천연기념물 동물의 유형별 3D 디지털 데이터 구축 방법론 연구: 포토그래매트리와 3D 가우시안 스플래팅 비교를 중심으로 = A Study on 3D Reconstruction of Natural Monument Animals by Type: Focusing on a Comparative Analysis of Photogrammetry and 3D Gaussian Splatting

국문 초록 (Abstract)

천연기념물 동물은 훼손과 멸실에 취약한 자연유산으로, 그 형태 정보를 정밀하게 기록하고 대중이 향유할 수 있도록 디지털화하는 작업이 요구된다. 그러나 동물 표본은 털·깃털·키틴 외골격 등 외피 유형에 따라 표면의 광학적·기하학적 특성이 크게 달라, 단일한 3D 취득 기술을 일괄 적용하기 어렵다. 특히 표면의 특징점 추출, 광반사 특성, 촬영 전략이 외피 유형마다 상이하게 요구되므로, 기록·연구·서비스라는 활용 목적에 따라 어떤 기술이 더 적합한지를 체계적으로 검토할 필요가 있다. 본 연구는 이러한 문제의식에서 출발하여, 천연기념물 동물을 외피 유형에 따라 구분하고 유형별로 포토그래매트리와 3D 가우시안 스플래팅（3DGS）의 적합성을 비교하며, 그 결과를 실제 웹 기반 서비스 설계로 연결하는 것을 목적으로 한다.
연구 대상은 외피 유형을 대표하는 네 종으로, 포유류형（털 피복형）의 진도개, 조류형（깃털 피복형）의 황새와 크낙새, 곤충류형（키틴 외골격형）의 장수하늘소를 선정하였다. 비교의 공정성을 확보하기 위해 동일한 사진 데이터로부터 카메라 포즈 추정을 공유하여 두 기술의 결과물을 구축하였으며, 구조광 스캐너（ArtecLeo）의 정밀 스캔 데이터를 기준값으로 삼아 형태 재현 충실도, 표면 질감 재현도, 서비스 적합성의 세 축에서 비교 분석하였다.
분석 결과, 형태 재현 충실도에서는 포토그래매트리가 전 유형에 걸쳐 일관되게 기준값에 더 근접한 형태를 재현했다. 표면 질감 재현도에서는 외피 유형에 따라 강점이 갈려, 털·깃털 피복형에서는 3DGS가 유기적 질감을 자연스럽게 재현했다. 키틴 외골격형에서는 포토그래매트리가 더 적합하였다. 서비스 적합성에서는 3DGS가 파일 크기와 로딩 시간 측면에서 전 유형에 걸쳐 우위를 보였다. 한편 장수하늘소는 키틴 외골격의 광반사로 인해 구조광 스캔 데이터 취득에 실패하여, 광택이 강한 표면에서 정밀 형상 기준값 확보가 어렵다는 방법론적 과제를 확인하였다. 이러한 결과는 어느 기술이 절대적으로 우월한가의 문제가 아니라, 형태의 정확성이 요구되는 연구·기록 목적과 웹 기반 접근성·질감 완성도가 중요한 서비스·교육 목적에 각기 다른 기술이 최적화된다는 점을 보여준다.
본 연구는 이상의 비교 분석 결과를 유형별 기술 적합성 매트릭스로 종합하고, 이를 결과물의 이중 구축·서비스 목적별 기술 배분·비교 가시화라는 세 가지 설계 원리로 연결하였다. 이를 바탕으로 동일 개체의 두 기술 결과물을 나란히 제공하고 동일 시점에서 비교할 수 있는 웹 기반 3D 천연기념물 도감 프로토타입을 구현하였으며, 인터랙티브 3D 뷰어, 카메라 시점 동기화, 동적 스케일바, 취득·처리 이력을 포함한 메타데이터 패널 등의 핵심 기능을 갖추었다.
본 연구는 천연기념물 동물의 외피 유형별 3D 데이터 구축 방법론을 생물학적 분류 체계에 근거하여 체계화하고, 동일 입력 데이터 기반의 비교를 통해 활용 목적별로 최적화된 기술을 제시하였다는 점에서 의의를 가진다. 나아가 기술 비교의 결과를 실제 작동하는 웹 서비스 설계로 연결함으로써, 자연유산 디지털화 연구와 대국민 향유 서비스의 접점을 모색하였다.

주제어: 천연기념물 동물, 포토그래매트리, 3D 가우시안 스플래팅, 형태 재현 충실도, 웹 기반 3D 뷰어

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Natural monument animals are natural heritage vulnerable to damage and loss, and there is a growing need to digitize them so that their morphological information can be precisely recorded and made accessible to the public. However, animal specimens differ greatly in their surface optical and geometric properties depending on the type of integument—such as hair, feathers, or chitinous exoskeleton—making it difficult to apply a single 3D acquisition technique uniformly. Because feature extraction, light reflection characteristics, and capture strategies are required differently for each integument type, it is necessary to systematically examine which technique is more suitable according to the intended use, whether documentation, research, or service. Against this background, this study classifies natural monument animals by integument type, compares the suitability of photogrammetry and 3D Gaussian Splatting （3DGS） for each type, and connects the findings to the design of an actual web-based service.
Four species representing distinct integument types were selected: the Jindo dog （Canis lupus familiaris; mammalian, hair-covered type）, the oriental stork （Ciconia boyciana Swinhoe） and the Tristram's woodpecker （Dryocopus javensis Tristram） （avian, feather-covered type）, and the longhorn beetle （Callipogon relictus Semenov-Tian-Shansky; insect, chitinous exoskeleton type）. To ensure fairness in comparison, the outputs of both techniques were generated from the same photographic data by sharing camera pose estimation, and they were compared along three axes—geometric fidelity, surface texture reproduction, and service suitability—using data from a structured-light scanner （ArtecLeo） as the ground truth.
The analysis showed that in geometric fidelity, photogrammetry consistently reproduced forms closer to the ground truth across all types. In surface texture reproduction, the strengths diverged by integument type: 3DGS rendered the organic texture of hair and feathers more naturally, whereas photogrammetry was more suitable for the chitinous exoskeleton. In service suitability, 3DGS held an advantage across all types in terms of file size and loading time. Meanwhile, the longhorn beetle failed in structured-light data acquisition due to the light reflection of its chitinous exoskeleton, revealing the methodological challenge of securing a precise geometric ground truth for highly glossy surfaces. These results indicate that the issue is not which technique is absolutely superior, but rather that different techniques are optimized for different purposes—research and documentation, where geometric accuracy is required, and service and education, where web-based accessibility and visual completeness of texture are important.
This study synthesized the comparative results into a type-specific technical suitability matrix and connected it to three design principles: dual construction of outputs, purpose-based allocation of techniques, and comparative visualization. Based on these principles, a web-based 3D natural monument encyclopedia prototype was implemented, which provides the photogrammetry and 3DGS outputs of the same specimen side by side and allows comparison from a synchronized viewpoint, equipped with core functions such as an interactive 3D viewer, camera viewpoint synchronization, a dynamic scale bar, and a metadata panel including acquisition and processing history.
This study holds significance in that it systematizes a methodology for constructing type-specific 3D data of natural monument animals on the basis of a biological classification system, and presents techniques optimized for each intended use through a comparison based on identical input data. Furthermore, by connecting the results of technical comparison to the design of a functioning web service, it explores the interface between natural heritage digitization research and public-facing services.

Keywords: Natural Monument Animals, Photogrammetry, 3D Gaussian Splatting, Geometric Fidelity, Web-based 3D Viewer

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 및 필요성 1
• 2. 연구 목적 및 대상 3
• 3. 연구 방법 및 논문 구성 4
• II. 이론적 고찰 6
• 1. 천연기념물 동물의 분류 및 현황 6
• 2. 포토그래매트리 기술 원리 8
• 3. 3D 가우시안 스플래팅 기술 원리 10
• 4. 3D 형태 재현 충실도의 평가 방법 12
• 5. 포토그래매트리 및 3DGS의 선행연구 검토 13
• 6. 국내외 디지털 헤리티지 서비스 현황 16
• III. 천연기념물 동물 유형별 3D 데이터 구축 방법론 30
• 1. 연구 대상의 유형 구분 및 데이터 구축 설계 30
• 1) 연구 대상의 유형 구분 및 데이터 구축 설계 30
• 2) 공통 촬영 프로토콜 31
• 3) 정밀 형상 기준 데이터 취득 — ArtecLeo 3D 스캐너 33
• 2. 유형별 3D 데이터 구축 과정 36
• 1) 포유류형(털 피복형) — 진도개 36
• 2) 조류형(깃털 피복형, 단독 박제) — 황새 39
• 3) 조류형(깃털 피복형, 디오라마) — 크낙새 42
• 4) 곤충류형(키틴 외골격형) — 장수하늘소 44
• IV. 포토그래매트리와 3DGS 비교 분석 48
• 1. 분석 설계 및 평가 기준 48
• 1) 분석 설계 48
• 2) 평가 기준 51
• 2. 유형별 비교 결과 52
• 1) 포유류형(털 피복형) — 진도개 52
• 2) 조류형(깃털 피복형, 단독 박제) — 황새 57
• 3) 조류형(깃털 피복형, 디오라마) — 크낙새 62
• 4) 곤충류형(키틴 외골격형) — 장수하늘소 66
• 3. 유형별 기술 적합성 매트릭스 도출 69
• 1) 형태 재현 충실도 69
• 2) 표면 질감 재현도 71
• 3) 서비스 적합성 71
• 4) 유형별 기술 적합성 매트릭스 72
• V. 유형별 기술 적합성 매트릭스 기반 대국민 향유 서비스 설계 및 프로토타입 구현 75
• 1. 유형별 기술 적합성 매트릭스와 서비스 설계 원리 75
• 2. 웹 기반 3D 천연기념물 도감 프로토타입 77
• 1) 구현 개요 및 기술 스택 77
• 2) 서비스 구조 78
• 3) 개체별 결과물 배치 79
• 4) 핵심 기능 구현 80
• 3. 프로토타입의 활용 시나리오 84
• 1) 교육활용 84
• 2) 연구 및 아카이브 활용 85
• 3) 대중 향유 86
• 4. 온라인 가상전시로의 확장 모델 86
• VI. 결 론 88
• 1. 연구 요약 및 기여 88
• 2. 연구의 한계 및 향후 과제 90
• 참고문헌 92
• Abstract 95