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제안 방법
- 2. 형상 역공학과 원소스멀티유즈의 일환으로 마곡사오층석탑에 3D 스캐닝 시스템을 적용하여 디지털 복원 및 구조안정성 평가를 수행하였다. 석탑의 디지털복원은 16방향에서 측정한 레이저 스캐닝 데이터를 7단계의 데이터처리 프로그램에 적용하여 완성하였다.
- 따라서 이 연구에서는 마곡사오층석탑의 수평변위 분석을 위해 Figure 9와 같이 입면도상의 탑신에 단면선을 작성하여 평면단면도를 획득했다. 그런 다음 각층의 평면단면도에 절대수평선을 작도하여 평면도상의 수평적인 변위 방향과 기울기 및 변위량을 산출하였다.
- 특히 석조문화재에서는 3차원 디지털복원 데이터를 지속적으로 축적하여 비교분석함으로써 훼손상태 및 구조적 변위량 등에 대한 정밀한 분석을 가능하게 한다. 따라서 이 연구에서는 마곡사오층석탑의 레이저 스캐닝 데이터를 이용하여 3차원 디지털복원과 정밀실측을 수행하였으며(Figure 4), 이를 통해 부재별 높이와 폭에 대한 정량적 수치결과를 획득하여 Table 1과 2에 제시하였다.
- 이중 동측면 상대갑석은 중심침하가 발생했고, 서측면 상대중석은 부재의 뒤틀림이 심하였으며, 남측면 탑신받침은 전단균열에 의해 발생된 이격으로 인해 부재 바깥쪽이 솟아올라 있는 상태였다. 따라서 이 연구에서는 이러한 구조적 이상부재들에 대해서 개별변위를 분석하였다.
- 등과 같은 원소스멀티유즈(one source multi use)를 가능하게 해주고 있다. 따라서 이 연구에서는 형상 역공학과 원소스멀티유즈의 일환으로 공주에 있는 마곡사오층석탑을 대상으로 3D 스캐닝 시스템을 적용하여 디지털 복원을 수행하였다. 또한 획득한 데이터를 가지고 중심축 및 수평변위 등을 산출하는 3차원 영상분석을 실시하여 석탑의 전체적인 구조안정성을 평가하였다.
- 석탑의 스캐닝에 의해 얻어진 점군 데이터는 원형과 동일한 형태로 축적된 점들의 집합체일 뿐, 면을 형성하지 못한 상태이다. 따라서 하나의 면을 형성하기 위해서 무수히 많은 점들 중 근접한 3개의 꼭지점을 삼각면으로 변환하는 폴리곤 과정을 진행하였다. 그러나 폴리곤 과정이 완료된 그림을 보면 일부지점에 폴리곤이 생성되지 않아 청색으로 나타나는 것을 볼 수 있다(Figure 3E).
- 또한 앞에서 살펴본 동서방향과 남북방향의 변위분석 결과를 통해 중심축 변위의 종합적 거동특성을 알아보았다. 이 결과, 1층 탑신은 S13°E 방향으로 13.
- 이 방법은 포인트 데이터(point-cloud)의 형상을 바탕으로 세 점 이상의 공통지점을 찾아서 좌표를 합성하는 방식이다. 또한 프로그램 상의 에러벡터 보정 기능을 이용하여 정확한 머징 작업을 실시하였다(Figure 3B).
- 따라서 이 연구에서는 형상 역공학과 원소스멀티유즈의 일환으로 공주에 있는 마곡사오층석탑을 대상으로 3D 스캐닝 시스템을 적용하여 디지털 복원을 수행하였다. 또한 획득한 데이터를 가지고 중심축 및 수평변위 등을 산출하는 3차원 영상분석을 실시하여 석탑의 전체적인 구조안정성을 평가하였다. 이 결과는 향후 석탑의 보존과 복원에 필요한 자료가 될 뿐만 아니라 석탑의 변화과정 등을 비교분석할 수 있는 중요한 기초자료가 될 것이다.
- 마곡사오층석탑의 구조적 불안정성을 가중시키고 있는 부재에 대한 개별변위를 분석하기 위해 기단부에서 1층 탑신받침까지 육안조사를 실시하였다. 이 결과, 동측면 상대갑석, 서측면 상대중석, 남측면 탑신받침 부재에 구조적 문제점이 있는 것으로 나타났다.
- 일반적으로 레지스터링과 머징은 프로그램에서 동시에 수행된다. 마곡사오층석탑의 레지스터링과 머징은 서로 겹쳐지는 영역이 있어야 하므로 현장 스캔 순서에 입각하여 남쪽-남서쪽-서쪽 등 시계방향으로 총 10회 수행하였다. 이때 타겟을 설치하지 않았기 때문에 타겟머징이 아닌 형상머징 방법을 선택하였다(Figure 3A).
- 마곡사오층석탑의 중심축 변위 분석은 동서방향을 대표하는 북측입면도와 남북방향을 대표하는 동측입면도에 대해서 수행하였다. 분석방법은 지대석과 하대저석이 만나는 지점에 중심점을 설정하고, 여기에 절대수직선을 작도한 다음 이 절대수직선과 각 층 탑신의 중심점을 비교하여 변위각 및 변위량을 산출하는 방법을 이용하였다.
- 변위분석은 프로그램상에서 각 부재에 대한 단면도를 작성한 다음 변위가 발생한 면에 대해 평행한 접선을 만들어 변위에 대한 기울기를 산출하는 방식으로 실시했다. 부재별 기울기 산출 결과, 동측면 상대갑석은 3.
- 마곡사오층석탑의 중심축 변위 분석은 동서방향을 대표하는 북측입면도와 남북방향을 대표하는 동측입면도에 대해서 수행하였다. 분석방법은 지대석과 하대저석이 만나는 지점에 중심점을 설정하고, 여기에 절대수직선을 작도한 다음 이 절대수직선과 각 층 탑신의 중심점을 비교하여 변위각 및 변위량을 산출하는 방법을 이용하였다.
- 따라서 위의 두 가지 방식을 상황에 맞게 조합해서 정밀도가 높은 데이터를 추출해야 한다. 이 석탑의 레이저 스캐닝에서는 최대한 많은 방향에서 측정하는 것이 좋을 것으로 판단되어 후자의 방법을 선택하였다.
- 이 연구에서는 마곡사오층석탑을 대상으로 3D 스캐닝 시스템을 활용하여 석탑의 디지털 복원과 구조적 변형에 대한 3D 영상분석을 수행하였다. 이 영상분석은 물체에 대한 3차원 형상 좌표(X, Y, Z)를 획득하여 대상체의 다양한 정보를 분석 및 해석하는 것으로 형상 역공학이라고도 한다.
- 따라서 이를 보강하기 위해서 주변의 폴리곤 정보를 참조하면서 면 보강(fill holes)을 실시하여 Figure 3F와 같이 석탑의 디지털복원을 완료하였다. 이 연구에서는 석탑의 디지털복원 결과를 이용하여 원소스멀티유즈의 일환으로 석탑의 실측도면을 작성하고, 중심축 및 수평변위 등을 측정하여 구조안정성 평가를 수행하였다.
- 이 연구에서는 원소스멀티유즈의 일환으로 마곡사오층석탑의 3차원 디지털복원과 석탑의 중심축 이동 및 수평변위 등을 정밀 분석하여 구조안정성 평가를 수행하였다. 이를 종합해보면, 1층 탑신이 남동쪽으로 변위가 발생한 것을 제외하고는 2층 탑신부터 상륜부까지 모두 북서쪽으로 변위가 발생되었다.
- 따라서 형상이 복잡한 곳은 스캔 밀도를 높게 하여 정밀도를 높여주고 형상이 단순한 곳은 밀도를 낮게 하여 데이터의 크기를 작게 한다. 이 연구의 레이저 스캐닝은 석탑의 디지털복원뿐만 아니라 구조안정성 평가를 위한 목적이므로 정밀도를 높이기 위해 전체적으로 가로 5㎜, 세로 7㎜의 밀도로 설정했다.
- 한편 상대적으로 원형이 잘 유지되어 있는 탑신의 층별 실측결과를 통해 석탑의 체감비율을 살펴보았다. 이때 체감비율은 1층 탑신의 폭을 기준으로 계산하여 방위별로 비교분석하였다(Table 3). 이 결과, 2층은 18〜19%(평균 19%), 3층은 22〜27%(평균 24%), 4층은 모든 방위에서 32%, 5층은 35〜37%(평균 36%)의 체감비율을 나타냈다.
- 마곡사오층석탑의 레지스터링과 머징은 서로 겹쳐지는 영역이 있어야 하므로 현장 스캔 순서에 입각하여 남쪽-남서쪽-서쪽 등 시계방향으로 총 10회 수행하였다. 이때 타겟을 설치하지 않았기 때문에 타겟머징이 아닌 형상머징 방법을 선택하였다(Figure 3A). 이 방법은 포인트 데이터(point-cloud)의 형상을 바탕으로 세 점 이상의 공통지점을 찾아서 좌표를 합성하는 방식이다.
- 이때 하부 스캐닝은 석탑 주위에 설치되어 있는 철책 바깥쪽의 남측면을 시작으로 45°의 시계방향으로 회전하면서 총 8방향에 대해서 수행하였다.
- 이를 손호웅과 이성민(2003), 전병규 외(2008)가 연구한 바 있는 첨성대와 대원사다층석탑의 수직변위량과 상대적인 비교를 실시해보았다.12,13 이때 중심축 변위량은 최상부 지점 전체변위량을 기준으로 하였다.
- 이상 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 이용하여 마곡사오층석탑의 디지털복원과 구조안정성 평가를 수행하였다. 그러나 석조문화재 분야에서 이 시스템의 적용은 아직까지 초기 단계로서 지속적인 연구가 요구되고 있다.
- 야외에서 스캐닝 작업으로 저장된 점군 데이터는 최종 모델링을 위해서 레지스터링(registering) - 머징(merging) - 필터링(filtering) - 유니파이(unify)를 거쳐 폴리곤(polygon) - 서피스 모델링(surface modeling) - 도면화 작업에 이용되었다. 일반적인 작업순서는 데이터의 무게를 줄이기 위한 필터링이 가장 선행되나, 이 연구에서는 좀 더 정확한 머징을 위해서 작업 순서를 변경했다. 레지스터링이란 하나의 대상물에 대해 2회 이상의 스캐닝 작업을 수행했거나, 2개 이상의 스캐너를 사용했을 경우 수집된 점 군 데이터를 하나로 결합하기 위해 각각의 결합 위치를 선정하는 작업을 말한다.
- 한편 상대적으로 원형이 잘 유지되어 있는 탑신의 층별 실측결과를 통해 석탑의 체감비율을 살펴보았다. 이때 체감비율은 1층 탑신의 폭을 기준으로 계산하여 방위별로 비교분석하였다(Table 3).
대상 데이터
- 또한 마곡사오층석탑과 같이 옥개석의 훼손이 심한 경우에는 그림상으로 표현되는 부분에만 한정되어 분석이 가능하기 때문에 정확한 변위분석이 어렵게 된다. 따라서 이 연구에서는 마곡사오층석탑의 수평변위 분석을 위해 Figure 9와 같이 입면도상의 탑신에 단면선을 작성하여 평면단면도를 획득했다. 그런 다음 각층의 평면단면도에 절대수평선을 작도하여 평면도상의 수평적인 변위 방향과 기울기 및 변위량을 산출하였다.
- 또한 낮과 밤 중 어느 때나 자유롭게 사용이 가능한 Class 3R(IEC 60825-1) 레이저가 사용된다. 이 레이저는 녹색으로 눈 등의 인체에 무해하며 주위 광원에 무관한 측정이 가능하다.
- 여기에는 크게 하드웨어인 3D 스캐너와 소프트웨어인 데이터처리 프로그램이 필요하다. 이 연구에 사용된 3D 스캐너는 Leica사의 HDS-3000 Scanstation이다. 이 스캐너는 Tim-of-Flight(TOF) 방식의 비접촉식으로 1초에 약 4,000회의 레이저를 발사하여 짧은 시간 동안 물체 표면 전체에 레이저를 발사할 수 있고, 대상의 형상을 3차원 데이터로 얻어낼 수 있는 특징이 있다.
- 이 연구에 사용된 데이터처리 소프트웨어는 크게 작업 순서에 따라 Cyclone 5.6(Cyclone scan, Register, Model, CloudWorx Software), Geomagic Studio 8.0, AutoCAD 2007로 구분할 수 있다. 이처럼 다양한 프로그램이 사용된 것은 단일 프로그램만으로 완벽한 3차원 형상을 재현하기에는 미흡하기 때문이다.
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