터 마켓 서비스를 보다 안정적이고 신속하게 수행하여 제품 수익률을 개선합니다.

• 기존 멀티미디어 형식을 능가하는 매력적인 방법으로 제품을 선보임으로써 매출을 증대합니다.