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문제 정의
- 이러한 점군 데이터의 후처리 방법에 대에서는 이미 다수의 연구가 진행되었으며12,13, 특히 광대역 스캐닝 데이터의 후처리 과정은 조영훈과 이찬희(2009)에 의해 상세히 보고된 바 있다. 따라서 이 연구에서는 광대역 데이터의 후처리 과정에 대한 내용은 생략하고, 정밀 스캐닝 데이터의 후처리 과정에 대해서만 설명하겠다.
제안 방법
- 1. 해운대 석각의 디지털복원은 광대역 및 정밀 스캐너를 이용하여 점군 데이터를 획득한 다음 정합, 병합, 필터링, 폴리곤 메쉬, 도면화 작업 순으로 진행하였다. 특히 정밀 스캐닝 폴리곤은 광대역 폴리곤에 비해 글자의 필획, 음각깊이 및 선명도 등이 매우 뛰어났다.
- 먼저 앞에서 완성한 석각의 3차원 폴리곤 모델에서 각 글자의 폴리곤 모델을 별도로 분리하였다. 그런 다음 기준 축이 될 표면을 X, Y, Z축 중 한 개의 축에 평행하게 일치시키고, 프로그램 상의 등고선 기능을 이용하여 각 글자별로 맵핑하였다. 이때 맵핑은 기준축에 평행한 최고점과 최저점을 기준으로 자동으로 시행되기 때문에 폴리곤 모델의 형태와 노이즈에 영향을 받을 수 있다.
- 따라서 이 연구에서는 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 이용하여 부산 해운대 석각의 디지털복원 및 정밀 실측도면을 완성하였다. 또한 석각에 음각되어 있는 글자에 대해 표면심도 모델링을 실시하여 2차원적인 도면에 3차원 수치정보를 표현하였다.
- 따라서 이 연구에서는 이러한 두 가지 방식 스캐너를 동시에 활용하여 해운대 석각의 디지털복원을 수행하였다. 먼저 주행시간방식의 광대역스캐너(Leica; HDS-3000 Scanstation)는 석각의 전체적인 외형을 복원하는데 이용하였고, 광삼각법의 정밀스캐너(Konica Minolta; Vivid 910과 9i)는 석각의 글자와 같이 미세한 형태를 복원하는데 사용하였다.
- 따라서 이 연구에서는 인위적으로 기준점을 지정하고 깊이 스케일을 조절하였다. 즉, 석각 표면으로부터 글자가 음각되기 시작하는 지점을 최고점으로 지정하고, 글자가 가장 깊게 새겨진 지점을 최저점으로 선정하였다.
- 그러나 해운대 석각과 같이 글자의 세부형태가 음각되어 있는 석조문화유산은 이러한 2차원적인 자료들을 통해 표면심도와 형태를 파악할 수 없다. 따라서 이 연구에서는 표면심도 모델링을 실시하여 2차원적인 도면에 깊이에 대한 3차원 수치정보를 표현하였고, 이를 다시 1차원적인 단면선으로 추출하여 음각형태에 대한 도면화를 수행하였다. 전체적인 모델링 과정은 다음과 같다(Figure 5).
- 먼저 Figure 3A를 보면 정밀스캐너의 점군 데이터는 스캐너의 원점을 기준으로 좌표값이 형성되기 때문에 각 쉘(shell)마다 중첩된 형태로 표시되는 것을 알 수 있다. 따라서 이를 정합하기 위해 두 개의 쉘을 선택하고 세 점 이상의 공통지점을 찾아 좌표상의 위치를 정렬하였다(Figure 3B). 이때 최적의 정합을 위해 평면보다 구멍이나 곡률이 있는 지점을 선정하였으며, 자동정합 기능을 사용하여 각 쉘 간의 오차를 최소화하였다(Figure 3C).
- 따라서 이 연구에서는 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 이용하여 부산 해운대 석각의 디지털복원 및 정밀 실측도면을 완성하였다. 또한 석각에 음각되어 있는 글자에 대해 표면심도 모델링을 실시하여 2차원적인 도면에 3차원 수치정보를 표현하였다. 이 결과는 석각의 제작기법을 파악하고 보존상태에 대한 변화과정을 비교분석할 수 있는 중요한 자료가 될 것이다.
- 따라서 이 연구에서는 이러한 두 가지 방식 스캐너를 동시에 활용하여 해운대 석각의 디지털복원을 수행하였다. 먼저 주행시간방식의 광대역스캐너(Leica; HDS-3000 Scanstation)는 석각의 전체적인 외형을 복원하는데 이용하였고, 광삼각법의 정밀스캐너(Konica Minolta; Vivid 910과 9i)는 석각의 글자와 같이 미세한 형태를 복원하는데 사용하였다. 각 기기의 제원은 Table 1과 같다.
- 따라서 이를 정합하기 위해 두 개의 쉘을 선택하고 세 점 이상의 공통지점을 찾아 좌표상의 위치를 정렬하였다(Figure 3B). 이때 최적의 정합을 위해 평면보다 구멍이나 곡률이 있는 지점을 선정하였으며, 자동정합 기능을 사용하여 각 쉘 간의 오차를 최소화하였다(Figure 3C). Figure 3D를 보면, 중첩영역의 정합 오차는 0.
- 즉, 석각 표면으로부터 글자가 음각되기 시작하는 지점을 최고점으로 지정하고, 글자가 가장 깊게 새겨진 지점을 최저점으로 선정하였다. 이와 같이 최저 및 최고점 지정이 완료되면 기준점을 중심으로 다시 등고선도를 작성하고, 이를 폴리곤과 병합하여 최종 모델링을 완료하였다.
- 석각이 존재하는 암반 전체의 디지털복원뿐만 아니라 각 글자의 미세 형상과 음각깊이를 그대로 재현해야하기 때문이다. 이중 광대역 스캐너(주간)는 가로 4㎜, 세로 6㎜의 밀도로 석각의 전체적인 전경을(Figure 2A), 정밀 스캐너(야간)는 0.008㎜의 간격으로 글자의 세부형태를 스캐닝 하였다(Figure 2B). 이처럼 광대역 및 정밀 스캐너를 동시에 활용하는 것은 소요시간이 긴 단점이 있지만 정밀도를 높여 데이터의 왜곡을 막을 수 있는 장점이 있다.
- 따라서 이 연구에서는 인위적으로 기준점을 지정하고 깊이 스케일을 조절하였다. 즉, 석각 표면으로부터 글자가 음각되기 시작하는 지점을 최고점으로 지정하고, 글자가 가장 깊게 새겨진 지점을 최저점으로 선정하였다. 이와 같이 최저 및 최고점 지정이 완료되면 기준점을 중심으로 다시 등고선도를 작성하고, 이를 폴리곤과 병합하여 최종 모델링을 완료하였다.
- 해운대 석각의 표면심도 모델링은 각 글자별로 비교적 원형이 잘 남아있는 9지점을 대상으로 실시하였으며, 표면심도에 대한 정량적 수치데이터는 글자의 단면선을 기준으로 산출하였다. 먼저 각 글자의 표면심도 모델링 결과를 살펴보면 사진과 폴리곤 이미지에 비해 글자의 상대적 음각깊이와 윤곽이 매우 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있다.
대상 데이터
- 한편 이 연구에 사용된 데이터처리 소프트웨어는 크게 Cyclone, Geomagic Studio, RapidForm 및 AutoCAD이다. 이중 Cyclone은 광대역 스캐너를 제어하고 점군 데이터(point cloud)를 정합 및 병합하는 프로그램이고, Geomagic Studio는 Cyclone에서 처리된 병합 모델을 폴리곤 모델로 변환하는 프로그램이다.
- 해운대 석각의 3차원 레이저 스캐닝은 일반 건축물이나 발굴현장에서 주로 사용되는 광대역 스캐너와 소형 제품과 유물 등에 적용되는 정밀 스캐너를 함께 사용하였다. 석각이 존재하는 암반 전체의 디지털복원뿐만 아니라 각 글자의 미세 형상과 음각깊이를 그대로 재현해야하기 때문이다.
이론/모형
- 이 연구에서는 정밀스캐너로 획득한 점군 데이터가 충분하고 정합상태가 매우 양호하여 Surfac Merge 방식을 이용하여 최종 폴리곤 메쉬 모델을 완성하였다. 완성된 해운대 석각의 정밀 스캐닝 폴리곤을 살펴보면 광대역 스캐닝 폴리곤에 비해 글자의 필획, 음각깊이 및 선명도 등이 매우 뛰어난 것을 알 수 있다(Figure 3E, 3F).
성능/효과
- 2. 디지털복원 결과, 해운대 석각은 가로 2,196㎜, 세로 2,557㎜ 크기의 암반에 ‘海雲䑓’ 라는 글자가 종서방향으로 음각되어 있으며, ‘雲’자와 ‘䑓’자는 ‘海’자를 기준으로 약 19° 정도 기울어져 있다.
- 3차원 디지털복원 결과를 이용하여 각 글자의 물리적 손상도를 정량적으로 평가한 결과, ‘海’자는 42.0%, ‘雲’자는 48.2%, ‘䑓’자는 25.2%가 원형에 비해 손상이 발생한 것으로 나타났다.
- 4. 각 글자의 음각깊이를 산출한 결과, ‘海’ 자는 7~14㎜ 사이의 범위를 보이면서 평균 10㎜로 산출되었고, ‘雲’ 자는 최소 5㎜부터 최대 14㎜로 평균 9㎜의 음각깊이를 보였다.
- 5. 광대역 및 정밀 스캐닝을 병합한 디지털복원 기술을 통해 석각의 전체 형태와 미세형상을 신속하고 정확하게 복원하였고, 표면심도 모델링은 육안과 사진으로 불분명했던 부분을 가시적으로 표현해주었다. 앞으로 정기적인 모니터링과 스캐닝을 통해 석각의 자연적 및 인위적 손상과 시간에 따른 주변 환경 변화를 수치적으로 분석할 수 있을 것으로 기대된다.
- 해운대 석각의 표면심도 모델링은 각 글자별로 비교적 원형이 잘 남아있는 9지점을 대상으로 실시하였으며, 표면심도에 대한 정량적 수치데이터는 글자의 단면선을 기준으로 산출하였다. 먼저 각 글자의 표면심도 모델링 결과를 살펴보면 사진과 폴리곤 이미지에 비해 글자의 상대적 음각깊이와 윤곽이 매우 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있다. 특히 이 모델링 결과를 통해 글자의 물리적 손상 부위도 확연히 구분되었다(Figure 6).
- 표면심도 모델링은 글자의 음각깊이와 같은 3차원 수치 정보를 2차원적인 도면에 표현하는 응용기술로서 각 글자의 폴리곤을 분리한 다음 기준축을 설정하고, 최저 및 최고점을 중심으로 등고선도를 맵핑하여 완성하였다. 특히 심도 모델링 결과는 사진과 폴리곤 이미지에 비해 글자의 상대적 음각깊이와 윤곽이 매우 뚜렷하게 나타났다.
- 해운대 석각의 디지털복원은 광대역 및 정밀 스캐너를 이용하여 점군 데이터를 획득한 다음 정합, 병합, 필터링, 폴리곤 메쉬, 도면화 작업 순으로 진행하였다. 특히 정밀 스캐닝 폴리곤은 광대역 폴리곤에 비해 글자의 필획, 음각깊이 및 선명도 등이 매우 뛰어났다.
- 표면심도 모델링 및 단면선 작성을 통해 각 글자별 음각 깊이를 정량적으로 산출한 결과, ‘海’ 자는 7~14㎜ 사이의 범위를 보이면서 평균 10㎜로 산출되었다.
후속연구
- 광대역 및 정밀 스캐닝을 병합한 디지털복원 기술을 통해 석각의 전체 형태와 미세형상을 신속하고 정확하게 복원하였고, 표면심도 모델링은 육안과 사진으로 불분명했던 부분을 가시적으로 표현해주었다. 앞으로 정기적인 모니터링과 스캐닝을 통해 석각의 자연적 및 인위적 손상과 시간에 따른 주변 환경 변화를 수치적으로 분석할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이와 같은 표면심도 모델링은 해운대 석각의 현재 상태를 정밀 디지털 데이터로 변환하여 제작 기법을 파악하는데 매우 유용하였다. 앞으로 정기적인 스캐닝을 통해 손상정도를 비교할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 석각에 음각되어 있는 글자에 대해 표면심도 모델링을 실시하여 2차원적인 도면에 3차원 수치정보를 표현하였다. 이 결과는 석각의 제작기법을 파악하고 보존상태에 대한 변화과정을 비교분석할 수 있는 중요한 자료가 될 것이다.
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