실측이 가능한 3D 두상 이미지를 활용한 주문가발의 디지털 제작시스템
Digital Manufacturing System of Custom Wigs with Measurable 3D Images
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Trans Abstract
Wigs are major important means for improving life quality of the increasing people suffered from hair loss through their image enhancements. For the production of custom made wigs, there requires a mold that reproduces the wearer’s head dimension and the shape of hair loss. The conventional method for this is to make a resin film that adheres to the wig wearer’s head using vinyl tape, and to make a wig pattern with drawing the shape of hair loss onto the film, and to produce a head mold with this pattern, and then to plant hair in a wig cap made based on this mold and wig pattern. This method requires highly skilled manual work, and generates a large amount of chemical waste during the manufacturing process, and takes a long manufacturing period. However, the digital automation of measuring head dimension and the shape of hair loss can replace or omit the production of wig patterns. In this study, a 3D head image capable of actual measurement was implemented by using a 3D polygon head shape measurement device and a camera, which makes a digital production system possible, which can replace the manual wig pattern production process for custom wigs.
I. 서 론
인간의 외부 이미지에 가장 큰 비중을 차지하는 것이 헤어스타일(37.5%)이라는 Kim & Kim(2012)의 연구결과가 있듯이 가발은 탈모를 겪는 사람들에게는 삶의 질을 개선시키는 주요 수단이 되고 있다. 이러한 가발을 제작하기 위해서는 고객의 두상을 재현한 몰드(Mold)가 필요하며, 이를 위해 착용자의 두상과 탈모의 형태를 측정하게 된다. 기존의 측정 방법은 Fig. 1에서와 같이 스케일, 캘리퍼, 비닐 테이프 등으로 두상과 가발을 고분자 수지로 제작하고, 이 패턴으로 두상 몰드를 제작한 뒤 측정한다. 이후 이 몰드를 바탕으로 가발 캡을 제작하여 모발을 심어서 가발을 제작하게 된다.
Conventional wig making process
최근 Lee(2023)의 연구에 의하면 가발산업에서도 4차 산업혁명에 대응하여 가발매장의 AI 및 AR 기술을 활용한 헤어스타일 추천, 스마트미러, 디지털 주문플랫폼, 제조 공장의 스마트팩토리화 등의 디지털 전환으로 제품과 서비스의 고급화, 제조비용의 절감, 납기의 단축 등이 가능하도록 하고 있다.
가발 착용자의 두상에 맞는 가발을 제작하기 위해서는 머리와 탈모의 형태에 대한 정확한 측정 데이터가 필요한데, 기존의 수작업 방식은 계측 방법과 측정자의 숙련도에 따라 제품설계의 정확도와 재현성이 떨어지는 문제가 있고, 측정의 결과물인 고분자 수지 패턴을 가발 제작공장까지 운송하는 과정에서 변형이나 운송 기간이 오래 걸리는 문제점 등이 있다.
이러한 측정방식에 대하여 Park et al.(2001)은 3D 비전을 이용한 3차원 형상측정기틀 이용한 맞춤 신발 및 가발 제작을 연구하였고, Lee(2010)는 광원, 격자 등의 활용한 등고선으로 인체의 형상을 획득하는 장비를 고안하였고, Oh et al. (2016)은 저가의 3차원 스캐너를 활용하여 피사체의 형상과 깊이 맵을 분석하기도 하였으며, Shah et al.(2017)은 3D 스캐너를 활용한 두상 및 얼굴의 모델링 기술을 제안한 바 있다.
가발 제작공정의 디지털 자동화 노력으로 Kim et al.(2013)과 Choi et al.(2018) 등은 IT와 기계 자동화를 융합한 로봇 기술을 선보였고, Shah & Luximon(2017)은 3D 레이저 스캐너 등을 이용한 3차원 형상 측정을 시도하였다. Moon et al. (2023)에 의하면 디지털 트윈을 가능하게 하는 3D 모델링 장비로는 목적에 따라 LiDAR(Light Detection And Ranging), GPS(Global Positioning System), IMU(Inertial Measurement Unit), 카메라 등을 적절히 융합하여 데이터를 획득할 수 있다. 그런데 이러한 3D 스캐너에 의한 두상과 탈모 정보의 취득에는 Fig. 2에서와 같은 초고가의 3D 스캐너 장비나 간이형(Handheld) 스캐너를 사용하게 되는데 이 장비의 구축에는 고비용이 소요되고, 측정자에게 상당한 숙련도가 필요하며, 피측정자에게는 측정 과정의 불편함이 수반되는 측정방식이다.
Head measurement equipment using 3D laser scanners
실제로, 국내에서 시험적으로 운영되고 있는 3D 두상 스캐너는 특정 회사가 독점하고 있는 고가의 장비와 기술로서 영세한 소상공인의 가발매장에서 사용하기는 어려우며, 두상의 측정 시에 모발의 압착을 위하여 수영 모자나 스타킹을 머리에 써야 하는 불편함이 있고, 측정에 시간이 걸림으로 인해서 피측정자의 미동에 의해서도 측정값이 변동하는 문제로 실제 널리 활용되지는 못하고 있다. 이에 따라 소상공인 업종인 가발업계가 현실적으로 용이하게 도입할 수 있는 높은 가성비를 가지면서도 순간 측정의 간편한 방식으로 두상과 탈모 패턴을 손쉽게 측정할 수 있는 디지털 자동 두상측정 장비를 개발하고 그 실효성을 검증하기 위하여 본 연구를 수행하였다.
II. 이론적 배경
1. 가발의 설계 및 두상측정 기준
가발의 제작을 위해서는, 두상에 꼭 맞으면서도 조이지 않는 느낌으로 편안한 착용감을 느낄 수 있는, 두피와 같은 역할을 하는 가발 패턴(Pattern)을 제작하게 되는데, 이를 위해서는 정확한 측정 위치의 기준을 설정해야 한다. 일반적으로 Fig. 3에서와 같이 표준 측정 위치를 사용하며, 이를 준수해야 가발의 설계자와 제작처 간에 오류가 생기지 않는다.
Setting the eyebrow line and points on the head
Lee et al.(2021)에 의하면 가발의 제작을 위한 머리의 기본라인과 포인트는 눈썹 선과 포인트를 설정 기준으로 하여 크게 4가지로서 정중선, 측정선, 수평선, 측두선 등으로 구성되며, 두부의 포인트는 15개의 점을 지정하여 설정하고 있다.
가발 제작의 디지털 자동화에 있어서도 위와 같은 두상과 탈모의 패턴(Pattern) 측정 기준은 동일하게 적용되어야 하며, 이러한 기준 포인트의 위치설정을 위해서는 일반적으로 이마의 중심점(Center point)을 레이저 조사함으로써 맞춰 줄 수 있도록 한다.
2. 두상의 폴리곤 메쉬(Polygon mesh)
본 연구에 활용하는 두상 측정기는 실용적 가성비를 위해 24개의 제한된 숫자의 3차원 두상 좌표 정보만을 활용한다. 이를 바탕으로 실측이 가능한 3차원적 두상 이미지를 생성하기 위한 3차원적 폴리곤 메쉬(Polygon mesh)를 제작할 수 있다. 이 메쉬를 제작하는 방법은 다양하나, 두상이 일반적으로 둥근 형태인 점을 감안하여 연속적이고 매끄러운 곡면을 생성하는데 효과적인 스플라인 보간법(Spline interpolation)을 활용하는 것이 적절하다고 판단된다.
스플라인 방식은 선형 스플라인, 3차 스플라인, B_스플라인, NURB 스플라인으로 나누어진다. 이 중 부드러운 두상의 곡선 형태에 가장 적합한 방식은 3차 스플라인이며, 이를 통하여 생성된 곡선은 각 세그먼트 간 연결 지점에서 연속적이고, 급격한 변화 없이 부드럽게 이어지도록 해야 한다. 본 연구에서는 주어진 24개의 점을 제어점으로 사용하여 3D 스플라인 표면을 생성하고, 각 점 주변 곡률을 조정하여 두상의 특징을 표현한다.
이 경우, 각 구간 [xi,xi+1]에서의 데이터는 3차 다항식 Si(x)=ai+bi(x-xi)+ci(x-xi)2+di(x-xi)3으로 표현되며, 주어진 데이터 점들 (x0,y0),(x1,y1),...,(xn,yn) 사이에서는 다음의 조건들을 만족하게 된다.
Si(xi)=yi
Si(xi+1)=yi+1
Si’(xi+1)=Si+1’(xi+1)
Si’’(xi+1)=Si+1’’(xi+1)
3. 텍스처 매핑(Texture mapping)
3D 모델의 표면에 2D 이미지를 입히는 텍스처 매핑은 Blinn & Newell(1976)의 연구에서와 같이 오랜 동안 다양한 연구자들에 의해서 다양한 방법으로 발전되어 왔다.
본 연구에서는 구체적인 텍스처 매핑방법으로 3D 모델의 표면을 2D 평면으로 펼쳐서 2D 텍스처 공간의 좌표인 U와 V를 3D 공간의 X, Y, Z와 연결하는 방식인 UV Mapping을 활용하였고, 처리 순서는 다음과 같이 하였다.
UV 좌표 생성: 3D 모델의 각 정점에 대해 2D UV 좌표를 할당한다.
UV 맵 생성: 3D 모델의 표면을 2D로 펼친 UV 맵을 만든다.
텍스처 제작/적용: UV 맵에 맞춰 텍스처를 제작하거나 기존 텍스처를 적용한다.
렌더링: 3D 모델을 렌더링할 때 UV 좌표를 사용해 텍스처를 모델에 매핑한다.
III. 내용 및 방법
1. 두상 및 탈모 패턴의 기본정보
가발 제작을 위한 두상의 전체적인 규격 설정의 요소로서 Guk(2022)은 Fig. 4에서와 같이 머리 윗부분 분할 위치와 슬라이스 라인의 디자인 유형에 따라 ① 머리 둘레, ② 앞이마에서 목덜미까지, ③ 귀 앞에서 귀 앞까지, ④ 귀 위에서 귀 위까지, ⑤ 관자놀이에서 관자놀이까지, ⑥ 목덜미 길이 등의 다양한 측정 요소들을 규정하고 있다.
Schematic diagram of standard elements of head for wig production
2. 두상의 규격 및 탈모 패턴의 측정방법
본 연구에서는 가발 제작을 위한 다양한 두상규격 측정 요소들 중에서, Fig. 5에서와 같이 가발의 설계에 가장 기본적으로 필요한 3차원적 정보를 가성비 있게 측정할 수 있도록, 가발의 패턴 제작용 기본 정보인 탈모 영역의 ① 앞뒤(A, Front to back), ② 좌우(B, Left to right), ③ 둘레(C, Circumference), ④ 높이(D, Height) 들의 정보들을 측정 대상으로 설정하였다.
Measurement of head shape and hair loss pattern
이러한 정보들을 디지털 자동화 방식으로 취득하기 위해서, Fig. 6의 개념도와 같이, 두상 측정기에 부착된 레이저 포인터로 두상의 중심을 맞추어 2D 컬러 카메라로 찍고, 두상 측정기를 하강시켜서 접촉압력 감지가 가능한 액추에이터들을 전진시켜서 머리에 접촉한 접촉점의 3D 좌표들로써 두상의 3D 다각형 모델(Polygon)을 산출한다. 이를 바탕으로 실측이 가능한 3D 두상 모델을 생성한 후, 앞서 촬영된 탈모패턴의 이미지를 정사영(Orthogonal projection)으로 3D화함으로써 실측이 가능한 3차원적인 두상 규격과 탈모 패턴의 칼라 이미지를 생성하여 가발의 설계에 기본적으로 필요한 3차원적 정보를 자동으로 산출되도록 하였다.
Schematic diagram of 3D head measuring device
이를 위해, 이 장비는 다음의 정보처리 단계를 거친다.
1) 피측정자의 눈썹라인에서 7 cm 위에 헤어라인과 페이스 정 중앙선이 만나는 지점에 기준점을 정하여 스티커로 표시한 후 탈모 상태를 컬러 사진으로 촬영하고 두상의 규격을 24개의 3차원 포인터로 측정한다.
2) 포인터 좌표로서 3D 다각형(Polygon)을 만든 후, 정교한 3D Mesh 모델을 생성한다.
3) 생성된 메쉬 모델에 컬러이미지를 텍스처 매핑(Texture mapping)하여 가발 제작용 두상의 규격과 탈모 상태의 실측 정보 추출을 가능하게 하는 3D 두상 이미지를 생성한다.
4) 이 3D 이미지로부터 가발 설계용 3차원적 기본 정보들을 자동으로 산출한다.
3. 카메라와 액추에이터 결합형 3D 두상 측정기의 제작
피측정자의 두상 규격은, 3차원 동일 공간 내에 24개의 액추에이터를 작동시켜 원점과 이동점(접촉 포인트)의 3차원 좌표로써 두상의 3D 다각형(Polygon)을 구현할 수 있다. 이를 위해 24개의 기계식 액추에이터와 카메라가 장착된 Fig. 7의 두상측정기를 제작하였다. 두상의 3D 포인트 좌표와 탈모 패턴의 이미지 정보를 획득하고, 이를 활용하여 실측이 가능한 두상의 3D 이미지를 생성하여 가발캡의 제작을 위한 기본 정보를 산출함으로써, 가발용 몰드제작과 고숙련도의 수작업 방식 가발 패턴 설계를 대신할 수 있는 방안을 연구하였다.
Manufacturing of head measuring device consisting of actuators and cameras
4. 액추에이터에 의한 두상 규격의 산출
기술표준원의 “한국인 머리형상 측정조사” 결과에 따른 한국인의 두상은 직경이 150~220 mm이며, 이를 감안하여 액추에이터의 이동거리를 55 mm로 제한하여, 피 측정자의 머리를 상입할 수 있는 반구형 하우징을 제작하였다. 여기에 Fig. 8과 같이 반구의 중심을 향하여 3차원 공간 좌표를 측정할 수 있는 24개의 액추에이터가 부착된다. 본 액추에이터에는 접촉 압력 센서가 부착되어 있어, 액추에이터가 머리에 접촉할 때의 접촉 포인트를 수집해 두상의 3D 공간 좌표를 측정한다. 뿐만 아니라, 탈모 상태를 촬영할 수 있는 컬러 카메라를 부착하였다.
24-point actuator for measuring head size and camera for hair loss pattern
두상 측정기에 부착된 액추에이터에 의한 두상 규격의 측정을 위해서는 3차원 공간 내에서 각 액추에이터의 좌표를 3차원적으로 환산하여 산출하여야 하는데, Table 1은 이러한 각 액추에이터의 초기 위치와 최대 이동 거리에서의 위치 좌표를 나타내고 있다.
Real Coordinates of Actuators’ Positions
5. 카메라와 액추에이터에 의한 두상 규격의 산출
피 측정자의 두상과 탈모 규격의 측정과 산출을 위해서는, 두상과 탈모측정 중심점에 사전 부착된 포인트와 두상측정기의 좌표기준 레이저 포인트를 정합시켜 촬영과 측정을 하게 되며, 24핀 액추에이터에 의해 생성된 동일 공간상의 3D 좌표들을 기반으로 3D 다각형(Polygon) 구조체를 생성하고, 이를 보간(Interpolation) 및 외삽(Extrapolation)을 통해 Fig. 9와 같이 보다 섬세하고 정밀화 된 3차원 메시망(Mesh net) 구조체를 만든다.
3D polygon diagram and processed 3D images by orthogonal projection
이 구조체에 앞서 촬영된 두부의 2D 탈모 이미지를 정사영(Orthogonal projection) 처리를 함으로써 컬러 이미지를 입혀서(Texture mapping) 3D화하여 두상의 규격과 탈모 패턴의 실측이 가능한 3차원적인 가상의 두상 이미지가 최종적으로 만들어진다.
만들어진 실측이 가능한 가상의 3D 이미지에 Fig. 10에서와 같이 가발 패턴을 위한 기본형(Default) 포인트 연결선이 입혀지게 되고, 측정자는 컴퓨터 화면에서 3D 이미지의 표시된 사전에 측정된 기준점과 탈모 부위를 확인하면서(Rendering) 라인에 따라 포인트를 조정하여 기준점과 보여지는 탈모 부위와 일치시켜 탈모 라인을 완성한다.
Setting hair loss lines and designing wig patterns on measurable 3D images
완성된 탈모 라인을 기준으로 Fig. 11과 같이 고정식 착용은 1.5~2.0 cm 안쪽에 패치 라인을 그리고, 탈부착식 착용은 탈모 라인을 기준으로 1.5~2.0 cm 바깥쪽에 패치 라인을 그린다. 따라서 가발 패턴은 착용 방식에 따라 고정식은 탈모 라인을 기준으로 제작되고 탈부착식은 탈모 라인의 외곽으로 그려진 패치 라인을 기준으로 제작된다.
Pattern design according to wearing method
이러한 두상 자동측정기를 활용한 가발 패턴 제작방식은 Fig. 12에서와 같은 기존의 수작업 방식의 가발 패턴 제작방식에 비해서 측정자의 숙련도나 측정방식의 차이로 인한 측정오류를 원인적으로 제거해 준다.
Manual measurement of hair loss areas and producing of wig patterns
IV. 결과 및 고찰
본 연구 결과물의 실효성을 확인하기 위해서는 실제 가발 패턴의 설계 제작에 소요되는 정보들을 실측치와 자동 산출된 결과와 비교하여 보아야 한다. 이를 위해, 표준 탈모모형 마네킹을 두상 측정기에 투입한 후, 5번의 두상 규격과 탈모 형태를 측정하여 그 결과를 분석하였다.
1. 두상 및 탈모규격 측정 실험 결과
가발 캡의 제작을 위한 두상 자동측정 장치의 성능에 대한 시험과 실증 인증을 위해서, 고객의 선호도에 의해 결정되는 기호정보를 제외하고 제품의 규격 결정용 매개변수들(Measuring parameters)에 대한 실제 측정값과 두상측정기에 의해서 자동 생성된 3D 이미지를 통해 산출된 결과값을 비교 분석한 결과는 다음과 같다(Table 2).
Measuring lines for wig pattern planning
Deviation between real and automatic rsults for wig patterns
이 결과를 보면, 가발 제작에 소요되는 두상 규격의 정보가 부위별 측정치와 산출치의 편차가 2 mm 이내에서 재현성 있게 측정이 됨을 확인할 수 있다. 이러한 산출 값들은 많은 측정치를 쌓음으로써 더 나은 신뢰도를 가질 수 있을 것으로 판단된다.
가발은 두피에 밀착하여 부착하게 되는 제품으로서 부착면은 다소 신축성이 있는 필름이나 네트 망으로 제작한다. 이러한 특성으로 인해 제품의 착용 시에 통상적으로 허용되는 허용 공차(Tolerance)인 약 2 mm 이내의 범주 안에서 산출 가능해야 하는데, 상기 분석 결과를 보면 이러한 범위를 초과하지 않음을 확인할 수 있다.
한편, 자동 방식의 측정이라 하더라도 측정 방법과 측정 포인트가 달라질경우 측정정보의 정밀성과 재현성에 문제가 생기게 되므로, 측정자는 두상 규격 측정의 기준점인 피측정자의 이마 중심점(Center point)과 장비의 레이저 포인트와의 매칭을 올바르게 하도록 하여야 한다.
2. 고찰 및 활용 방안
위와 같이 24포인트 액추에이터와 카메라를 활용한 두상 측정기로 생성시킨 3D 두상 이미지는 가발 패턴의 디지털 설계시스템에 활용이 가능하다. 이를 활용하여 자동 산출된 가발 패턴 규격 정보는 가발의 제작 시에 통상적으로 허용되는 오차범위를 초과하지 않으므로 실제 가발제품의 패턴 설계에 적용이 가능하며, 가발산업의 디지털 전환의 도구로 활용할 수 있다. 한편, 가발의 제작에는 가발의 규격 정보뿐만 아니라 고객의 기호 정보(선호도 및 헤어스타일 정보 등)도 필요하므로, 가발 제작공장용 작업지시서에는 규격 정보에 더하여 추가의 상세 정보가 제공되어야 한다.
각 제조 공장의 제품 혹은 제작방식에 각각 차이가 있으므로, 이를 반영할 수 있는 작업지시서의 표준화가 요구된다고 할 수 있다. 이를 위해서는 다수의 가발 공장에 적용할 수 있는 후속 공정 정보의 표준화, 이를 연결할 수 있는 정보 공유 플랫폼도 필요하다. 이를 위해서 기본 두상 몰드를 보유하고 있는 가발 제작공장들을 위주로 몰드의 두상 규격 데이터를 표준화하여, 사용 시, 측정된 데이터와 유사한 몰드를 선택할 수 있도록 하는 노력이 요구된다.
V. 결 론
본 연구는 두상 자동 측정장치를 고안 및 개발하였고, 실제 샘플링을 통하여 이의 활용 가치에 대한 실험을 진행하였고 그 효용성을 증명하였다.
본 연구에서 제시하는 두상 자동 측정장치는 여러 가지 장점을 보유함으로써 다음과 같이 가발산업의 디지털 자동화를 비롯하여 이와 연관되어 부수적인 다양한 기대효과를 갖는다.
첫째, 수작업으로 이루어지던 두상 규격과 탈모 형태의 측정을 기계 자동화함으로써 가발 제품 제조 정보의 디지털 온라인화를 도모하고, 스마트 생산 시스템 구축을 가능하게 한다.
둘째, 가발용 비닐패턴의 제작 공정을 디지털화하여 생략함으로써, 제조공정을 단축할 뿐만 아니라, 가발 패턴을 해외 공장으로 송부하는 대신에 데이터만을 전송함으로써 기존 방식 대비 납기 단축 및 제조 비용 절감을 도모할 수 있다.
셋째, 두상 자동측정과 표준 두상 몰드 체계를 도입하게 되면, 수작업으로 이루어지던 가발 및 두상제품(Headwear)의 몰드 제조공정도 생략할 수 있어서 추가적인 납기 단축과 제조 비용의 절감도 기대할 수 있다.
넷째, 가발 전문가들의 숙련된 노하우로 맞춤 가발 제작이 가능했던 가발 시장에 일반 미용인의 참여도 가능해져서 고부가가치 업종인 가발산업에 미용소상공인의 진입을 쉽게 해줌으로써 포화된 미용시장에 매출증대가 가능해지고, 결과적으로 가발산업의 시장 확대에 기여할 수 있다.
다섯째, 가발 패턴과 몰드의 제작이 디지털 데이터로 대체됨으로써 가발매장과 공장에서 사용 후 폐기되던 수십만 장의 비닐패턴과 수십만 개의 폴리우레탄 몰드(Mold) 폐기물 발생을 절감시킴으로써 작업자의 작업환경을 개선시켜 가발 산업의 탄소중립을 실현할 수 있을 것으로 기대한다.
마지막으로, 고객이 가발 패턴 제작 시 민망한 상태로 장시간 동안 이뤄지는 기존 작업을 피할 수 있고, AR을 활용한 헤어시뮬레이션과 결합을 통해 가발의 가상 착용 이미지를 보여줌으로써 만족도가 향상될 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구의 결과물은 가발 제품뿐만 아니라 고정밀의 군용, 스포츠, 의료용 헬멧, 모자 및 밴드 제품 등의 주문형 두상 제품에 다양하게 적용될 수 있을 것으로 사료 된다. 다만, 앞에서 언급한 바와 같이 작업지시서의 표준화, 후속 공정 정보의 표준화, 두상 몰드 정보 공유 등과 같은 조건들이 본 연구 결과물의 현실적 적용에 앞서 충족되어야 할 것으로 보여진다.