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문화재의 3D 스캔 데이터 획득 기술 방식을 결정할 때는 대상 문화재의 크기, 형태의 복잡성, 재질, 광택, 표면색에 따라 달리 정할 수 있다.

문화재청의 문화유산 3D 스캔 데이터 구축 가이드라인(Guideline)에서는 소형유물의 3D 스캔 방식으로 점 또는 선, 패턴 타입의 적외선, 가시광선, 레이저, 초음파 등을 조사하여 그 반사파를 하나 또는 다수의 센서로 계측하여 스캔을 수행하는 삼각측량방식을 제안하고 있다[2]. 이는 가상 전시를 위한 활용보다는 원형 보존과 복원에 필요한 원천 데이터를 구축하는 목적이 있다.

반면 사진측량(Photogrammetry) 방식은 적은 예산으로 고품질의 데이터 구축이 가능하다는 장점에도 불구하고 메시(Mesh) 모델의 품질이 높지 않아 정밀기록에 부적합하다는 점과 음영 구역을 최소화하여 데이터의 정확도를 확보하기 위해서 높은 기술 숙련도가 필요하다는 단점으로 문화재청의 가이드라인에 포함되지 않고 있다[3].

최근 진행되고 있는 문화재 원형 DB 구축 사업은 문화재 훼손 위험성이 낮은 비접촉식의 광대역 3D 스캔 및 정밀 3D 스캔 기술을 사용하고 있다. 문화재 디지털 3D 객체 데이터를 확보하려는 기존 3D 스캔 방식들은 원형에 대한 정밀실측을 통한 정확한 기록구축을 원칙으로 하고 있어 문화재의 텍스처와 데이터의 사용 목적 고려한 3D 스캔 데이터의 획득 방식에 대한 연구는 부족한 실정이다.

3D 스캔을 통해 획득한 데이터는 노이즈 제거 작업을 거친 후 좌표값을 일치시키는 정합과 병합을 한다. 필요에 따라 데이터의 질감과 색감을 보정하는 텍스처 맵핑(Texture mapping) 작업을 거쳐 3D 객체 데이터를 생산한다.

1차 3D 스캔작업에서 단시간에 다수의 문화재에 대하여 데이터 획득 작업을 진행해야 한다는 특성상 문화재청의 가이드라인에서 제시한 3D 스캔방식 중 신속성과 휴대성이 장점인 그림 1과 같은 핸드헬드(Hand-held) 방식으로 사용하였다. 스캔 장비는 아인스캔 H(1,200,000points/s LED)를 사용하였으며 스캔 시간은 유물당 약 20분~1시간 소요되었다.

Fig. 1. 
Hand-held 3D scanning

핸드헬드 방식으로 획득된 3D 스캔 데이터는 텍스처 데이터의 부정확성으로 인하여 추가적인 ‘혼합형 3D 모델링’ 작업이 필요하였다. 혼합형 3D 모델링은 스캔 이미지를 부재별로 분리하고, 볼류메트릭(Volumetric)을 통해 획득한 메시와 텍스처 데이터를 활용하여 보정 후 다시 결합하는 것을 말한다. 이는 시간과 비용 문제로 적용하는 사례가 거의 없었으나 문화재 원본에 가까운 텍스처의 세밀한 구현이 중요한 가상 전시를 위해 불가피하게 채택하게 되었으며, 작업시간은 개체당 4~6주 소요되었다. 혼합형 3D 모델링 결과는 그림 2의 의장용부월과 그림 3의 백자청화동화거북형주자 기술 구현 예시와 같다.

Fig. 2. 
Hybrid 3D model technology implementation case on ceremonial halberd

Fig. 3. 
Hybrid 3D model technology implementation case on white porcelain tortoise-shaped ewer paintd in underglaze cobalt blue and copper

독일의 라이프치히 그라시민속박물관의 촬영 장소 여건상 3D 스캔 작업 중 불필요한 빛의 간섭으로 문화재 고유의 색, 질감의 왜곡하는 현상이 발생하여 추가로 차단막을 설치하였다. 또한 문화재 전체 형상을 스캔하기 위한 각도를 변경 과정에서 미세한 위치변화는 정합 및 병합작업에서 데이터 오류가 발생하는 문제의 원인이 되었다. 특히 유동성이 있는 섬유 등의 장식물이 부착된 유물이나 투구와 같은 유물의 내부 촬영 시 그 문제점이 증대되었다. 또한, 유리 등 광반사율이 높은 재질의 난반사 문제가 확인되었다.

이에 따라 문화재의 형태와 재질적 특징을 왜곡하지 않고 자연스럽게 거치하는 설치 방법을 통해 위치 이동으로 인한 데이터 오류, 정확도 하락의 문제를 해결해야 할 필요성이 있었다. 그리고 문화재 재질이 금속, 옻칠로 된 경우 등에서 발생하는 빛의 난반사 문제, 어두운 색상에 따른 데이터 정확도의 하락, 소형 문화재에 대한 센서 및 이미지 초점 정확도 하락 문제 등도 개선이 요구되었다

소형 문화재에 대한 핸드헬드 방식의 3D 스캔 작업에서 발생하는 메시와 텍스처 값의 부정확성은 기존 연구에서 지적된 바 있다. 해외에 소재 되어 있는 문화재의 특성상, 제한된 촬영 조건과 짧은 기간에 다량의 데이터를 효과적으로 획득해야 한다. 왜냐하면 데이터 후처리 과정에서 문제점 발견 시 재촬영이 힘들다는 한계점이 있기 때문이다. 따라서, 2차 스캔 작업에서는 3D 객체 데이터를 효과적으로 확보하기 위해 다음과 같은 방안을 구상하여 실행하였다.

사진측량 방법을 적용한 그림 4의 문화재 3D 객체 데이터 제작 흐름도는 크게 촬영과 후처리 단계로 구성된다. 여기에서 사용된 사진측량은 동일한 대상을 다른 위치로부터 중첩되도록 촬영한 사진으로부터 특징점을 추출하거나 영상 전체 이미지를 비교하여 대상의 3차원 형상에 대한 기하학적 정보를 구성하는 방식이다[4]. 사진측량기술은 원천 자료인 사진의 품질에 따라 3D 객체 데이터의 품질이 크게 좌우되어 작업자의 경험 및 숙련도에 영향을 받는다는 단점이 있다. 하지만 3D 스캔 과정에서의 기술적 문제만 해결할 수 있으면 상당히 우수한 신뢰성을 가지는 3D 객체 데이터의 제작이 가능하다.

Fig. 4. 
Digitalization system of cultural assets (3D object data)

사진측량을 통한 홍성 신경리 마애여래입상에 대한 3D 스캔 결과 레이저 스캔과 비교하여 상당히 우수한 결과를 나타냄을 알 수 있었다[5]. 고고학 유적 및 건축물 뿐 아니라[6] 소형 문화재 경우에도 사진측량 방식은 우수한 텍스처 구현 능력과 짧은 작업시간을 나타내기도 하였다[7]. 기존의 항공촬영에 의한 광대역 사진측량 뿐만 아니라 무인항공기를 활용한 특정 대상물(수목)에 대한 사진측량도 우수한 신뢰성이 확인되어[8] 고정 설치된 유물에 대한 다양한 각도에서의 3D 스캔 작업 가능성을 확인하였다. 이러한 선행연구의 분석 결과, 해외 박물관에서 문화재의 복원 및 복구를 위한 정확한 수치데이터 확보가 아닌 단기간에 다량의 문화재 3D 스캔 데이터를 확보하여 가상 전시 서비스를 구현해야 하는 조건에서 사진측량기술은 충분한 신뢰성과 편의성이 있는 기술이라고 판단하였다.

촬영은 니콘(Nikon)사의 D850(4,500만 화소) 장비를 사용하였으며 유물을 360도 회전 턴테이블이나 거치대에 올려 다양한 각도에서 10~15분 이내에 400~500장의 사진을 자동 촬영하는 방법으로 데이터를 획득한다. 획득한 원천 데이터는 그림 5 사진측량기술을 사용한 문화재 3D 객체 생성 과정과 같이 현장에서 소프트웨어를 활용해 3D로 자동 구현하여 문화재 전문가와 함께 검수한다. 현장 검수에서도 색 보정, 사진 정렬 및 재구성을 통해 최종 결과물과 유사한 형태로 구현하는 것이 가능하다.

Fig. 5. 
3D-object making processing using photogrammetry technology (Reality capture Software)

획득한 3D 스캔 데이터는 소프트웨어(Reality capture)를 활용하여 복잡한 폴리곤 메시와 고해상도 텍스처를 제작한다. 복잡한 폴리곤 메시는 데이터 크기의 문제로 다양한 활용이 불가능하여 저해상도 폴리곤 메시로 간소화하는 작업이 필요하다. 지브러쉬(ZBrush) 소프트웨어를 사용하여 저해상도 메시를 제작하는 과정에서 리토폴로지(Retopologize) 및 UV레이아웃을 제작하고, 베이킹 툴을 사용하여 저해상도 메시에서 텍스처를 생성한다. 마지막으로 가상 전시에서 광원 렌더링에 의한 정확한 그림자 효과를 위하여 유니티(Unity)의 딜라이트 툴(Light removal tool)을 사용하여 텍스처의 빛을 제거한다.

이러한 후처리 과정에서는 유물 개체당 약 1일의 작업시간이 소요되었다.

서로 다른 방식의 3D 스캔 작업을 수행한 결과 사진측량 방식은 핸드헬드 방식과는 다르게 촬영 현장에서 3D 객체 데이터를 임시 구현하여 오류 발생 시 즉각 재촬영이 가능하다는 장점이 확인되었다. 이러한 장점은 즉각적인 촬영 방법의 변경(촬영각도 및 조명의 변화 등)으로 작업자의 경험과 숙련도 문제에 의한 데이터 신뢰도 하락의 문제를 일부분 보완할 수 있었다.

사진측량 방식은 핸드헬드와 비교하여 소형유물(10cm 미만)의 3D 스캔 작업에서도 대상물의 크기와 상관없이 균일한 품질의 3D 스캔 데이터 확보가 가능하였다.

또한, 유물의 위치가 완전히 고정된 상태에서 스캔을 실행해야 하는 핸드헬드 3D 스캔은 촬영 특성상 유물의 상·하부 촬영 시 유물의 위치 및 방향을 변경에서 발생하는 그림 6과 같은 기준점 오차 문제와 모피, 천 등 부드러운 재질의 데이터에 오류가 발생하였다. 반면 사진측량 방식은 목적물의 미세한 움직임이 3D 스캔 데이터 정확도에 미치는 영향을 무시할 수 있어서 턴테이블 사용 대신 그림 7과 같은 다양한 거치대를 활용하여 유물의 위치변경에 따른 기준점 오차 문제와 모피, 천 등 부드러운 재질의 3D 스캔 데이터 오류를 개선할 수 있었다.

Fig. 6. 
Fixed-point error and object material issue using Hand-held 3D scanning

Fig. 7. 
View of 3D Scanning Using a Standing (Julip)

사진측량 방식을 사용한 2차 스캔 작업은 1차와 비교하여 양질의 데이터를 확보할 수 있어서 후처리 작업의 시간은 대폭 감소하였다. 그리고 1차 3D 스캔 데이터는 총 21건 중 13건의 데이터를 사용할 수 없었던 것에 비하여 2차 3D 스캔 데이터는 전량 활용이 가능하였다. 따라서 그림 8의 2차 3D 모델링은 3D 객체데이터의 해상도와 비교했을 때 큰 차이가 없었다.

Fig. 8. 
Comparison between 3D Modelling(left) and 3D Object Data (right) in Case of Jade Fluttering Hairpin