National Park Service 이미지 제공

리얼타임 3D로 탐험할 수 있게 된 National Park Service의 동굴 경관

2021년 2월 11일
Blase LaSala는 공원 관리인으로 일하다가 국립공원관리청의 정부 계약직으로 전향하여 미국 전역을 돌아다니며 연구와 관광을 목적으로 동굴망을 스캐닝하고 리얼타임 비주얼 프레젠테이션을 제작하는 일을 맡았습니다. Blase는 커리어 초창기에는 동굴을 수기로 문서화했지만 레이저 스캐너를 사용하기 시작하면서 언리얼 엔진을 다운로드하기에 이르렀습니다. 
국립공원관리청(National Park Service)의 동굴 기술자가 하는 일은 일반적이지 않습니다. 일반 투어를 위해 동굴을 관리하는 일 외에도 지하 깊숙이 자연 그대로의 모습을 간직한 곳을 탐험하며 분류하는 일도 맡고 있습니다.

블레이즈 라살라(Blase LaSala)는 지구과학 학위를 취득한 후 처음 몇 년간은 국립공원관리청(NPS)에서 물리 과학 기술자라고도 불리는 동굴 기술자로 근무하면서 일반 투어 경로가 사람들에 의해 훼손되지 않도록 관리했습니다. 가끔씩 외딴 지하 체계를 탐험하고 조사하기도 했습니다. 블레이즈는 웃으며 말합니다. "한 마디로 동굴 청소부였어요. 가끔은 아무도 본 적 없는 동굴의 일부분을 지도에 그려야 했었어요. 그 일이 가장 재미있었어요."

어느 날 블레이즈는 레이저 스캐너를 손에 넣게 된 것을 계기로 커리어가 생각지도 못한 방향으로 전개되었습니다. 그는 말합니다. "저는 어릴 때 언리얼 토너먼트를 좋아했어요. 커뮤니티에서 만든 맵과 모드(mod)를 베타 테스트하면서 많은 시간을 보냈죠. 레이저 스캐너가 만들어내는 데이터를 보자마자 그걸 가상 환경으로 변환할 수 있는지 궁금했어요."
Brooke Kubby 이미지 제공
이제 블레이즈는 미국 전역 3D 디지털 동굴 투어의 전문가가 되었습니다. 그는 LiDAR 스캐너, 사진측량 기술, 슈퍼컴퓨터, 언리얼 엔진으로 동굴을 스캐닝하고 비디오와 가상현실 경험을 제작하여 과학자나 호기심 많은 일반인 모두가 미지의 장관을 폭넓게 구경할 수 있도록 합니다.
 

많은 국립공원에서 이미 가상 투어 서비스를 제공하지만 대부분은 사진과 영상 기반의 한정된 시점만을 보여줍니다. 블레이즈의 3D 가상 투어는 다각도에서 디테일을 볼 수 있게 해주고 동굴의 정교한 생성물을 훼손할 위험 없이 가까이서 관찰할 수 있습니다.

지난해에 블레이즈는 수 킬로미터에 이르는 동굴 길을 가상 체험물로 만들었습니다. 덕분에 코로나19 격리 조치로 NPS의 수많은 동굴이 방문 금지된 시기에 많은 이들이 경이로운 자연을 경험할 수 있었습니다.

​​​​​​​이런 인터랙티브 환경은 동굴 투어 서비스를 대중에게 제공할 뿐 아니라 과학계에도 기여하고 있습니다. 지구과학자가 시각 자료만으로도 광범위한 연구를 펼칠 수 있기 때문입니다. 그뿐 아니라 신체적 제약이나 폐쇄 공포증 등으로 동굴 입장이 어려운 사람들도 이제는 컴퓨터로 실제 동굴을 방문한 것처럼 교육적이고 미학적인 경험을 할 수 있게 된 것입니다.
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Lehman Caves가 무보정으로 언리얼 엔진에 표현된 모습

3D 학습: 타피오카 동굴

블레이즈는 동굴 기술자로서 모든 업무를 좋아했지만 그중에서도 동굴 탐험을 가장 좋아했습니다. NPS와의 업무 중 일부로, 노련한 동굴 탐험가로 구성된 소규모 팀은 지도를 따라 미지의 영역으로 이동해서 이미 발견된 동굴의 가장자리가 나올 때까지 작은 통로와 물길을 꾸역꾸역 헤쳐나가곤 했습니다.

블레이즈는 웃으며 말합니다. "이 일을 하려면 어둠 속에서 진흙 속을 헤쳐나가는 걸 즐길 수 있어야 해요. 저는 가능했죠. 국립공원관리청이 관리하는 동굴 체계 중에는 길이가 160km에 달하는 것도 있어서 어떤 때는 며칠 동안 그 안에서 야영을 해야 했어요. 아침에 눈을 떠도 잠들 때와 마찬가지로 깜깜했죠."

이런 탐험의 목적은 통로 목록을 만들고 치수를 측정해서 지도를 제작하기 위한 것입니다. 탐험 팀은 수정, 석고 가닥, 동물 뼈와 같이 흥미로운 것을 발견하면 사진을 찍고 동굴의 벽과 특징을 손수 스케치합니다.

블레이즈는 탐험을 하면서 탐험 팀이 수집한 데이터를 더 잘 기록하고 공유할 방법이 없는지, 그리고 자신이 좋아하는 비디오 게임과 동굴 탐험을 결합해서 팀이 발견한 것을 더 현실적으로 보여줄 방법은 없는지 궁금해했습니다. 그는 말합니다. "어떤 생각이었냐면, '지도도 괜찮지만 이걸 모두 가상으로 경험할 방법이 있다면 어떨까?'였어요. 3D로 표현하면 연구와 과학에 유용하게 활용할 수 있으니까요."
National Park Service 이미지 제공
언리얼 엔진에서 바로 캡처한 Lehman Caves의 모습.
블레이즈는 2014년 겨울을 사우스다코타의 윈드 케이브 국립공원(Wind Cave National Park)에서 보냈는데 바로 거기서 처음으로 스캐닝 장비를 접했습니다. 이 공원은 근처 오글랄라 라코타 대학교(Oglala Lakota College)에서 라이카 HDS 스캐너(Leica HDS Scanner)를 대여할 수 있었는데 데이터를 많이 축적한 상태는 아니었습니다.

블레이즈는 이렇게 회상합니다. "윈드 케이브의 GIS 전문가인 케빈 코바취(Kevin Kovacs) 씨가 장비를 쓸 수 있게 해줬어요. 제가 관심이 많다는 걸 알고 써보게 해줬죠."

블레이즈는 라이카의 사이클론(Cyclone) 포인트 클라우드 프로세싱 소프트웨어, 메시랩(MESHLAB), 클라우드컴페어(CloudCompare)를 사용하여 스캐너로 얻은 Raw 데이터를 OBJ 형식의 3D 모델로 변환했습니다.

블레이즈는 말합니다. "텍스처도 없었지만 어떻게 되는지 보려고 무작정 언리얼 엔진에 넣어봤어요. 그러자 타피오카로 만든 것 같은 동굴이 나타났죠. 그래도 위치 정도는 파악할 수 있었어요. 저는 그걸 콘셉트 검증 차원에서 윈드 케이브 관계자들에게 보여줬고 다들 멋지다고 하더군요."
3D 동굴 시각화의 진화. 왼쪽에서 오른쪽 순: 어설펐던 2014년 Wind Cave의 첫 번째 '타피오카' 동굴 -> 2019년 Timpanogos의 스캔본으로 제작한 리얼타임 그레이스케일 환경 -> 2020년 스캔본과 사진으로 만든 Lehman Caves의 풀컬러 리얼타임 구현본.

교육과 첫 프로젝트의 접목

그 시기에 유타의 팀파노고스 국립공원 기념물(Timpanogos National Park Monument)에서는 LiDAR를 사용해서 동굴을 문서로 남겨줄 사람을 찾고 있었습니다. 블레이즈는 지구과학을 공부했고 동굴 지도 제작 기술과 스캐닝 경험이 있었으므로 그 일에 적임자였습니다.

이 일을 하려면 블레이즈는 파로 포커스(Faro Focus) LiDAR 스캐너를 가지고 초겨울에 지그재그로 눈이 뒤덮인 가파른 길을 따라 올라가 습도가 거의 100%에 달하는 매우 추운 동굴에 들어가야 했습니다. 블레이즈는 자신이 사용할 장비를 소중히 가지고 이 임무에 착수했습니다. 그는 말합니다. "스캐너를 갓난아기 다루듯이 했습니다. 온종일 스캐닝하고 나선 스캐너가 춥지 않도록 실내 난방기 옆에 뒀죠."
Brooke Kubby 이미지 제공
2주간의 스캐닝 작업을 마치자, 포인트 220억 개로 구성된 1.6km가 넘는 통로를 나타내는 포인트 클라우드를 얻었습니다. 그 해상도는 연필의 지름만 한 동굴생성물인 '종유관'을 볼 수 있을 정도로 충분히 높았습니다. 데이터 크기가 테라바이트를 넘어서자 가상 환경을 처리하기가 힘들어졌습니다. 그래서 이를 실행할 전문 소프트웨어가 필요했습니다. 

프로젝트는 성공적으로 마쳤지만 블레이즈는 동굴 탐험의 스릴과 동굴의 특징을 더 잘 보여주는 방법으로 데이터를 표현하고 싶었습니다. 결국 그는 이 프로젝트를 자신의 애리조나 대학교(University of Arizona) 졸업 논문과 접목해서 2019년에 석사 학위를 취득함과 동시에 팀파노고스 동굴 국립 천연기념물(Timpanogos Cave National Monument)에 3개 동굴 체계의 3D 디지털 투어 콘텐츠를 제공할 수 있었습니다. 블레이즈는 애리조나 대학교의 슈퍼컴퓨팅 클러스터를 활용하여 미샤 카즈단(Misha Kazhdan)의 오픈 소스 메싱 알고리듬으로 포인트 클라우드 데이터를 처리했습니다. 이러한 기발한 '엔드 투 엔드' 워크플로 덕분에 블레이즈는 광물 및 지질 공학 대학원에서 우수상을 받았습니다.

블레이즈는 이런 성과를 내는 데 언리얼 엔진이 핵심 역할을 했다고 합니다. 그는 말합니다. "저는 컴퓨터 사이언스나 3D 모델링을 배운 적이 없습니다. 제가 할 줄 아는 건 몇 테라바이트의 데이터를 언리얼 엔진이 인식하는 형식으로 변환하는 것뿐입니다. 나머지는 언리얼 엔진이 다 했죠."

드디어 색을 입다

이와 같은 성공에 힘입어 블레이즈는 동굴 스캐닝과 3D 가상 투어를 제작하는 회사를 설립했습니다. 2020년, 그의 회사는 네바다의 그레이트 베이슨 국립공원(Great Basin National Park)에 있는 리먼 동굴(Lehman Caves)의 투어 영상 시리즈를 완성했습니다.

블레이즈는 이 프로젝트에서 LiDAR와 사진측량 기술을 결합함으로써 시각적 충실도를 대폭 향상했습니다. 팀파노고스 3D 씬은 흑백이었지만 10만 장의 사진을 바탕으로 리먼 동굴을 실제 색상으로 구현함으로써 가상 관광객에게 훨씬 더 현실적인 경험을 제공할 수 있었습니다.
National Park Service 이미지 제공
언리얼 엔진에서 바로 캡처한 Lehman Caves의 모습.
또한 멀티 테라바이트 모델은 노멀 맵, 글로벌 다이내믹 라이팅, LOD를 이용해 리얼타임으로 실행되기 때문에 1.6km가 넘는 통로를 센티미터보다 더 작은 수준까지 정확히 표현합니다. 블레이즈는 말합니다. "손톱보다 크다면 뭐든지 볼 수 있습니다. 사람들이 전에 봤던 동굴생성물과 공간을 알아채더라고요. 사진과 비교해서 현실적으로 표현되도록 제작했습니다."

블레이즈는 리얼타임 기술이 워낙 빠르게 진보해서 이제 소프트웨어가 아닌 스캐너의 한계에 다다르고 있다고 덧붙입니다. 그는 말합니다. "전례 없던 일이죠. 예전에는 소프트웨어가 감당을 못해서 스캐너 데이터를 대부분 버렸습니다. 이젠 언리얼 엔진이 있으니 그럴 일이 없어졌죠."

블레이즈는 인터랙티브 시뮬레이션을 위해 언리얼 엔진의 VR과 일인칭 템플릿을 사용했습니다. 그는 말합니다. "미리 만들어진 템플릿이 있어서 정말 편해요." 블레이즈는 현장에서 즐길 수 있도록 팀파노고스의 VR 체험물을 제작했지만 안타깝게도 팬데믹 때문에 아직 대중에 공개하지 못했습니다. 하지만 마지막으로 테스트했을 당시 인텔(Intel) 6900K 프로세서를 탑재한 GTX 1080 Ti 그래픽 카드에서 이 언리얼 엔진 프로젝트가 90fps의 속도로 실행되는 것을 보고 흡족했습니다. 블레이즈는 말합니다. "이후 출시될 하드웨어에서라면 얼마나 빠르게 실행될지 상상해 보세요."

블레이즈는 데이터를 한 번 올바로 포매팅만 하면 언리얼 엔진이 나머지 작업을 대부분 다 처리해준다는 점을 장점으로 꼽습니다. 그는 말합니다. "템플릿, 텍스처, 자동 LOD를 사용하면 다 되네요. Raw 데이터 몇 테라바이트만 있으면 언리얼 엔진이 그걸 수집해서 모든 걸 자동으로 최적화해줍니다."

동굴 스캐닝의 미래를 상상하며

아직 스캐닝과 리얼타임 기술이 지구과학자들에게 널리 퍼지지는 않았지만 블레이즈는 연구를 수행하고 문제를 해결하는 데 이 기술이 핵심 툴이 될 것이라고 전망합니다. 그는 말합니다. "3D로 동굴을 보고 인터랙션할 수 있으니 예전에는 보기 힘들던 것도 이제 다 볼 수 있게 되었습니다. 실제로는 다가가기 힘든 곳에 있는 동굴생성물이나 특징적 형태에 가까이 다가가서 관찰할 수 있어요. 자칫하면 부서질 수 있는 동굴생성물을 훼손할 걱정 없이 몇 번이고 다시 볼 수 있는 거죠."
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언리얼 엔진에서 바로 캡처한 Lehman Caves의 모습.
블레이즈는 계속 동굴을 스캐닝하고 미디어를 제작하면서 현재 노던 애리조나 대학교(Northern Arizona University)에서 테키 생키 박사(Dr. Teki Sankey)의 지오인포매틱스 연구실 소속의 연구원으로 박사 과정을 밟고 있습니다. 지오인포매틱스는 LiDAR 스캐너, 다중 분광 센서, 초분광 센서 등의 원격 감지 도구에서 얻은 데이터 스트림을 통계 분석, 피처 보외, 시각화에 사용합니다. 블레이즈는 새로 습득한 기술을 자연스레 적용하게 되었습니다. 그는 말합니다. "언리얼 엔진은 이런 데이터 세트를 시각화하고 활용하는 방법에 혁신을 일으킬 수 있습니다."

블레이즈는 언리얼 엔진 5의 신규 나나이트 기능에 큰 기대를 걸고 있습니다. 나나이트를 활용하여 정기적으로 작업하는 수십억 개의 폴리곤 3D 모델을 최적화할 수 있을 것이기 때문입니다. 그는 말합니다. "어느 정도까지 가능할지 정말 궁금합니다."

블레이즈는 사람들이 언리얼 엔진으로 시각화하는 것이 얼마나 쉬운지 알게 되면 과학에 점차 더 많이 응용할 것으로 생각합니다. 그는 말합니다. "저는 전문가가 아닙니다. 저는 그냥 흙먼지를 뒤집어쓰고 다니던 공원 관리인이었으니까요. 제가 언리얼 엔진을 배울 수 있다면, 누구나 다 할 수 있습니다."
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참고: 본문에서 블레이즈 라살라가 밝힌 견해는 블레이즈 라살라의 개인 의견이며 국립공원관리청의 의견과는 다를 수 있습니다.

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