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고만통 동굴의 고정밀 3D 모델을 완성한 과학자들

고만통 동굴의 고정밀 3D 모델을 완성한 과학자들

■서 문

말레이시아 동부 사바주에 있는 고만통 동굴은 6,500년의 역사를 자랑하는 석회암 동굴계로서 식용 둥지 흰집칼새와 박쥐를 비롯해 어둡고 습한 환경을 좋아하는 생물과 동식물의 서식지로 유명합니다. 그 혹독한 환경에도 불구하고 고만통 동굴은 여전히 조류 둥지 수집자나 생태 관광객들에게 큰 관심을 불러모으고 있습니다.

2014년 7월, 세계 각지에서 온 7명의 학자들이 유명한 고만통 동굴을 연구하기 위해 보르네오 섬 북동쪽 끝을 향한 원정에 나섰습니다. 세계 최대 비영리 과학교육기관 중 하나인 미국 지리학 협회(National Geographic Society)의 지원을 받아 진행하는 이번 프로젝트의 목표는 복잡한 동굴계의 고정밀 3D 레이저 스캔 데이터를 획득하여, 고만통 언덕 표면의 수치표고모델을 스캔 데이터와 통합하는 것이었습니다.

6개국에서 온 다양한 분야의 전문가들이 참여하는 본 연구는 동물과 지형의 변화 간에 생기는 상호작용을 이해하려는 관심에서 비롯되었으며, 고만통 동굴 및 사라왁의 니아 동굴 원정에 이은 연구이기도 합니다. 3D 측정 기술 분야에서 세계적으로 가장 신뢰받는 기업인 FARO가 다시 한번 이 연구에 파트너로 참여해 연구팀에게 기술적/장비적 지원을 제공했습니다.

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본 원정을 위해 연구팀에 FARO Laser Scanner Focus3D X 330 대여
 

■ 3D 모델 획득

미국 캘리포니아 소재의 클레어몬트 칼리지스(Claremont Colleges) 켁사이언스과(Keck Science Department) Donald MacFrlane 교수의 지도 하에 진행된 이 학제 연구의 팀원은 클레어몬트 칼리지스 혼홀드(Honhold) 라이브러리의 Warren Roberts씨, 캐나다 오타와(Ottawa) 소재 칼턴(Carleton)대학교 지리환경연구학과 Joyce Lundberg 교수, 독일 드레스덴(Dresden) 공과대학교 지도제작 연구소 Manfred F. Buchroithner 교수와 Benjamin Schröter씨, 벨기에 데인제(Deinze) 출신의 Guy van Rentergem, 미국 버지니아 폴스 처치(Falls Church) 출신의 Keith Christensen으로 구성되었습니다.

Buchroithner 교수는 “이 원정은 중요 데이터 수집을 위한 여행으로 매우 구체적인 3D 모델을 만들어서 심도있는 과학적 연구를 수행하기 위한 것입니다. 3D ‘동굴 지도’는 각 팀원들이 담당하게 될 다양한 지질학/생물학적 연구의 토대를 형성하게 됩니다.”라고 말했습니다.

동굴 생물학자에게는 박쥐와 흰집칼새의 정확한 분포 파악이 중요하지만, 지질학자에게는 동굴의 기원을 말해 주는 연직 프로필이나 표고 등고선을 제공하는 수평 프로필이 중요한 정보가 됩니다. 그러한 측면에서 볼 때 연구팀이 데이터 수집 초기에 정확한 정보를 수집하는 것은 절대적으로 중요한 사항입니다.
 

■ 사전 지식 및 풍부한 경험

여러 팀원들은 특히 동굴에 대한 풍부한 지상 레이저 스캔 경험을 보유하고 있어 무엇이 필요하고 무엇을 예상해야 하는지에 대해 잘 알고 있었습니다. 특히, 스캔 작업은 어둡고 지저분하며, 습하고 거리가 먼 원격 위치에서 진행되어야 되기 때문에 장치는 이 모든 상황을 극복할 수 있어야 했습니다.

FARO Laser Scanner Focus3D에 대한 사전 사용 경험이 있었던 Buchroithner 교수는 이 레이저 스캐너의 기능을 매우 잘 파악하고 있었습니다. 그는 “우리 팀에 내구성이 강하고 작고 가벼우며, 빛이 약한 환경광 수준의 조명에서도 정확한 데이터 획득이 가능한 장치가 필요하다는 것은 명확한 사실이었습니다. 이전에 Focus3D를 사용해 본 경험이 있었기에 새로운 Focus3D X 330이 원하는 결과를 제공할 것이라는 믿음이 있었습니다. 사실 여러 가지 면에서 기대를 넘어서는 훌륭한 성능이었습니다!”라고 말합니다.

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원격 위치의 현장 작업이 필요한 프로젝트에 큰 영향을 주는 휴대성. (Keith Christenson이 제공한 사진)

17일 이상의 현장 작업 기간 동안 팀은 하루 8시간 이상을 꾸준히 일하며 동굴계에서 총 270개의 아주 세부적인 스캔 작업을 중복하여 진행했습니다. 사무실로 돌아와서 FARO SCENE 소프트웨어를 사용해 이 스캔 데이터를 처리하고 드디어 원하던대로 구체적인 3D 동굴 모델을 얻을 수 있었습니다.

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사선 또는 수평 위치에서 스캔이 가능한 Focus3D X 330의 기능 덕분에 어려운 스캔도 가능

연구팀 전원은 만장일치로 Focus3D X 330이 일관성 있는 고정밀 스캔 기능을 제공했다고 생각했습니다. 장치는 몇 분만에 많은 양의 데이터를 수집하므로 측정 시간 역시 크게 단축되었습니다. 또한 Focus3D X 330의 전력 효율성과 휴대성은 무게나 폼 팩터 (Form Factor)면에서 모두 동굴 스캔 프로젝트을 진행하기에 더욱 매력적인 요소들로 빛났습니다.
장치는 휴대가 손쉬운 것은 물론 현장 작업 시 컴퓨터나 무거운 배터리 장치를 추가로 가져갈 필요가 없었습니다.

팀원들은 장치을 삼각대에 배치할 방법이 전혀 없는극한으로 ‘노출된 위치’에서 스캔을 해야 했던 적이 여러 번 있었습니다.

Focus3D X 330을 사선 또는 수평 위치까지 들고 데이터를 수집하면서 테스트를 했습니다. 어떤 경우 연구원들은 완전한 모델을 얻기 위한 충분한 포인트 클라우드 데이터를 수집하려고 동굴 통로의 수직 암벽에 매달려 생명의 위협을 무릎쓰기도 했습니다. 이와 같이 위험한 계획은 기준을 필요로 하는 기존의 다른 장치들과는 달리 장치의 경사가 심한 환경에서도 스캔이 가능한 Focus3D X 330이 없었다면 불가능한 일들이었습니다.

그 무엇보다 주목할 만한 부분은 최신 FARO SCENE버전 덕분에 팀은 캡처한 데이터를 더욱 효율적으로 처리할 수 있었다는 점입니다. 타겟이 없는 스캔 등록을 지원하는 이 소프트웨어의 기능은 곧 사후 처리 시 스캔 포지셔닝에 더 이상 인위적인 마커가 필요하지 않다는 의미가 됩니다. 실제로 FARO SCENE은 어려운 환경에서도 정확하고 신속하게
개별 스캔으로부터 데이터를 병합했습니다. “FARO SCENE 내의 자동 병합 기능으로 스캔 처리가 훨씬 더 손쉬워집니다.”라고 Buchroithner 교수는 말했습니다. “소프트웨어가 고만통 동굴과 같은 불안정한 환경도 견딜 수 있다는 사실은 그 탁월한 성능을 말해 줍니다.”

실제로 FARO SCENE 소프트웨어는 사용자를 고려한 편의성으로 연구팀에게 큰 호응을 얻었습니다. 연구팀은 소프트웨어를 이용해 손쉽게 보고서를 생성하고 나중에는 CAD 데이터를 활용할 수 있었습니다. 사진과도 같은 이미지가 오버레이로 추가되어 시뮬레이션을 제공하며 데이터 조작 처리에 유연성을 더하기도 했습니다.

이번 여행이 끝나갈 무렵 학제 연구팀은 목표하던 대로 기하학적 모델을 완성할 수 있었습니다. 또한 노력의 결과로 얻게 된 3D ‘동굴 지도’는 이제 세계 최고의 정확성을 자랑하는 가장 높은 데이터 볼륨 중 하나입니다.

Buchroithner 교수는 “지난 몇 년간 받은 FARO의 기술 지원에 감사드립니다. FARO가 없었다면 이렇게 까다로운 프로젝트는 불가능했을 것입니다. 앞으로도 FARO와 함께 세계 여러 지역에서 더 많은 동굴을 탐사할 수 있게 되기를 바랍니다.”라고 끝을 맺었습니다.

문의

부산사무소: 051.662.3410

인천사무소: 032.590.9601

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