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J. Conserv. Sci > Volume 38(6); 2022 > Article
직물 문양 식별을 위한 SWIR 초분광 영상의 활용 및 기술

초 록

본 연구는 보물 백담사 저고리에 사용된 직물 문양 분석에 대한 단파적외선 (SWIR) 초분광 영상 기술에 관한 것이다. 연구 대상이 되는 보물 백담사 저고리는 1748년이라는 정확한 연대를 알 수 있어, 복식 연구에 있어 매우 중요한 유물이다. 그러나 1993년 보물로 지정되었음에도 불구하고, 황색의 문양 직물을 제외하면, 자주색 삼회장 부분의 문양 정보를 확보하지 못했다. 사실 황색에 비해 자주색은 카메라가 인식하기 어려운 색이므로, 고화질의 디지털 촬영이나 적외선 촬영만으로는 어려움이 있다. 이에 최근에 문화재 현장에서 각광받고 있는 단파적외선 초분광 영상 촬영 기술을 활용하여, 보물 백담사 저고리의 직물 문양을 식별하는 데에 적용하였다. 그 결과, 만자화문단과 용봉문의 문양을 확인할 수 있었다. 우리나라의 경우, 이러한 직물 유형은 17세기 말에서 18세기 초중반에 확인되는 것이다. 금번의 조사는 수년간 확인할 수 없었던 백담사 저고리의 직물 문양의 상세 이미지를 확보했을 뿐만 아니라 직물문화재 연구에 초분광 영상 기술의 새로운 활용법을 제시하였다는데 의의가 있다.

ABSTRACT

This study applied short-wave infrared (SWIR) hyperspectral imaging technology to analyze the textile pattern used in the Jeogori of Baekdamsa Temple. First introduced in 1748, the Jeogori is a very important relic in the study of Korean traditional costume. The garment w as designated as a national treasure in 1993, and the pattern in its yellow silk has been well established. However, obtaining the pattern information of its reddish purple decoration has proven to be quite challenging. In contrast to yellow, reddish purple is a color that is difficult for a camera to recognize; thus, analyzing patterns in this color using only high-definition digital or infrared photography is difficult. In this work, SWIR hyperspectral imaging technology, which has recently been used in investigations of cultural heritage sites, was applied to identify the textile pattern on the Jeogori of Baekdamsa Temple. The technology successfully identified the patterns of a Wan-character, dragon, and phoenix. This type of textile pattern was identified in Korea from the end of the 17th century to the early-to-mid-18th century. This study is meaningful because it not only provides a detailed image of the textile pattern on the Jeogori of Baekdamsa Temple, which has not been previously achieved, but also proposes a new strategy based on hyperspectral imaging technology for studying the cultural heritage of textiles.

1. 서 론

문양이 있는 직물은 경사와 위사의 색을 달리하여 바탕과 무늬가 서로 다른 색으로 대비되게 짜기도 하며, 경사와 위사의 색을 한 가지로 하여 문양이 잘 드러나지 않게 짜기도 한다. 특히 15세기부터 18세기의 문헌 중에는 스민문⋅스믠문 또는 암화문(暗花紋)이라 하여(Suh, 2002), 조선시대에는 직물이 밖으로 드러나지 않은 은은한 문양이 선호되었다(Sim, 2006). 일반적인 직물 문양은 육안으로도 충분히 파악되지만 더 정확한 도상 정보를 얻기 위해, 직물의 색상 및 광택에 따라 카메라 노출시간과 조명의 밝기 등 광량을 조정해 사진 촬영을 하면 사진 촬영을 하여 정확한 문양을 분별해낼 수 있다. 그러나 정밀 사진 촬영만으로 문양 파악이 어려운 때도 있다. 이 경우, 대상 재료의 흡수 차이에 의해 밑그림이나 그림 층 안에 변화된 모습을 나타나게 해주는 것으로 알려진 적외선 반사사진기술 (Infrared Reflectography; IRR)을 이용할 수 있다(Cultural Heritage Conservation Science Center, 2014). 적외선 카메라는 1200 nm 까지의 파장에서 적외선 사진을 촬영할 수 있으므로 고화질 사진 촬영을 보완 가능하다.
본 연구의 대상은 백담사 삼회장저고리로, 등솔기에 한글 묵서가 있어 보존처리 과정과 유물 조사 중 고화질 사진촬영과 적외선 촬영을 실시하였다. 묵서와 함께 직물 문양부분까지 촬영하였는데, 자주색 문단부분의 경우 사진촬영과 적외선 촬영만으로 직물 문양의 상세한 이미지 도출이 어렵다는 점을 발견하였다. 이에 본 연구에서는 가시성이 낮은 직물 문양의 정확한 형태를 추출하기 위해 초분광 영상 촬영 기술을 활용한 새로운 조사방법론을 수립했다.
초분광 영상 분석은 비파괴 및 비접촉으로 획득할 수 있어 유물에 손상을 최소화 할 수 있는 조사방법이다. 초분광 영상은 대상물의 위치정보와 반사분광정보가 결합된 3차원 큐브 데이터로 이루어지므로, 대상물의 분광학적 분석 및 다중 파장에 대한 영상화가 가능해 최근 문화 유산 분석 분야에서 각광받고 있으며 관련 연구가 활발히 이루어지고 있다(Ahn et al., 2020; 2021; Chun et al., 2015).
초분광 영상은 어떤 센서를 통해 획득되느냐에 따라 다른 파장대역을 가지는데, 이 중 단파적외선 (Short Wave Infrared; SWIR) 영역의 초분광 영상을 촬영할 수 있는 카메라는 우리나라 문화유산 조사 현장에서는 비교적 최근에서야 도입되었다. 그러나 SWIR 초분광 영상을 활용한 문화유산 분석은 대체로 광물 및 암석 분류, 안료 등 회화에 사용된 재료 분류, 밑그림[草] 확인이나 보존처리 범주를 확인하는 등 일부 분야에서만 주로 활용 중이다(Cucci et al., 2020; Pan et al., 2017; Zahiri et al., 2018).
이에 본 연구에서는 SWIR 초분광 영상 촬영을 직물문화재 형태 분석 기법으로 확장하여, 보물 백담사 삼회장저고리에 사용된 직물 문양을 파악하고 고화질의 이미지를 확보하고자 하였다. 이는 가시광선을 사용하는 고화질 사진 촬영만으로는 명확히 분별하기 어려운 기존 방법의 한계점을 극복하고, SWIR 초분광 영상 분석을 통해 직물 문양을 분석한 국내 최초 연구 사례라는 점에 그 의의가 있다. 본 연구 결과가 향후 다양한 문화재 현장에 응용 가능한 기초자료가 되기를 기대한다.

2. 연구 대상 및 방법

2.1. 대상 유물 개요

본 연구의 대상은 18세기 전세복식을 대표하는 보물 인제 백담사 목조아미타불 복장 삼회장저고리이며, 1748년의 발원문이 남아있어 정확한 연대를 알 수 있는 전세 복식유물로서 가치가 있다. 이에 저고리의 형태적 특징과 색상 및 제직 특성 등에 관한 여러 연구가 진행되어 왔다(Kim, 2003; Kim and Cho, 2003; National Research Institute of Cultural Heritage[NRICH], 2006; Moon, 1993). 이 삼회장저고리의 깃은 당코깃이며, 소매는 직선형이고 깃, 끝동, 곁마기 등에서 18세기 중기 저고리의 특징이 잘 표현돼 있다. 2006년 고화질 사진 도록(Figure 1)을 통해 황색의 길 부분에 사용된 문양 정보는 구축되었으나, 자주색으로 된 깃⋅끝동⋅곁마기 등 삼회장에 사용된 직물 문양 정보가 미비한 실정이다.
선행 연구의 결과를 종합해보면, 삼회장저고리의 황색길 부분에 사용된 직물 문양은 ‘만자문’ 또는 ‘기하문’이 시문된 만자화문단(卍字花紋緞)(Figure 2)으로 보고되었다. 그러나 황색 길을 제외한 삼회장저고리의 깃, 끝동, 곁마기에는 자주색 문단이 운룡문으로(Kim and Cho, 2003)로 보고되기도 하였으나 고화질 이미지 등의 실증 자료가 없는 실정이다. 2000년대 이후로 4500만∼5000만 픽셀(pixel) 이상의 고화질 사진 촬영을 통해 선명한 직물 문양의 사진을 얻을 수 있지만, 백담사 삼회장저고리의 경우 깃, 끝동, 곁마기 등에 사용된 직물 문양은 고해상도 사진만으로는 정확한 문양이 파악되지 않는다. 이는 문헌에 스민문⋅스믠문⋅암화문(暗花紋)이라 기록된, 경사와 위사에 동일한 색사를 사용하여 문양을 은은하게 드러나게 하는 직조(織造) 방식의 결과이다. 또한 황색에 비해 자주색은 명도가 낮아 광량을 조절하여 사진 보정에 어려움이 있기 때문이다.
대개 문양이 있는 직물은 광택이 있는 것이 특징이며, 유사한 색상 및 반사를 보이는 것들은 육안 및 카메라로 명확한 형태파악이 어렵다는 문제가 있다. 육안 관찰을 통해, 백담사 삼회장저고리의 겉감에는 모두 3종류의 문단이 확인되는데, 이 중에서 길과 소매 끝동의 직물은 보존 상태가 좋아 비교적 쉽게 문양을 파악할 수 있다. 그러나 자색의 끝동 부분에 사용된 문단이 짙은 색이기 때문에 고화질의 사진 촬영으로 정확한 직물 문양 확보가 불충분하다. 뿐만 아니라 가장 문제가 된 부분은 보존상태가 좋지 않은 겉깃과 양쪽 곁마기 부분의 자주색 문단이다. 자주색 끝동과는 다른 종류로, 용의 비늘, 구름 문양, 봉황의 꼬리, 모란 문양의 일부가 확인되지만 자주색 끝동과 마찬가지로 고화질 사진 촬영만으로 문양 파악이 쉽지 않다.

2.2. 연구 방법

고화질의 정밀 사진촬영에 의존하는 기존의 직물 문양 분석의 한계점을 보완하여, 문양의 가시성이 낮은 직물 문양의 구체적인 형태를 밝히기 위해 고화질의 사진 촬영, 적외선 사진 촬영과 SWIR 초분광 영상 촬영을 병행하여 그 결과를 비교하였다.
적외선 사진에 촬영된 적외선반사사진 장비는 800 nm부터 1100 nm 파장까지의 영역에서 근적외선 사진을 촬영할 수 있는 PENTAX사(JPN)의 PENTAX 645D IR 적외선 카메라에 Schneider사(DEU)의 B+W 093 적외선 필터를 사용하였으며, Hamamatsu사(JPN)의 IRRS-300을 연결하였다. 촬영을 위한 광원은 형광등 조명하에서 할로겐 투과광을 사용하였다.
초분광 영상 획득을 위해 사용된 초분광 카메라는 SPECIM사(FI)에서 제작한 SWIR 3 camera 모델이다. 이 카메라는 384개의 세로축 픽셀, 스캐닝 범위만큼의 가로축 픽셀로 구성된 영상을 촬영할 수 있고, 각 픽셀마다 946∼2552 nm 사이의 파장에서 288개의 밴드를 획득 가능하다(Table 1). 초분광 카메라의 이동 및 속도 제어를 위해 카메라와 동일한 제조사의 스테이지인 Art Scanner 120 (SPECIM, FI)를 활용하였다. Art Scanner는 좌우로 긴 레일에 카메라를 위치시킨 후 직선으로 움직이며 스캔이 가능한 스테이지로 편평한 대상물의 촬영에 적합하다. 레일의 설치방향에 따라 대상물의 수평 및 수직 촬영이 모두 가능하며, 이번 연구에서는 촬영 대상인 백담사 삼회장저고리 위에 수직으로 카메라를 배치하였다.
초분광 영상은 항온항습(23℃, 55% RH) 시설이 구축된 암실(暗室)에서 인공광원인 할로겐(Halogen) 램프로 촬영하였으며, 이 때 램프 모델은 OSRAM(DE)사의 41861 DecoStar 51로 전압 12 V 전력량 20 W, 빔 각도 36°에 색 온도는 2800 K이며 총 6구를 ArtScanner 120에 부착하여 사용하였다. 초분광 카메라의 촬영 제어를 위해 전용 소프트웨어인 Lumo Scanner 2019를 사용하였으며, 측정 매개변수 중 Frame rate는 22 Hz, Exposure time은 12 ms로 설정하였다. Spectral 및 Spatial의 Binning은 1 × 1이다. 암전류(Dark current) 제거를 위해 카메라 셔터를 닫고 약 7초간 촬영하여 Dark image를 획득하였다. 촬영된 로우 데이터의 DN (Digital Number) 값을 반사율로 변환하기 위해 White Reference 패널을 유물과 동일한 높이로 배치하여 함께 촬영하였으며, 사용된 패널은 교정이 완료된 12인치의 Labsphere사(US) SRT-99-120 Spectralon Diffuse Reflectance Target이다.

3. 분석 결과

3.1. SWIR 초분광 영상 분석

백담사 삼회장저고리의 SWIR 촬영 결과, 가시광선 하에서 관찰되는 것보다 문양의 시인성이 명확히 개선된 영상을 획득할 수 있었다. 획득된 영상은 288개 밴드로 이루어지며, 각 밴드는 특정 파장을 대표한다. 288개 밴드 중 실제 유효 밴드로 판단되는 약 270개 밴드를 활용하여 분석을 진행하였다.
생성된 초분광 영상에서는 배경부의 직물과 뚜렷하게 구분되는 문양부 직물을 확인할 수 있었다. 그 원인을 규명하기 위해 실제 영상에서 배경부와 문양부에 각각 관심 지역 (Region of Interest; ROI)을 설정하고(Figure 3A), 이들의 평균 분광반사율 곡선을 산출하였다(Figure 3B). 이 결과, 두 ROI에서는 동일한 패턴의 평균 분광반사곡선이 확인되어 동종의 직물 재질이 사용되었음을 알 수 있었다. 또한 측정된 대부분 파장에서 문양부의 반사율이 배경부에 비해 약 18% 이상 높은 것으로 나타났다. 이는 초분광 영상에서 문양부와 배경부의 구분이 가능한 원인으로 해석된다.
초분광 영상은 영상을 표현하는 방식인 스트레치(Stretch)의 처리방식에 따라 그 결과물이 달라진다. 대표적인 처리방식은 Bipolar, Equalization, Gaussian, Linear 2%, Logariathmic, Square Root 등이 있다. Table 2는 1,630.27 nm 파장밴드 상에서 스트레치 방식에 따라 달라지는 영상의 결과물을 나타낸 것이다. 이를 통해 Linear 2%가 문양 추출에 가장 적절한 밝기 및 선명도를 가진 것으로 판단하여 본 연구에 활용하였다.
한편, 초분광 영상은 단일 적외선 밴드가 출력되는 적외선 카메라와 달리 수백 개의 적외선 밴드를 활용할 수 있다. Table 3는 288개의 밴드 중 대표적인 밴드에 따른 영상의 차이를 보여준다. 따라서 수백 개의 밴드 중, 3개의 밴드를 임의로 선택하여 적색, 녹색, 청색 채널에 할당함으로써 의사컬러영상(Pseudo Color Image)을 생성할 수 있다. 본 연구에서는 문양 인식에 적합하다고 판단된 70번 밴드(1,334.24 nm), 159번 밴드(1,832.53 nm), 225번 밴드(2,200.76 nm)를 활용해 의사컬러영상을 생성하였다.

3.2. 촬영기기 별 영상 비교

사진 촬영 이미지는 조명에 따른 여러 조건들에 따라 동일한 피사체를 계측하더라도 서로 다른 색상정보를 가지게 된다. 특히 디지털 카메라로 입력되는 이미지의 색상은 주위 광원에 영향을 받아 반사되는 색상 값을 그대로 받아들이기 때문에 사람이 시각적으로 식별한 색과는 다른 색으로 입력한다. 디지털카메라의 반사식 노출계는 피사체가 18% 반사율 가진 것을 그레이라고 인식하여 노출을 결정하며, 노출계는 피사체가 반사하는 빛의 양을 이용하여 노출을 측정한다(Kim et al., 2010). 카메라의 노출계는 Figure 4와 같이 피사체의 반사된 빛의 양을 측정하며, 어두운 색일수록 편광 특성이 명확하지 않다고 할 수 있다.
따라서 황색에 비해 짙은 자주색의 경우, 카메라 노출 값을 –0.5 내지 -1.0으로 조정할 정도로 어두운 편이다.Kim et al.(2010)의 디지털 영상 계측에 대한 연구에서도, 대체로 Panton사의 Red와 Purple 계열은 조명조건에 따른 대표색상 간 편차가 클 뿐만 아니라 이미지 보정 작업에 어려움이 있다는 사실을 밝혔다. 대체로 명도가 낮을수록, 붉은색이나 자주색에 가까울수록 식별이 어렵다고 볼 수 있다. 이러한 이유로 백담사 저고리의 황색 직물에 비해 자주색 문단직물의 세부 문양 파악이 어려우며, 따라서 고화질 사진 촬영과 적외선 촬영 외에 SWIR 초분광 영상을 도입하여 문양 분석에 활용한 것이다.
본 연구에서 앞 장에서 기술한 측정조건에 따라 초분광 카메라로 대상유물을 촬영하였을 때 한 번에 스캐닝되는 영역의 폭은 약 77 mm이었으며, 필요시 중복되는 영역을 두고 나누어 촬영한 후 합성하여 활용하였다.
직물 문화재의 경우, 주름이 발생한 상태로 촬영하면 획득되는 도상의 형태가 왜곡될 위험이 있으므로 삼회장저고리를 주름진 부분이 없도록 편평한 상태로 초분광 영상 촬영을 수행하였다. 특히 대상유물의 보존상태가 좋지 않아 각별한 주의가 요구되었다.
그 중 할로겐 램프에서 발생하는 열을 제어하기 위해서(Jeong et al., 2004), 유물을 손상시키지 않도록 측정거리 및 시간을 주의하여야 할 필요가 있다. 본 연구에서 촬영된 전체 스캐닝 면적의 길이는 약 547 mm이며 이를 촬영하는 데에 약 177초가 소요되었다. 열 손상을 줄이기 위해 작업장 내 항온항습기를 조절하였으며, 초분광 영상 촬영 전⋅후에도 5 μm의 탈이온수를 분무하여 유물의 표면온도가 급변하지 않도록 하였다. 실제 Testo 845 적외선 온도계를 통해 유물의 표면 온도를 수시로 모니터링 하였으며, 177초간 2℃ 이내의 온도를 유지하여 유물의 안정성에 큰 영향을 미치지 않는 범위 내에서 작업이 진행되었다.
다음의 Table 4는 디지털카메라에 의한 고화질 이미지, 적외선 촬영 이미지와 비교하여 초분광 영상 촬영에 따른 이미지를 정리한 것이다. 백담사 저고리의 길과 소매에 사용된 황색 문단(Table 4A)은 명도가 높아 고화질사진 촬영 및 적외선 촬영과 초분광 영상 촬영 등을 통해 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 그러나 자주색 문단이 사용된 경우에는 사진 촬영과 적외선 촬영만으로는 불분명한 이미지인 반면, 초분광 영상 촬영 이미지에서는 선명한 문양 표현을 관찰할 수 있다. 같은 자주색 계통이라 하더라도 끝동에 사용된 자주색 문단(Table 4B)은 적외선 촬영을 통해 기하문의 바탕직물을 확인은 가능하지만, 문양직물을 파악하는 데에는 한계가 있었다. 특히 깃과 곁마기의 자주색 문단(Table 4C, D)은 고화질 사진이나 적외선 촬영만으로는 전혀 파악되지 않고, 직물의 주름, 구멍 등 보존상태가 좋지 않은 부분이기도 하다. 그럼에도 불구하고 Table 4C, D의 초분광 영상 이미지에서는 용의 머리와 꼬리, 봉황의 꼬리, 구름과 모란문이 선명하게 나타났다. 이로써 백담사 삼회장저고리의 겉감에는 만자(卍字)를 반복한 바탕에 2종류의 화문(花紋)을 시문한 황색과 자주색의 만자화문단 2종과 자주색의 용봉문단 1종 등 모두 3종류의 문양직물이 사용되었음을 규명하였다.

4. 결 론

본 연구의 결론은 다음과 같이 정리할 수 있다. 첫째, 보물 백담사 삼회장저고리의 문양 정보를 밝히기 위해 SWIR 초분광 영상을 적용하였다. 국내에서는 처음 적용한 사례이지만, 30년간 밝히지 못한 중요 복식문화재의 직물 문양에 대한 상세 이미지를 확보하여 상당히 의미 있는 연구 결과로 평가될 수 있다. SWIR 초분광 영상을 활용하여 직물 표면의 문양을 조사한 결과, 가시광 영역에서 육안 및 일반 카메라로 촬영한 영상에 비해 바탕 부분과 문양 부분의 경계면에서 대비가 향상되어 가시성이 뚜렷하게 개선되었다. 따라서 기존에는 식별이 쉽지 않았던 바탕과 문양 부분에서 유사한 색상과 반사를 보이는 직물 문양들의 식별이 가능하였다. 적외선 사진으로도 문양 식별은 가능하나 회색조 이미지로만 생성되고 판별이 다소 어려운 부분이 존재하였다. 이에 반해, SWIR 초분광 영상은 여러 파장을 활용하여 의사색상의 컬러 영상을 만들 수 있으며, 문양을 선명하고 정확하게 파악할 수 있어 문양 조사에 매우 유용한 방법임이 입증되었다. 다만 SWIR 초분광 카메라의 가격은 디지털카메라 또는 적외선 카메라에 비해 매우 고가이며, 영상의 해상도가 낮아 선명한 문양을 얻기 위해서는 근접촬영이 필요하므로 촬영되는 영역이 매우 좁아지게 되는 점은 향후 개선이 필요한 사안이다.
둘째, 백담사 복장 삼회장저고리의 겉감에는 만자화문(卍字花紋) 2종과 용봉문(龍鳳紋) 직물 1종 등 세 종류의 문양 직물이 사용되었음을 밝힐 수 있었다. 직물에 직조로 표현된 만자문⋅기하문이나 용문⋅봉문은 조선시대 전 시기에 걸쳐 보이는 문양이다. 그러나 금번 초분광 영상 촬영을 통해 백담사 삼회장저고리에서 확인한 세 종류의 문양 직물 유형은 17세기 말부터 18세기 초중반에 집중되어 있으며, 삼회장에 사용된 직물 문양은 국내 유사 사례가 희박하여 더욱 의미 있는 연구결과이다. 향후 금번의 연구를 통해 확보한 초분광 영상 이미지를 토대로 직물 문양의 일러스트를 제작하여, 보물 백담사 저고리에 사용된 문양 직물의 연원과 흐름을 밝혀 궁극적으로는 보물 백담사 목조아미타불 복장 삼회장저고리의 학술적 가치를 높이고자 한다.

Figure 1.
Jeogori of Baekdamsa Temple in 1748.(NRICH, 2006, p.163)
JCS-2022-38-6-11f1.jpg
Figure 2.
Wan-character Pattern with Flower of Jeogori of Baekdamsa Temple.(NRICH, 2006, p.163)
JCS-2022-38-6-11f2.jpg
Figure 3.
Comparison of spectral reflection curves of fabrics in the background and pattern parts within the Jeogori of Beakdamsa Temple. (A) Location of ROI (Region of Interest), (B) Spectral reflection curves.
JCS-2022-38-6-11f3.jpg
Figure 4.
Comparison of color by visual observation and recognized by the camera.
JCS-2022-38-6-11f4.jpg
Table 1.
Specification and Analysis Condition of textile sample
Sample Analysis instrument Detailed conditions
Cross-section of fiber LM DM R, Leica, Denmark -
SEM JSM-IT300, Jeol, Japan -
Side-section of fiber BM EClIPSE Ni, Nikon, Japan -
SEM JSM-IT300, Jeol, Japan -
Medulla BM EClIPSE Ni, Nikon, Japan -
Fiber component ATR-FTIR Nicolet iS5, Thermo Fisher Scientific, USA - ATR accessory: Diamond crystal
- Measurement range: 4,000∼600 cm-1
- resolving power: 4 cm-1
- Number of scans: 32 times
Textile structure Stereo Microscopy DG-3, Scalar. Japan
Table 2.
Comparison of stretch mode in hyperspectral image
JCS-2022-38-6-11i1.jpg
Table 3.
Comparison of each wavelength in hyperspectral image
JCS-2022-38-6-11i2.jpg
Table 4.
Comparison of textile pattern by photography, infrared photography, hyperspectral image
JCS-2022-38-6-11i3.jpg

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