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독일 과학자, 저가형 3D 프린트 돔형 시스템 개발

[글로벌메이커스 정신영 기자] 독일 Kiel University(CAU)의 연구원들이 야생 동물 사진을 위한 조명을 최적화하는 저렴한 3D 프린트 돔형 시스템을 개발했다.

모듈식 조명 장치는 기존 조명 설정에 비해 저렴하고 설치 및 사용 기법 역시 덜 복잡하면서, 과학적 마이크로 및 매크로 사진에도 적용할 수 있는 것이 특징이다.

또 STL 파일을 공개적으로 사용할 수 있게 한 Kiel팀의 시스템은 사용자 정의 할 수 있도록 설계되어 사진을 찍는 표본에 맞게 조정할 수 있다.

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사진= Scientific Reports


사진 조명 돔의 중요성

마이크로 컴퓨터 단층 촬영(µCT)과 같은 현대 기술의 채택이 증가하고 있음에도 불구하고, 사진은 생물학적 물체를 이미징하는 최적의 방법으로 남아 있다.

분류 및 형태학 연구는 점점 더 디지털화로 전환되고 있는데도, 자연사 박물관과 마찬가지로 서식지에 있는 종의 문제는 고해상도 사진에 여전히 의존하고 있는 것이 현실이다.

고화질 이미지는 학술 사진에서 특히 중요하다. 해상도는 주요 기능, 진단 문자 및 상세한 습관보기를 캡처하는 데 가장 중요한 부분이기 때문다.

이러한 생물학적 연구에 필요한 세부 수준을 달성하려면 적절한 조명이 필수적이다. 특히 더 높은 줌 배율을 사용하는 경우 미세한 구조를 매우 자세하게 촬영하려면 높은 수준의 확산 된 빛이 필요하다.

반대로 조명이 좋지 않으면 주변 매크로 구조가 의도하지 않게 과다 노출 될 수 있다. 소위 '하드 라이팅'이라 불리는 이 현상은 눈부심과 플레어 현상이 이미지의 최종 품질에 부정적인 영향을 미치고, 촬영 된 물체의 특징을 왜곡시킬 수 있다.

실제 University of California Riverside 에서 수행 된 이전 연구에 따르면 반구형 돔은 빛을 산란시키고 균일한 조명을 제공하는 데 매우 효과적인 것으로 나타났다.

돔 바닥에서 빛이 방출되기 때문에 촬영 된 물체는 돔 내부 표면에서 산란된 빛에 의해서만 확산되고, 좀 더 부드러운 조명이 된다. 이러한 돔형 시스템의 이점에도 불구하고 상용 장치는 가격 단가가 생각보다 매우 높고, 물체가 너무 작으면 해상도가 떨어질 수 있다는 단점이 제기돼 왔다.

또한 일부 동물은 기존 돔 기반 시스템보다 상당히 크기 때문에 특정 환경에서 적용이 제한될 수밖에 없다.

Kiel University 3D 인쇄 조명 시스템

이에 상업적으로 이용 가능한 조명 시스템의 크기와 비용 제약을 극복하기 위해 연구원들은 FDM (Fused Deposition Modeling) 3D 프린팅으로 전환했다.

이는 FDM 기계를 실행하는데 드는 비용이 적은 편이기 때문에 실험실 환경에서 점점 더 많이 사용됐다. CAD 소프트웨어를 사용하면 개체를 사용자 지정 가능하고 확장 가능한 방식으로 생성 할 수 있으므로 잠재적으로 피사체에 따라 돔 형상을 맞춤화 할 수 있다.

3D 프린팅을 활용하여 Kiel 팀은 기존 장치에 비해 여러 가지 업그레이드 기능을 갖춘 모듈식 LED 기반 돔을 제작했다.

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사진= Scientific Reports


이는 광량을 극대화하기 위해 옵션으로 제공되는 조리개 조리개를 시스템에 장착 할 수 있으며 '슬라이딩 테이블'기능을 사용하여 대상 물체를 사진가의 요구에 맞게 재배열 할 수 있게 했다.

또한 3D 프린팅을 사용하여 시스템을 제작하기 만하면 기존 조명 모델에 비해 품질, 내구성이 뛰어나고 재현성도 향상되는 효과를 보인다.

이러한 Prusa i3 MK3S 3D 프린터와 저렴한 흰색 PLA 필라멘트를 사용하여 연구원들은 세 가지 크기의 돔을 만들었다. 팀의 조명 시스템을 테스트하기 위해서는 지역 동물 박물관에서 박제 곤충 사진을 찍기도 했다. 방부 처리 된 곤충은 유리 디스크에 고정되거나 수중 표본인 경우 페트리 접시에 부착됐다.

이후 비교를 위해 따뜻한 또는 중성 백색 LED 스트립을 사용하여 각 돔에서 동일한 표본의 초점 스택 이미지를 촬영했다. 더 큰 물체의 경우 확장 플레이트와 차광 링을 돔 테이블 위에 배치하여 크기가 다른 종에 맞게 조정할 수 있다.

이러한 작업을 통해 팀은 곤충, 연체 동물, 척추 동물, 꽃 및 화석을 특징으로 하는 다양한 표본의 고해상도 이미지를 캡쳐해 냈다.

Kiel 연구원들은 그들의 LED 시스템이 이전 연구에서 생산된 것보다 더 내구성이 뛰어나고, 비용적인 면에서 충분히 더 효율적이라는 결과를 냈다. 덕분에 기존 상용 장치와도 충분히 경쟁할 수 있다는 결론을 내렸다.

또 연구팀은 가능한 한 쉽게 접근 할 수 있도록 설계함으로써, 향후 예산에 맞는 고해상도 이미지를 촬영할 수 있도록 하여 더 많은 실험과 연구에서 사용되기를 바란다는 입장을 전했다.

참고: Scientific Reports 저널

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