[스크랩] 무에서 유를 창조하는 디지털 복원의 기술과 과정

무에서 유를 창조하는 디지털 복원의 기술과 과정

문화재 복원을 위해선 역사적 고증 등 인문학적 기술만 필요한 것이 아니다. 최근 측정·진단 분야에서 IT의 영향력은 점점 더 커지고 있다. 숭례문 소실로 디지털 복원 기술에 대한 관심이 높아지면서 관련 학계는 문화재의 측정·진단·복원·활용에 필요한 지능형 첨단 기술 등 관련 기술을 개발하는 데 주력하고 있다. 특집 2부에서는 디지털 복원의 기초가 되는 3D 광학 스캔과 스캔 데이터를 어떻게 디지털로 복원하는지 그 과정을 설명한다.

3D 광학 스캔 자체의 작업 공정보다는 스캔 데이터를 어떻게 활용하여 디지털로 복원하는지에 대해 불완전하게 남아있는 문화유산의 디지털 복원과 현존하지 않는 문화유산의 디지털 복원에 대한 사례 등두 가지 형태로 알아본다.

현존하는 상태가 어떤가에 따라 디지털 복원의 과정도 상이한데, 불완전하게 남아있는 문화유산의 경우 실측조사보고서를 바탕으로 디지털 복원 과정을 진행한다. 현재 남아있지 않은 문화유산의 경우에는, 고증과 고문헌을 통해 디지털 복원을 하게 된다. 그 과정을 정리하면 다음의 그림으로 나타낼 수 있다.

■ 사례를 통해 본 디지털 복원 기술
사례 1：안동 신세동 7층 전탑 복원(훼손된 문화유산)

안동 신세동 7층 전탑

우리가 물려받은 문화유산은 가능한 훼손되지 않도록 잘 보존해야 한다. 하지만 현실적으로 문화유산을 완전하게 보존하는 것은 거의 불가능하다. 그 이유는 시간의 흐름에 따른 자연적 훼손 또는 전쟁 , 화재와 같은 인위적 훼손 등에 의해 원형을 잃게 되는 경우가 비일비재하기 때문이다.

이러한 훼손에 대비하고 원형의 모습을 살려보고자 하는 노력의 일환으로 디지털 복원이 시작되었는데, 디지털 복원 작업을 하기 위해서는 현재 남아있는 문화유산의 3D 데이터를 얻어내는 것이 우선이다. 3D 데이터를 얻는 가장 대표 적인 방식은 3차원 광학 스캐너를 이용한 방법으로, 수초 내에 스캐닝 방향에서 보이는 면에 해당하는 3 차원 좌표 값을 정확하게 얻을 수 있다.

우리나라에서는 다행히 문화재청 또는 지방자치단체에서 3차원 광학 스캐너를 이용해 우리의 소중한 문화유산에 대해 ‘정밀사진실측 및 보수복원방안 조사보고서(이하 실측조사보고서)’를 작성하고 있다. 그러므로 디지털 복원을 해야 하는 대상물이 실측조사보고서가 없는 경우에는 대상물의 3D 데이터를 측정 하는 과정부터 실시해야 하지만, 실측조사보고서가 존재하는 경우 실측조사 시 측정한 3D 데이터를 활용하는 것이 시간과 비용을 절약할 수 있는 가장 좋은 방법이다.

여기서 살펴볼 디지털 복원의 사례인 경상북도 안동에 소재하고 있는 국보 16호「안동 신세동 7층 전탑」의 경우도, 안동시에서 2003년 3D 스캐너를 활용해 실측 조사를 하여 실측조사보고서가 존재하여 이를 활용하여 디지털로 복원됐다. 여기서 잠깐, 디지털 복원을 위한 초기 단계이면서 가장 중요한 단계라고 할 수 있는 3차원 광학 스캐너를 이용한 데이터 추출 작업을 살펴보자.

일반적으로 3차원 광학 스캐너를 이용해 대상 물체를 스캐닝하게 되면, 스캐닝 방향에서 보이는 면에 대한 3차원 점(Point) 데이터가 구름의 형태로 수없이 많이 획득 된다.이들 점과 점 사이의 간격은 시스템마다 차이가 있으며, 고가의 스캐너는 10um 까지 촘촘하게 스캐닝하는 것이 가능하다.

따라서 스캐닝한 형상 정보 데이터는 유물의 디지털화를 위한 기반 데이터로 직접적으로 활용하는 것이 가능하다. 3차원 스캐닝 작업을 통해 완전한 3차원 형상을 모두 획득하려면, 물체를 돌아가면서 보이는 모든 면을 스캐닝 해야 한다. 이들을 하나의 모델로 정합하여 합치는 작업은 결코 쉽지 않다. 따라서 스캐닝 공정에서 획득한 이러한 형상 정보를 효과적으로 후처리하여 또 다른 애플리케이션(down-streamapplication)에서 사용할 수 있도록 데이터를 가공할 수 있는 기술이 필요하다.

이러한 3차원 광학 스캐너는 크게 접촉식과 비접촉식으로 구별할 수 있는데, 석탑이나 건축물, 성곽과 같이 크기가 큰 경우와 측정 과정에서 훼손의 우려가 있는 유물의 경우에는 비접촉식 방식으로 측정한다.

비접촉식 방식은 측정 광원에 따라 레이저 ,모아레 광학계, CCD 카메라 방식으로 분류하며, 레이저 혹은 광학 방법을 적용한 비접촉 3차원 측정기의 측정 원리는 대상물에 발사된 레이저 빔이 반사되어오는 시간을 계산하거나(Time of Flight), 장비 내의 광전(光電) 소자에 맺힌 반사 빔의 위치를 역산하여 (TriangulationMethod) 대상물의 3차원 수치 데이터를 생성하는 방법 등이 있다.

이러한 원리를 응용한 장비는 세계적으로 수십 종류가 있으므로, 측정 대상물의 크기와 해상도 또는 주변 작업 환경을 고려하여 최적의 측정 시스템을 적용해야 한다.「안동 신세동 7층 전탑」의 정밀 실측에는, 건축물의 실측에 있어 가장 높은 정밀도를 보장할 수 있는 비접촉 3차원 레이저 스캐닝 방식을 적용했다.

비접촉 3차원 레이저 스캐너는 인체 및 측정 대상물에는 어떠한 영향도 미치지 않는 수준인 Class I, II, III 계열의 레이저를 사용하며, 대상물에 레이저 빔을 투사하여 사용자가 지정한 정밀도로 3차원 좌표 값 을 측정한다.「안동 신세동 7층 전탑」의 정밀 실측에 적용된 장비는, 미국 Cyra사의 Cyrax－2500 모델 이며, 주요 제원은 다음과 같다.

3D 광학 스캐너로 측정된데이터는 수많은 점으로 모여진점군 데이터(Point Clouds) 로, 최종 결과물을 만들기 위한 기초 데이터로 활용된다.이 데이터들은 적절한 모델링 프로그램을 활용하여 후처리를 통해 완전한 3차원 데이터로 변환된다. 이번 디지털 복원 과정에서는, 모델링 프로그램으로 3DS 맥스를 사용 했다. 
 

첨탑까지 복원된 화면	3D 스캐너로 측정항 점군 데이터

오토캐드에서 데이터를 정리한 화면	3DS 맥스를 이용한 모델링 화면

그런데 이와 같이 실측조사보고서가 있거나 보고서가 없더라도 3D 광학 스캐너를 활용하여 3D 데이터 를 얻을 수 있는 경우는 그나마 디지털 복원 과정이 원활하게 진행될 수 있지만,가령 현재전혀 존재하지 않는대상물은 어떤 과정으로 복원이 가능할까.

사례 2：안동읍성 복원(사라진 것과 사라지지 않은 문화유산의 집합체)
2005 년 시작된 사이버 안동읍성을 재현하는 프로젝트는 물리적으로는 절대 불가능한 일제 강점기와 근 현대화 과정에서 사라져 버린 안동의 시내를 200 년 전 거대한 읍성이 존재했던 조선시대로 되돌리는 새로운 형태의 디지털 복원 사업이다. 흔적도 찾아볼 수 없는 안동읍성을 과연 어떻게 디지털 복원해야 하는가?

① 자료 채취
우선 안동읍성과 관련된 고문헌과 고지도, 일제 강점기에 촬영된 안동의 사진 자료들을 전부 채취하는 작 업을 했다. 

여지도서	안동읍도

② 가상공간에서의 건물 제작
사이버 안동 읍성과 같이 현존하지 않는 건축물을 모델링하는 경우, 유사한 건축물의 도면을 바탕으로 형상화한다. 가상공간에서 정확한 건축물의 재현을 위해서는 다음과 같은 건축도면이 반드시 필요하다. 
 

3DS 맥스를 이용한 모델링	건축물의 입면도 그림

일반적으로 설계도면이 존재하는 건축물은 AutoCAD 등의 CAD 프로그램을 사용하여 정확한 모델링 데이터를 만들 수 있으나, 사이버 안동읍성의 경우 설계도면이 존재하지 않으므로 현존하는 200년 전 건축물 설계도면을 참고하고, 또 각 건축물의 기능이나 양식에 따라 3DS 맥스에서 그림과 같이 입면도, 단면도, 정면도등의 실측 도면을 바탕에 두고 모델링을 한다. 그림과 같이 모델링이 완료되면 사실감을 높이기 위해 건축물의 질감을 부여하는 작업을 수행하는데, 이러한 일련의 작업 과정을 매핑(Mapping)이라 한다.
 

건축물의 단면도 그림	건축물의 정면도 그림

독자들도 잘 알듯이 매핑이란 모델링이란 과정을 통해 3차원 공간에서 형상화한 모델링 데이터에 비트맵 이미지를 입히고 재질감을 살려 사실 감을 부여하는 과정으로, 마치 건축물 벽체에 타 일 또는 벽지를 바르는 과정과 유사하다고 할 수 있다. 일반적으로 매핑에 사용하는 비트맵 이미지 는 건축물이 현존하는 경우 직접 해당 부분을 촬영하여 사용하지만, 건축물이 기록으로만 남아있는 경우에는 유사한 건축물을 촬영한 후 최대한 실제 건축물과 유사하게 만들고 질감까지 살려내서 제작한다.

매핑이라고 하면 비트맵 이미지를 이용해 모델링된 물체의 표면에 무늬를 입히는 것으로만 생각하기 쉬운데, 그 뿐만이 아 니라 여러 외부 요인에 대한 변수들을 조절하여 최적의 재질감을 부여하는 과정이라고 볼 수 있다. 따라서 사실적인 표현을 위해서는 상세한 모델링도 중요하지만, 매핑을 잘 활용하면 훨씬 양질의 결과물을 추출할 수 있다. 어떠한 매핑을 할 것인가가 정해지면 그에 맞는 모델링 방법을 택하고, 그에 따라 모델링의 많은 공정을 생략할 수도 있기 때문이다.

매핑 환경 설정	매핑에 필요한 비트맵 이미지

③ 가상공간에서의자연물 제작
대상물 1개를 대상으로 하는 일반적인 디지털 복원과는 달리 사이버 안동읍성 프로젝트는 지형, 건축물 그리고 자연물을 포함하는 광범위한 복원 작업이다. 물론 자연물이야 과거의 원형이라 할 것이 따로 없기 때문에 그 자체만 보아서는 디지털 복원이라 할 수 없지만, 200년 전 안동읍성을 사이버상에서 복원한다는 의미에서 본다면 거기에 포함되는 자연물도 분명히 디지털 복원의 대상이다.

지형도

·지형 제작 : 지형은 200년 전이나 지금이나 크게 다를 것이 없다. 물론 개발로 인해 부분적으로 변화가 있겠지만, 큰 범위에서의 지형 변화는 그리 크지 않을 것 이라는 판단을 하고 1/50,000 지형도를 입수하여 편집 작업 및 등고선을 추출하고 개발하여야 할 영역을 설정하는 작업을 진행한다.

지형도에서 등고선을 2D Spline으로 추출한다. 아직까지는 높이 값과 면 이 없는 평면상의 선 데이터지만, 정확한 3차원 지형 데이터를 얻기 위해서는 3DS 맥스에서 높이 값과 선과 선을 연결하여 면을 만드는 작업을 수행해야 한다 .그리고 매핑 등의 작업을 원활하게 수행하기 위해 지형을 분할하여 도로, 하천, 제방, 주요 시설물 설치 영역 구분 등 세부적인 지형 작업을 수행한다.

좀 더 정확한 지형 제작을 위해서는 인공위성 데이터(DTED)를 사용하면 된다. 인공위성이 추출한 지형 데이터(위치 및 높이 정보)를 3D 폴리곤으로 변환하여 사용하는 방법으로, 그 정확도가 실제 지형과 같다. 메시 그리드의 간격(포인트와 포인트 사이)은 30m, 5m, 1m 등이 있다.

지형도에서 2D Spline 추출

·수목 제작 : 과거의 안동읍성을 복원하는 프로젝트에서 자연물은 3DScene 를 구성함에 있어 꼭 필요한 요소로, 나무 등을 있는 그대로 표현할 경우 용량이 방대하여 작업이 불가능하다 .따라서 대부분의 Scene 구성에 사용 되는 배경 오브젝트인 Tree 나 Plant 는 모델링에 의존하기 보다는 투명도 매핑(Opacity Mapping) 을 사용하여 현실감 있는 모델을 제작한다.

④ 가상공간 구성하기
건축물 및 지형 등의 모델링과 매핑이 완료되었다면, 이제 200년 전 안동읍성을 사이버상에서 복원하기 위해 동헌(고을 수령이 생활하는 공공건물),  기와집, 초가집 및 수목 데이터를 처음 단계에서 준비한 안동 읍성이나 여지도서를 참고해 지형 위에 적절히 배치하고, 영상물을 만들기 위해 3DS 맥스 안에서 카메라 와 조명을 세팅한다. 그런 다음 애니메이션 경로를 설정하고 렌더링을 수행하면, 디지털 기술로 복원된 200년 전 안동읍성의 모습을 볼 수 있게 되는 것이다. 
 

높이 값이 있는 3D 지형 제작	세부적인 지형 작업

·프리뷰 제작 : 최종 렌더링에 사용될 오브젝트의 크기와 유사한 박스 또는 적은 용량의 오브젝트를 같은 위치에 배치하여 작업 파일 용량을 가볍게 함으로써, 카메라 테스트와 Scene 수정 작업을 신속하게 진행할 수 있다.

·애니메이션 렌더링 : 렌더링은 영상 제작에 있어 마지막 단계로, 테스트 렌더링을 여러 차례 시행하여 예상치 못했던 오류를 수정했다면 무난히 마무리할 수 있는 최종 작업이다. 
 

데이터를 최소화하여 나무 제작	Opacity Mapping을 통한 나무 제작

·Network 렌더링：여러 대의 컴퓨터가 있을 경우, 네트워크로 연결하여 렌더링하면 빠르게 렌더링 할 수있다.

·전문 렌더러를 사용한 고품질의 렌더링：3DS 맥스 자체의 Scan-line 렌더러 외에도, V-ray 나 Maxwell 렌더러 등을 사용하면 보다 좋은 품질의 영상을 얻을 수 있다.

·안동읍성 복원 시 사용 프로그램

·안동읍성 복원 결과물 활용

사이버 안동읍성 초기 화면	현재의 안동 모습과 비교

CG 등 디지털 기술을 활용하여 복원된 안동 읍성은 유교 포털사이트인 유교넷(www.ugyo.net)과 안동의 전통문화콘텐츠박물관에서 누구나 자유롭게  관람할 수 있다. 200년 전 안동 읍성의 기능과 읍성 내부의 주요 공간들을 구분하여 관람이 가능하고, 현재 안동의 지도와 복원된 안동 읍성을 상호 비교하여 볼 수 있도록 구성되어있다. 이러한 디지털 복원을 통해 제작된 콘텐츠는, 조선시대 읍성의 주요 기능과 그 구성요소를 흥미롭게 알 수 있는 좋은 교육 자료이다.
 

Scene 구성	테스트 화면(단, 렌더링 시간이 오래 걸리는 것이 단점이다.)

사례 3：태백산사고 복원(사라져버린 문화유산)

디지털 복원된 동헌의 동영상

사라진 문화유산의 디지털 복원 사례로는, 현재 터만 남아있는 태백산사고가 있다. CG를 활용한 복원 과정은 사이버 안동읍성과 유사한 과정을 거치므로 생략하고, 현재 터만 남아있는 태백산사고를 어떤 자료를 참고하여 복원 했는지와 복원 결과물에 대해 간략히 살펴보자.

·태백산사고 유례 및 자료 수집 : 태백산사고는 1605년(선조 38년) 10월 경상 감사 유영순이 태백산 아래 각화사가 사고지로서 적당함을 보고하자, 조정에서 이를 받아들여 공사에 착수하였다. 다음해 4월 사고건축을 완성하고, 5 월 중 좋은 날에 새로 찍어낸 실록 1질을 봉안하여 1913년까지 약 300년간 사고의 기능을 수행하였다.

사고의 수호 사찰은 각화사였고, 따라서 관리 책임도 각화사 주지가 맡았다. 각화사의 수호군은 25명이 있었다고 하나, 시기와 자료에 따라 차이가 많다. 이 속에 보관되어 오던「조선왕조실록」은 848책이다. 1910년 일본의 침략으로 나라의 주권을 강제로 빼앗긴 후, 조선총독부로 옮겨 보관하다 1930 년 경성제국대학(현, 서울대학교)에 다시 옮겨졌으며, 그 뒤 부산의 정부 기록보존소에 옮겨져 보존되고 있다.

이 사고건물은 「조선왕조실록」이 옮겨진 뒤 그대로 방치 상태로 있었다. 일설에는 우리 의병과 싸우던 일본군에 의해 불태워졌다고 한다. 태백산 지역에서 활동하던 변학기, 성익현, 김상태 등이 인솔하는 우리 의병이 각화사 와 태백산사고에서 은신하던 중 일본 수비대의 정보망에 탐지되어 이곳에서 결전을 벌였다는 것이다.

안동전통박물관의 사이버 안동읍성

「조선고적도본(朝鮮古蹟圖本)」에 수록된 사진을 보면, 사고는 경상도 봉화군 춘양면 석현리의 각화산(태백산의 줄기)고봉의 양언덕 사이에 위치 하였으며, 서쪽에서부터 실록각, 선원보각, 포쇄각, 근천관 순으로 건물이 배열되었다. 방삼칸 중층으로 된 실록각과 선원보각 둘레에는 담장을 쌓고, 그 동쪽으로 대문 을 달았던 것을 알 수 있다.

·사고건축물에 대한 분석 : 사고건축은 서책을 보관한다는 특수 기능 외에 , 각종 재난으로부터 보호하기 위해 산 속에 세워지면서 독특한 건축 형태로 발전하게 되었다. 서적을 보관하는데 특히 주의를 기울여야 하는 것은 습기와 화재일 것이다. 사고건축은 이러한 점들이 고려됨과 동시에 왕실의 존엄을 상징하는 위엄을 갖춰 완성되었으며, 여기서 조선시대 사고건축이 독특한 양식으로 전개되기에 이른다.

사고건물의 배치에서 우선 그 지형을 살펴보면, 기존의 사고들이 모두가 산간의 경사진 곳을 찾아 대지 로 삼았음을 알 수 있다. 또한 공통된 점은 사고의 주변에 사찰이 있다는 점이다. 자연적인 재난이나 인위 적인 도난에서 벗어날 수 있도록 배려한 것이다.

「조선고적도본」의 태백산 사고

실록각과 선원각은 하나의 울타리 안에 두는 것이 일반적인 것으로, 주위에 토담을 타원형으로 둘러싸고 하나 또는 두 개의 출입문을 두었다. 그리고 실록간과 선원각을 전후나 좌우로 일렬로 배치하는 것이 공통적으로 나타나며, 출입구는 실록각과 문을 하나의 축에 맞추었음을 발견할 수 있다.

건물 유형은 크게 중층건물, 누각건물, 일반건물 세 종류로 나뉠 수 있다. 중층건물이란 건물 구조가 상하 2층으로 따로따로 설치되어 있는 것으로, 태백산사고와 오대산사고가 이에 해당한다. 이 때 아래층은 벽 을 두지 않고 모두 개방하는 것이 보통이나, 필요에 따라 판벽으로 벽을 설치하기도 한다.
 

디지털 복원 과정의 와이어프레임	디지털 복원된 태백산 사고

두 번째 유형인 누각건물은 한국 건축의 불교 사찰에서 흔히 보이는 누문과 비슷한 건축 형태이나, 아래층은 개방하고 위층은 벽으로 막아 서고로 이용한 것으로 적상산사고가 여기에 속한다.

세 번째 유형인일반건물은 강화 사고를 가리키는데, 단층의 구조에 벽체의 아래쪽을 화방벽으로 쌓은 것이 특징이다. 세 가지 유형 가운데 사고건축으로써의 특색을 가장 잘 보여주는 것은 중층건물 형식으로, 그 외관이 매우 독특하다. 현재 남아있는 사진과 사고 건축물의 일반적인 형태 분석을 통해 디지털 복원된 태백산사고 역시 유교넷에서 확인할 수 있다.

더 보기 http://www.ebuzz.co.kr/content/buzz_view.html?ps_ccid=49110#ixzz1Cgh0bg8b

출처 : 황세옥의 전통건축이야기

글쓴이 : 황세옥 원글보기

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