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문제 정의
- 그러나 석조문화재의 표면은 대부분 함수로 표현하기 어려운 굴곡이 많은 표면으로 구성되어 있어, 전적으로 함수관계와 명령어로 진행되는 영상 프로그램의 메커니즘을 이해한 상태에서 정보의 구축과 손실 및 왜곡이 없도록 수행해야 한다. 따라서 이 연구에서는 3D 영상 스캐닝 시스템의 높은 정밀도를 이용하여 대원사다층석탑의 형태정보와 부재별 수치정보 획득을 시도하였으며, 데이터 활용을 위한 조건을 제시하였다. 또한 이 자료를 이용하여 이 석탑의 수직적 및 수평적 변위량을 계산하고 전체적인 안정성을 평가하였다.
- 이 연구에서는 대원사다층석탑에 대하여 3차원 영상자료를 획득 및 분석하고 구조적 변형에 대한 안정성을 평가하였다. 3차원 영상자료 획득은 역공학(reverse engineering)을 응용한 것으로서, 설계 도면이 존재하지 않는 대상물을 3차원 형상으로 받아들인 후, 필요에 따라 제품을 개발하거나 생산에 연계하여 사용하던 방법이다.
제안 방법
- 2. 역공학 기법을 기반으로 3차원 스캐닝 영상정보를 획득하여 이 탑의 변위에 대한 안정성을 평가하였다. 3차원 영상획득을 위해 비접촉식 측정 장치를 이용하여 레이저가 주사되어 돌아오는 시간을 측정하는 방법인 반사시간 계산방식으로 점군 데이터를 생성시켰다.
- 3. 저장된 점군 데이터로 필터링, 레지스터링 및 머징 과정을 거쳐 3차원 형상을 확인할 수 있는 근접한 3개의 점이 하나의 삼각형 모양의 면으로 변환하는 다변형 자료를 생산하였다. 또한 각각의 다변형 자료를 하나의 면으로 변환되는 과정을 거친 표면 모델링 영상자료를 얻었다.
- 역공학 기법을 기반으로 3차원 스캐닝 영상정보를 획득하여 이 탑의 변위에 대한 안정성을 평가하였다. 3차원 영상획득을 위해 비접촉식 측정 장치를 이용하여 레이저가 주사되어 돌아오는 시간을 측정하는 방법인 반사시간 계산방식으로 점군 데이터를 생성시켰다.
- 각 부재의 높이 측정과 동일한 기법을 적용하여, 이 석탑의 부재별 넓이를 정밀 실측하였다(Table 2). 측정결과, 평균값과 크게 차이가 나는 부분은 기단부의 하부지대석으로서 후면이 평균값과 63.
- 그러나 각 부위가 정방위을 벗어나 N30°E를 이루고 있기 때문에 석탑을 기준으로 하여 사리전 쪽을 전면으로 각 방향을 지정하였다.
- 한편 이 석탑의 수직적 좌우변위를 정량적으로 측정하여 계산하였다. 기준은 절대 수직선으로 하였으며, 각 부재별로 수평의 중심을 찾고 이를 삼각형 모양으로 연결하여 부재별 좌우변위를 계산하였다. 좌우변위의 계산은 식 (3.
- 그러나 각 부위가 정방위을 벗어나 N30°E를 이루고 있기 때문에 석탑을 기준으로 하여 사리전 쪽을 전면으로 각 방향을 지정하였다. 높이에 대한 기준점은 지대석으로 정하였으며, 각 방향에서 바라본 우측 끝 지점을 기준으로 설정하였다(Figure 4A). 넓이에 대한 기준점은 각 방향에서 바라본 전면으로 정하여 측정하였다.
- 저장된 점군 데이터로 필터링, 레지스터링 및 머징 과정을 거쳐 3차원 형상을 확인할 수 있는 근접한 3개의 점이 하나의 삼각형 모양의 면으로 변환하는 다변형 자료를 생산하였다. 또한 각각의 다변형 자료를 하나의 면으로 변환되는 과정을 거친 표면 모델링 영상자료를 얻었다. 각각의 자료는 각종 프로그램을 이용하여 영상 및 데이터 파일로의 변환이 가능하다.
- 따라서 이 연구에서는 3D 영상 스캐닝 시스템의 높은 정밀도를 이용하여 대원사다층석탑의 형태정보와 부재별 수치정보 획득을 시도하였으며, 데이터 활용을 위한 조건을 제시하였다. 또한 이 자료를 이용하여 이 석탑의 수직적 및 수평적 변위량을 계산하고 전체적인 안정성을 평가하였다. 이 결과는 앞으로 석조문화재의 영상분석과 안정성 평가연구에 중요한 자료가 될 것이다.
- 총 12회에 걸쳐 점군 데이터를 받았으며(Figure 2A), 점군 데이터를 입체형상으로 변환하기 위한 후 처리 과정을 진행하였다(Figure 2B). 모든 스캐닝이 끝난 후, 이미지 정보처리를 위하여 Cyclone 프로그램으로 불러들여 1차 변환을 수행하였다. 이 후의 모든 과정은 Rapidform 프로그램 상에서 이루어진다.
- 무수히 많은 점들을 3차원 입체 형상으로 완성시키기 위하여 근접한 3개의 점을 각각 삼각면으로 변환시키는‘triangulation 3D’를 적용하였다.
- 부재별로 평균값에 대해 차이가 나는 것을 부재별 합에 의한 높이와 모든 부재를 대상으로 한 전체 높이로 산출해 비교하였다. 기단부, 탑신부 및 상륜부의 부재별 높이의 합은 전면 6035.
- 따라서 형상이 복잡한 곳은 정밀하게 측정을 하고 단순한 곳은 스캐닝 간격을 넓혀 데이터의 크기를 작게 하였다. 스캐닝 횟수는 기본적으로 하단부 4번, 상단부 4번, 인물상세부 4번으로 총 12회 실시하였으며, 스캐너의 시야확보가 어려운 부분은 별도로 추가 작업을 하였다.
- 각 부재의 영상자료 구축과 분석은 Autodesk, Inc.의 AutoCAD2002를 이용하여 실측도로 작성하였으며, 이를 바탕으로 이 석탑의 수평적 및 수직적 구조변형을 분석하였다.
- 각각의 자료는 각종 프로그램을 이용하여 영상 및 데이터 파일로의 변환이 가능하다. 이 다변형 정보를 이용하여 석탑의 실측도를 얻었으며 부재별 높이, 넓이 및 변위를 측정하였다.
- 이 석탑의 전체적인 수직과 수평적 안정성을 평가하기 위해, 우선 부재 각 지점의 수평에서 상하변위를 측정하였다. 절대수평을 기준으로 각 방면 부재의 끝점을 지정하여 삼각형 모양을 만들어 각도를 측정하고 아래 식 (3.
- 이 연구에서는 대원사다층석탑을 크게 기단부, 탑신부, 상륜부로 나누어 측정하였다. 그러나 각 부위가 정방위을 벗어나 N30°E를 이루고 있기 때문에 석탑을 기준으로 하여 사리전 쪽을 전면으로 각 방향을 지정하였다.
- 각각의 데이터는 CAD 및 image 파일로의 저장과 적용이 가능하다. 이 폴리곤 데이터의 CAD와 image 파일로부터 실측도를 얻었으며 부재별 높이, 넓이 및 변위를 측정하여 구조적 안정성을 평가하였다.
- 또한 탑신부와 상륜부에서도 전체적으로 모든 부재가 평균값과는 차이가 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 부재별 높이와 넓이 측정결과를 토대로 각 방면의 정면도와 평면도를 작성하였다(Figure 5).
- 지금까지 대원사다층석탑의 3차원 영상자료를 획득하여 실측도 작성 및 수평과 수직변위에 대한 안정성을 평가를 하였다. 실제 변위 정도는 석탑의 일반적인 구조적 평가를 논하기에는 다소 미약한 정도이지만, 암석은 지속적으로 풍화가 진행된다는 점을 고려할 때, 현시점의 정적 평가로서는 아주 훌륭한 자료라 판단된다.
- 한편 이 석탑의 수직적 좌우변위를 정량적으로 측정하여 계산하였다. 기준은 절대 수직선으로 하였으며, 각 부재별로 수평의 중심을 찾고 이를 삼각형 모양으로 연결하여 부재별 좌우변위를 계산하였다.
대상 데이터
- 사용된 장비는 Cyra Technologies, Inc.에서 개발한 Cyrax-2500이다. 이 장비는 석탑과 같은 대형 건축물에 주로 쓰이고 있으며, 비접촉식으로 측정이 가능하다.
- 7㎜로 계산되었다. 전체 부재를 대상으로 한 높이는 전면 6019.6㎜, 좌면 6012.1㎜, 후면 6029.1㎜ 및 우면 6044.6㎜ 이다. 이는 각각 16㎜, 46.
- 3차원 영상자료 획득은 장비를 이용한 점군 데이터 확보와 데이터 후처리 과정으로 구분된다. 총 12회에 걸쳐 점군 데이터를 받았으며(Figure 2A), 점군 데이터를 입체형상으로 변환하기 위한 후 처리 과정을 진행하였다(Figure 2B). 모든 스캐닝이 끝난 후, 이미지 정보처리를 위하여 Cyclone 프로그램으로 불러들여 1차 변환을 수행하였다.
성능/효과
- 4. 이 석탑 기단부의 수치측정 결과, 하대갑석의 각 방면 높이가 후면과 우면에서 상대적으로 낮았다. 이는 전면과 후면 상에서 각각 동쪽으로 나타난 변위량 계산결과와 같이 집중하중과 지반약화가 있을 경우, 탑의 중심이 남동쪽으로 회전할 가능성이 높음을 지시하는 결과이다.
- 5. 평면상에서는 지대석의 수평변위는 최고 211㎜ 정도 왜곡되어 있는 것으로 나타났으며, 정사각형의 대각선상에서 모든 부재의 중심이 어긋나있다. 전체적으로 탑신과 옥개석의 연결 부분이 서로 맞지 않아 찰주 최상단과 절대 수평과의 중심 이동각과 거리는 전면에서 0.
- 대원사다층석탑의 3차원 영상정보를 이용한 부재의 변위량 계산과 안정성 평가를 종합해 보면, 기단부 하대갑석의 각 방면에서 높이 평균값이 후면과 우면에서 상대적으로 낮았다(Table 6). 이를 절대 수평면을 기준으로 계산한 하대갑석 상하변위 측정 결과와 비교하면, 전면에서는 동쪽으로 0.
- 실제 변위 정도는 석탑의 일반적인 구조적 평가를 논하기에는 다소 미약한 정도이지만, 암석은 지속적으로 풍화가 진행된다는 점을 고려할 때, 현시점의 정적 평가로서는 아주 훌륭한 자료라 판단된다. 또한 부재별 높이 및 넓이 측정은 석탑에 별도의 가설물을 설치하지 않고도 실측이 가능하다는 결과를 보여주었다. 이 연구에서 사용된 Cyrax-2500은 광파기의 기능이 없으나 최근의 3D 스캐너에는 광파기가 부착되어 있어 보다 정확한 실측 데이터를 얻을 수 있을 것이다.
- 47㎜가 작다. 상대중석은 전면과 좌면이 평균보다 11.58㎜와 6.01㎜가 작으며, 상대갑석은 전면과 우면이 각각 11.98㎜와 1.51㎜씩 작은 것으로 나타났다. 탑신부는 전체적으로 평균값과 차이가 있지만 3층 옥개석, 5층 옥개석 및 7층 탑신석에서 큰 편차를 보인다.
- 이 석탑 전면의 상하변위를 정량적으로 측정하여 계산한 결과, 기단부는 절대 수평면을 기준으로 하대갑석이 동쪽에서 47.64㎜ 침하되어 있고, 하대갑석과 상대중석의 경계면 또한 동쪽에서 76.47㎜의 침하가 있는 것으로 나타났다. 상대중석과 상대갑석의 경계는 서쪽에서 15.
- 전체적으로 탑신과 옥개석의 연결 부분이 서로 맞지 않아 찰주 최상단과 절대 수평과의 중심 이동각과 거리는 전면에서 0.35° (37.08㎜), 좌면에서 0.27° (27.87㎜), 우면에서 0.35° (36.58㎜)가 발생한 것으로 평가되었다.
- 각 부재의 높이 측정과 동일한 기법을 적용하여, 이 석탑의 부재별 넓이를 정밀 실측하였다(Table 2). 측정결과, 평균값과 크게 차이가 나는 부분은 기단부의 하부지대석으로서 후면이 평균값과 63.79㎜의 차이가 있다. 또한 탑신부와 상륜부에서도 전체적으로 모든 부재가 평균값과는 차이가 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 문화재 특성에 맞는 기계의 선택, 측정환경과 조건, 정보처리 과정의 프로그램 및 연구자의 오류, 자료의 적절한 활용 등은 신중히 고려되어야 한다. 그러나 이 오차범위는 불과 ㎜ 단위로 한정지을 수 있을 만큼의 정확성을 갖고 있기 때문에 앞으로 연구가 많이 진행되면 현재의 형상보존과 훼손상태 파악에 대한 정확한 자료를 제시할 수 있다. 이는 사진자료나 육안관찰을 통해 기재한 사항보다 정밀하고 방대한 문화재의 데이터베이스 구축에 편리한 자료를 제공해 줄 수 있을 뿐만 아니라 보존처리와 원형복원 방안을 세우는데 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.
- 또한 이 자료를 이용하여 이 석탑의 수직적 및 수평적 변위량을 계산하고 전체적인 안정성을 평가하였다. 이 결과는 앞으로 석조문화재의 영상분석과 안정성 평가연구에 중요한 자료가 될 것이다.
- 또한 부재별 높이 및 넓이 측정은 석탑에 별도의 가설물을 설치하지 않고도 실측이 가능하다는 결과를 보여주었다. 이 연구에서 사용된 Cyrax-2500은 광파기의 기능이 없으나 최근의 3D 스캐너에는 광파기가 부착되어 있어 보다 정확한 실측 데이터를 얻을 수 있을 것이다.
- 그러나 이 오차범위는 불과 ㎜ 단위로 한정지을 수 있을 만큼의 정확성을 갖고 있기 때문에 앞으로 연구가 많이 진행되면 현재의 형상보존과 훼손상태 파악에 대한 정확한 자료를 제시할 수 있다. 이는 사진자료나 육안관찰을 통해 기재한 사항보다 정밀하고 방대한 문화재의 데이터베이스 구축에 편리한 자료를 제공해 줄 수 있을 뿐만 아니라 보존처리와 원형복원 방안을 세우는데 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.
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