이책은

최근의 4차 산업혁명은 건설 분야에도 큰 영향을 미치고 있습니다. 특히 정보화가 쉬운 설계 분야에서 그 변화가 활발합니다. 특히 최근에 건축이나 건설 등에서 3차원 이미지 스캔 비전 기반의 역설계 기술이 확산되고 있다고 합니다. 이 방식은 포인트 클라우드 등에서 형상의 형태와 치수만을 획득하는 방식입니다.

이 책은 이러한 기술의 발전 경향에 맞추어 공학박사이자 한국건설기술연구원 수석연구원으로 활동하며 여러 권의 책을 쓴 바 있는 강태욱 박사가 엔지니어링 관점에서 스캔과 비전 역설계 기술 등에 대해서 정말 상세하게 설명하고 있습니다.

이책의 내용

이 책은 총 12개 파트로 나누어져 있습니다. 1장에서는 기본 개념을 설명하고 있습니다. 역설계는 장치 객체 제품 등 및 시스템을 시스템적인 분석을 통해 가능하게 하는 기본적인 원리와 기능 및 운영 체계를 발견하는 프로세스인데 이 책에서는 시설물로부터 3차원 형상을 추출하고 객체 속성 정보를 모델링하는 기술로 한정해서 설명한다고 합니다.

레이저 스캐너와 같은 장비로부터 취득된 데이터는 3차원 좌표를 가지고 있는 포인트의 집합인 점군으로 저장됩니다. 이러한 점군을 형상으로 모델링하여 더 많은 정보를 모읍니다. 역설계를 위해서는 대상물의 좌표 정보 및 속성을 센싱하여야 하는데 보통 대상물은 떨어져 있으므로 리모트 센싱 중의 하나인 위성이나 드론 등을 이용한 원격 스캔의 방법을 이용합니다.

이를 바탕으로 파트5에서는 스캔 및 역설계 지침에 대해서 설명하고 파트6에서는 스캔한 데이터의 정확도와 밀도를 관리하는 품질관리를 살펴봅니다. 파트장에서는 실제로 현장에서 스캔하고 이를 이용해 역설계하는 방법을 알려주고 있습니다. 파트8과 파트9에서는 역설계의 기반이 되는 기술과 역설계의 자동화에 대해서 기술하고 있으며 파트10에서 구체적인 실제 사례들을 소개합니다.

마치며

파트11에서는 역설계 분야의 발전 방향에 대해서 논합니다. 역설계도 4차 산업혁명의 기술적 발전에 영향을 받아 웨어러블 기술이나 스마트폰 등의 VR/AR 기술을 도입하고 있습니다. 사람이 스캔할 수 없는 영역은 로봇 등을 이용해서 스캔하는 방법이 시도되고 있다고 합니다.

이처럼 이 책은 미래 핵심기술의 하나인 실세계 디지털 트랜스포메이션 핵심 기술인 3차원 이미지 스캔, 비전, 역설계에 대해서 알기 쉽게 차근차근 설명하고 있습니다. 마지막 파트12에서 저자는 이러한 첨단 기술의 활용은 작업문화와 프로세스 변화를 수반하지 않으면 성공하기 어렵다는 점을 명심해야 한다고 강조합니다. 건축 건설 분야의 전문 기술에 관심 있는 분들이나 실무하시는 분들이 읽어보시면 좋을 듯합니다.

진리를 알아가는 방법에는 크게 보아 연역과 귀납 두 가지가 있다고 서양 철학에서는 강조합니다. 근본 이치와 얼개를 알고 구체적인 각론으로 진입하는 길, 그와는 반대로 개별 현상(들)을 먼저 알고 나서 그 안에 숨은 이치를 더듬어가는 길, 대개 인간의 지성은 이 두 가지 방법론 중 하나를 골라 목표을 완수하려 듭니다.

역설계는 이미 완성된 3차원 조형물을 스캔하여, 그로부터 설계 원 도면을 거꾸로 추론하는 기법입니다. 이미 1980년대부터 솜씨 좋은 엔지니어들은 (아직 그 제조 기법이 알려지지 않은) 경쟁사의 공산품 완제품을 입수, 분해하여 그 고유의 노하우를 알아내는 시도를 했고, 경우에 따라 실정법에 저촉되는 아슬아슬한 경계를 넘나들기도 했습니다. 이 책에서 다루는 내용은 그런 건 아니고, 건설, 건축, 기계, 해양 플랜트 등 다양한 거대 구축물에서, 그 외관을 정밀히 스캔하여 비슷한 구조를 재현할 수 있는 도면을 작성하는 흥미로운 방법을 자세히 다룹니다.

이미 다양한 상황에서 적용되는 부문이 많기에 이제는 뭐 "당연한 기술" 정도로 여기는 분들도 많겠습니다. 그러나, 아직 한창 완성되어 가는 중인(발전의 여지가 많은) 분야라서, 지적 호기심이 왕성하거나 업무 관련하여 남들보다 앞서가고 싶은 이들이 또 유별나게 버닝해 대는 모습이 주변에서 눈에 자주 띌 겁니다. 회사에서 내 준 "숙제" 때문에 골머리가 아픈 분들도 그저 귀동냥으로 배우는 수준 말고 뭔가 체계적인 공부가 필요할 때 바로 펴들고 의존할 수 있는 내용이 많아서, 당장 저 개인한테도 큰 도움이 되었습니다. 간절히 구하면 수가 생긴다고 필요할 때 용케 이런 책을 만날 수 있어서 운이 좋았다고 여겼습니다.

요즘 하도 LiDAR 라이다 해 대어서 무슨 뜻인지 아는 분들도 많겠습니다. 제가 10일 전쯤에 리뷰한 ＜주거혁명 2030＞이라는 책에서도 이 신기술의 적용 대목이 잠시 언급되는데, 쉽게 말해 레이저(laser)로 쏘는 레이더(radar)라고 생각하면 됩니다. 레이더라는 게 2차 대전 당시 적군 전투기, 폭격기의 출현을 마이크로파 반사를 통해 미리 알아내는 장치이듯, 이 라이다는 레이저를 쏘아 물체의 여러 특성을 알아내는 원리, 장치를 가리킵니다. 단, 레이저가 물체의 표면을 뚫지는 못하므로, 이 3차원 스캔비전에는 그 외에 엑스레이(폭 넓게 방사선), 전자기파, 와류 등을 적용하여 내부 구조까지를 알아내게 합니다. 까다로운 건 직육면체 형태의 모듈이 아니라 자유곡면 꼴을 지닌 실린더 같은 것인데, 이런 대중서까지 출간되어 문외한인 독자들에게 설명을 하는 시대라면, 이미 해당 분야의 기술이 표준화하여 산업계에 널리 통용되는 단계라는 것도 다 짐작이 가능할 겁니다. 참 편리하고 좋은 세상에 살고 있습니다만, 너무 발전 속도가 빨라 부작용이나 생기지 않을지 우려스러운 바도 있습니다.

"정합"이라는 개념이 좀 어려울 수도 있겠네요. 책 읽으면서 저 개인적으로 대뜸 연상된 건 어느 초현실주의 대가의 그림이었습니다. 살바도르 달리가 1954년에 그린 유명한 ＜십자가의 처형＞을 보면 예수가 못 박힌 십자가가 다소 기이한 형태로 시각화되어 있습니다. 기존에 평면에다 입체감을 표현하는 방법은 원근법 등 여러 (좀 구차한) 수단이 고안되어 사용되었으나, 달리는 새롭게 4차원의 도시(圖示)를 그의 작품에서 시도한 건데요. 스캔 데이터 원본을 우리 눈으로 보면 마치 맥락 없는 평면 이미지의 중첩 정도로만 인식됩니다. 이걸 입체 시야로 보정해 주는 프로세스가 바로 정합이라고 생각하면 되겠습니다. 정합은 영어로 registration이라고 하는데, 정합의 원리야 어차피 물리학과 공학의 접합이므로 체계적으로 지식을 차근차근 습득하면 이해는 되겠으나, 이런 원리를 (하고많은) 단어 중에 하필 저 어휘로 이름 붙인 영어의 숨은 이치가 훨씬 어렵게 느껴지는군요. 레지스트레이션이라니.

정합의 핵심 아이디어는, 참 제가 이 책 읽으면서 감탄이 절로 나왔는데, 스캔을 한 여러 이미지들에서 공통 3차원 좌표를 추출해 낸다고 합니다, 일단은요. 그 다음에, 그 숱한 좌표들을 가장 가까운 거리에서 연결하는 "좌표 변환 행렬"을 찾는 프로그램이 바로 "정합"이라는 겁니다(그러니 레지스트레이션이겠죠). 사실 이런 생각 자체는 깔끔하긴 하지만 아주 기발하다거나 창의적이진 않습니다. 연관 기술이 워낙 발전된 형편이고, 특히 초정밀 스캔 기법이 발전해야 의미 있는 좌표 추출이 가능한 법이니 일단은 그 분야에 빚진 바가 매우 큽니다. 마치 머신 러닝에서 시스템에 많은 자료를 인풋하고 그로부터 스키마를 스스로 습득해 내게 하는 구조와도 닮았다고 할까요. 물론 뭔지도 모르면서 기계에 일만 시키는 게 아니라, 우리 인간이 기계의 연산 노가다를 통해 핵심 알고리즘을 뽑아낸다는 주체적 노력이 분명히 개입한다는 점에서 큰 차이가 있습니다.

뭔가를 만들어 주는 공통 요소 행렬를 추출하여 다른 분야에도 응용하는 기법은 경제학에서도 널리 쓰입니다. 예컨대 산업연관론에서 자주 논의되는 투입계수행렬, 생산유발계수 행렬 등이 그것이죠. 행렬의 계산(주로 곱셈입니다만)에서 서로 곱해지는 앞과 뒤의 열(컬럼) 수와 행(로우) 수가 맞지 않으면 아예 연산될 자격이 없습니다. 원 스캔 자료에서 얻은 SCS는 (앞 앞 문단에서 말한 대로) LCS로 변환되어야 (마치 달리의 기괴한 그림처럼) 이것저것이 겹쳐 보이지 않는 말끔한 3차원 이미지를 얻을 수 있습니다. 이걸 지도상에서 조감하기에 적합한 이미지로 다시 바꾸려면 WCS로 변환해 준다고 하네요. 결국은 변환에 필요한 모든 과정에 행렬 연산의 기여가 핵심적입니다.

동차좌표계 행렬은 4x4 규격이 대부분입니다. 이 행렬은 다시 부행렬 네 개로 나눌 수 있는데, 책에는 부행렬들의 성격을 텍스트로만 지칭하고 있으나 제가 다시 그려 보자면

이게

이렇게 나눠진다는 소립니다. 이 중 빨강색 부행렬이 크기, 반사, 전단, 회전 기능을 대변하고, 청보라색은 이동 변환, 하늘색은 동차행렬 표현(형식적 기능입니다. 규격이 안 맞으면 곱셈이 안 되니까), 핑크색은  전체 크기 변환 기능을 수행합니다.

1980년대 후반에는 건축 분야에서 파괴공학이라는 게 각광받기도 했습니다. 출범 당시에는 일상의 건축물을 부작용이나 공해, 환경 파괴 등의 악영향 없이 가장 적은 노력만 들여 이룰 것으로 각광받았으나, 현재도 그 정도까지의 상용화 단계에는 이르지 못했습니다. 헌데 적어도 역설계 섹터에서는 이처럼 편리하고, 다양한 과제를 총괄적으로 해결가능한 범용 기술이 출현했으니 그저 놀랄 뿐입니다.

책에도 나오지만 MLS는 아직 물 속을 스캔하지는 못합니다. 허나 곧 다른 기술의 접목으로 이 기술적 난제도 해결 가능하리라는 전망이죠. 제가 가장 눈여겨 본 대목 중 하나는 MLS를 이용해 가상 튜어에 필요한 3차원 맵을 생성할 수도 있다는 암시였습니다. 이 분야 기술이 반드시 건축 산업에 한정된 게 아니라, 각종 엔터테인먼트, 게임 등의 증강 현실 기법에 응용될 여지가 얼마나 많겠습니까?

이 간단한 수식 하나가 이처럼 광대한 기법을 이루는 기반이 되어 표면 속에 숨은 세계를 인간의 눈에 재현해 보일 줄이야 아마 창안자 자신도 미처 상상하지 못했을 겁니다. 최소 세 개의 타깃이 찍혀야 정합이 가능하고, 거울 같은 표면은 별도 스프레이 처리가 필요하며, 타깃이 부족하면 체커 보드 여럿을 임의로 마련하라는 주의사항도 세심한 배려가 돋보였습니다. 후처리에도 역시 윗사람들에게 보여 줄 만한 말끔한 pt가 되려면 경험자의 실전 팁을 들어야 안심이 되는데, 벡터라이징된 폴리라인은 돌출처리를 통해 곡면형상으로 만들 수 있다는 한 줄 설명에 그간 막혔던 체증이 뻥 뚫리는 느낌이었습니다. 알기 쉽고 친절한, 초보자를 위한 유익한 안내서에 다시 한 번 감사를 표합니다.

역설계란 유지보수 또는 연구개발의 목적으로 이미 완성된 제품이나 시설물을  분석하여 그자료를 기반으로 설계작업을 거꾸로 하는 방식. 예를 들어 특정 건물을 유지보수하는 시스템을 구축하고자 하는데 그 건물의 도면이 없다던가 하는 경우 또는 새로운 제품을 개발하던 중 타사에서 유사한 제품이 먼저 출시되어 타사 제품을 분석해야하는 경우에 적용되는 작업 방식이라 볼 수 있다. 이 역설계를 위해 가장 중요한 것은 기존에 지어진 건물이나 제품의 형상정보를 정확하게 취득하는 것인데, 3D Scanning이라는 방식으로 많이 활용하고 있으며, 그와 관련된 상세한 정보들을 정리한 것이 이 책이다.

책은 역설계의 개념부터 시작하여 사용되는 하드웨어나 소프트웨어, 작업지침, 관련 기술들에 대해 꼼꼼히 전달하고 있다. 저자가 건설기술 연구원에 소속되어서 인지 관련연구들을 진행하며 누적한 지식들이 상당히 방대하다. 재작년 기존 건물을 개보수하는 프로젝트에 참여하며, 3D 스캔을 적용해 볼 기회가 있었다. 그때 느꼈던 것은 생각보다 후작업이 상당히 번거로우며, 그 업무를 줄이려면 선행작업인 스캔정보 취득작업에도 요령이 있어야 한다는 것이었다. 3D 스캔 기술은 앞에서 언급한 개보수나 재설계작업이외에도 자율주행차등의 개발에도 유용히 활용되고 있다고 한다. 3D 스캔기술의 활용이 늘어남에 따라 향후 형상정보 취득 방법의 기술로 많은 발전이 있을 것으로 기대된다.

막연하게만 알고 있던 3차원 스캔 기술에 대해 좀 더 구체적으로 알게된 기회였으며, 향후 기존건물을 개보수하는 프로젝트에 활용하게 된다면 합리적인 방법론을 찾아 적용해 볼 수 있을 듯 하다.