3D 스캐닝이 3,500년 된 그리핀 전사(Griffin Warrior)의 얼굴을 드러내는 데 도움이 된 방법

그리핀 전사(Griffin Warrior)의 디지털 얼굴 근사. 이미지 제공: Tobias Houlton 박사

35세기 동안 그의 시신은 그리스 남부의 네스토르 궁전(Palace of Nestor)에서 조금만 걸어가면 있는 올리브 숲 아래의 무덤에 안치되어 있었습니다. 그를 둘러싸고 있는 것은 금잔, 반지, 목걸이, 수백 개의 귀중한 보석, 화려한 칼, 숨이 막힐 정도로 정교하게 조각된 필로스 전투 마노(Pylos Combat Agate)를 포함하여 청동기 시대로 거슬러 올라가는 2,000개 이상의 물체였습니다.

원래 그리핀 전사의 가슴에 놓여 있던 금장 손잡이 단검. 이미지 제공: University of Cincinnati 고전학부 네스토르 궁전 발굴팀

그리핀의 조각이 새겨진 상아 명판이 그와 함께 발견된 후 "그리핀 전사"라는 이름이 붙은 것을 고려하면 이 고대 미케네 귀족의 정체는 여전히 수수께끼입니다.

그리핀 전사의 무덤을 발굴하는 동안 Sharon Stocker 박사. 이미지 제공: University of Cincinnati 고전학부 네스토르 궁전 발굴팀

하지만 University of Cincinnati의 고고학자 Sharon Stocker와 Jack Davis가 6개월에 걸쳐 그의 무덤을 발굴하는 동안, 그리핀 전사의 가장 온전한 골격을 발견하자마자, 그가 실제로 어떻게 생겼는지 알아보기 위해 포렌식 얼굴 근사 과학으로 눈을 돌렸습니다.

그리핀 전사 무덤 발굴 평면도 이미지 제공: University of Cincinnati 고전학부 네스토르 궁전 발굴팀

생물 인류학자 Lynne Schepartz 교수와 안면 인류학자 Tobias Houlton 박사가 이 복잡한 다단계 과정을 돕기 위해 합류했습니다. Schepartz는 두개골 파편 발굴을 주도했고 Houlton은 그리핀 전사의 두개골 재구성과 얼굴 예측에 집중했습니다.

스코틀랜드 University of Dundee의 포렌식 아트 및 얼굴 이미징 프로그램 이학 석사 과정 코디네이터이자 강사이며 포렌식 아티스트이자 전문가인 Houlton은 인터폴과 영국 및 남아프리카 공화국의 수많은 경찰 기관과 함께 피해자 신원 확인을 위해 얼굴 근사를 요구하는 다양한 사건에 대해 협력했습니다.

그의 작품은 National Geographic Magazine, Smithsonian Channel, BBC Radio 4 등에서 인정받았습니다.

작업에 적합한 3D 스캐너 사용

그리핀 전사의 발굴과 재구성을 시작하기 위해 그리스로 여행을 떠날 때가 되었을 때 Houlton은 Artec Spider를 가져왔습니다.

제자리에 있는 그리핀 전사 두개골의 Artec Spider 스캔. 이미지 제공: Tobias Houlton 박사

전 세계 포렌식 전문가와 연구자가 가장 먼저 선택하는 3D 스캐너인 Spider는 두개골 봉합, 아주 얇은 뼛조각 등과 같은 까다로운 특징을 가진 물체라도 1mm 미만의 정확도로 모든 모양과 복잡성을 가진 물체를 비파괴적으로 캡처할 수 있는 능력을 인정받고 있습니다.

Houlton은 "Spider가 저의 작업 흐름에 완벽하게 들어맞으리라 것을 알고 있었습니다 다른 많은 솔루션은 기술 요구 사항을 충족하기 위해 모든 것을 조정해야 하지만, Spider는 그럴 필요 없이 모든 단계에서 도움이 되었습니다."라고 말했습니다.

Artec Studio 소프트웨어에서 디지털 방식으로 재구성된 그리핀 전사의 두개골. 이미지 제공: Tobias Houlton 박사

그는 이어 "퇴적물에서 두개골 조각을 들어 올리기 전에, 저는 퇴적물 내에서 각 조각의 정확한 위치와 방향을 보존하기 위해 그 층을 스캔했습니다."

그러고 나서 그것을 발굴한 직후, 각 조각을 다시 스캔하고 조각 무리를 임시로 접착제로 붙여서 스캔했습니다. 그렇게 해서, 두개골을 디지털 방식으로 재구성할 때가 되었을 때, Spider 스캔을 통해 고고학적인 관점에서 발굴 현장에서 필수적인 원래의 두개골 스캔은 말할 것도 없고 이 두개골 조각의 정확한 디지털 트윈을 얻을 수 있었습니다."라고 말했습니다.

고대 흙을 통한 CT 스캔

하지만 그런 일이 생기기 전에는 그리핀 전사의 유해가 담긴 퇴적물 덩어리를 현장에서 추출하여 연구실로 옮겼었습니다. 그곳에서 CT 스캐너를 사용하여 골격 요소를 주변의 다른 물체와 구별하려고 했습니다.

불행히도 CT를 통해서는 퇴적물에 있는 다른 물체와 뼈를 구별할 수 없었지만 적어도 물체의 위치에 대한 지도를 얻을 수 있었고 이는 나중에 그리핀 전사의 유골을 추출하는 과정에서 유용했습니다.

Houlton의 스캔은 Artec Studio 소프트웨어 내에서 직접 수행되었으며, 각 스캔은 각각의 두개골 조각과 퇴적층을 완전히 캡처하는 데 약 1분이 안 걸렸습니다.

이후 스캔은 3D 모델로 처리되었으며, 게다가 그 당시 Geomagic Freeform에 액세스할 수 없었던 Houlton은 Artec Studio에서 그리핀 전사의 두개골을 완전히 재조립했습니다.

Houlton은 “Artec Studio의 정렬 도구를 사용하면 특정 조각을 쉽게 선택하고 이동하며 다른 모든 조각과 적절하게 정렬할 수 있습니다. 모든 것을 다시 조립하고 마침내 디지털 방식으로 재구성된 그리핀 전사 두개골을 얻는 데 오래 결리지 않았습니다.”라고 말했습니다.

전통적인 주조가 너무 위험할 때 도움이 되는 3D “디지털 방식 주조”

Houlton은 유해를 기록하기 위한 전통적인 주조 방법을 회상하면서 "그리핀 전사의 경우 상당수의 두개골 파편이 너무 깨지기 쉬어 안전하게 주조할 방법이 없었을 것입니다."라고 말했습니다.

그는 이어 "하지만 Artec Spider는 단 몇 초 만에 각각의 두개골 파편을 '디지털 방식으로 주조'했으며 이제 원본 물체에 어떠한 손상이나 위험을 가하지 않고 3D 복제본을 보호했습니다."라고 설명했습니다.

사무실로 돌아온 Houlton은 실제 얼굴 근사를 위해 Artec Studio에서 그리핀 전사 두개골의 디지털 트윈을 Geomagic Freeform으로 내보냈습니다.

Freeform: 디지털 두개골 재구성 및 얼굴 근사를 위한 첫 번째 선택

촉각 펜 인터페이스를 통해 재구성자가 3D 물체와 직접 운동 감각적으로 접촉할 수 있는 소프트웨어 기능으로 인해 Freeform은 학생에서 숙련된 실무자에 이르기까지 작업을 수행하는 모든 사람에게 적합한 도구입니다.

얼굴 근사를 위해 준비된 그리핀 전사의 두개골을 보여주는 Geomagic Freeform 스크린숏. 이미지 제공: Tobias Houlton 박사

기존의 점토 얼굴 근사와는 달리 Freeform을 통해 완성 시점부터 몇 초 안에 에이전시 또는 디지털 아티스트가 어디에 있든 전체 근사를 공유할 수 있습니다.

더욱 중요한 것은 디지털 근사를 사용하면 점토와 달리 원본이 손상되거나 손실될 위험을 걱정할 필요가 없습니다.

이에 대해 부연하면서 Houlton은 "이제 Freeform에서 얼굴 근사가 완성되면 원래의 두개골이 소실되거나 파괴되는 경우 그리고 예상되는 얼굴의 정확성에 의문이 있는 경우 두개골의 Spider 스캔을 다시 참조하기만 하면 됩니다."라고 말했습니다.

진행 중인 그리핀 전사의 얼굴 근사를 보여주는 Geomagic Freeform 스크린숏. 이미지 제공: Tobias Houlton 박사

"몇 초 안에, 의심의 여지 없이 두개골 재구성의 정확성을 확인할 수 있을 것입니다. Spider 스캔을 볼 때 다른 어떤 것보다도 실제 두개골을 보는 것에 가깝기 때문입니다."라고 그는 말했습니다.

Houlton은 Freeform을 통해 자신의 모든 영역의 내부자 작업 흐름에 대한 조언과 요령을 University of Dundee의 학생들에게 알려줍니다.

따라서 그들이 경찰이나 정보기관과 협력하여 얼굴 근사 전문가로 일하게 되든 영화, TV 또는 비디오 게임의 세계에 몰두하는 CGI 전문가로 일하게 되든 Artec 3D 스캔을 놀랍도록 실제와 같은 얼굴 근사로 바꾸는 데 필요한 모든 기반을 갖추게 될 것입니다.

Freeform에서 그리핀 전사의 얼굴 재현

시간이 지남에 따라 그리핀 전사의 얇은 얼굴 뼈, 특히 코 주변의 뼈 중 몇 개가 묘지의 산성 토양 상태로 인해 분해되면서 없어졌기 때문에 Houlton은 그러한 틈을 정확하게 메우기 위해 자신만의 접근 방식을 사용했습니다.

그는 비슷한 나이와 체격을 가진 현대 그리스 남성 50명의 얼굴 이미지에서 평균적인 얼굴 템플릿을 만든 다음 Abrosoft FantaMorph에서 병합했습니다. 평균적인 얼굴은 얼굴 형태의 일관된 추세를 식별하며, 이는 각각의 디테일을 확인할 수 없는 나머지 근사를 도출하여 Houlton에게 도움을 주었습니다.

Geomagic Freeform에서 조직 깊이 마커를 사용하여 그리핀 전사의 얼굴 재현. 이미지 제공: Tobias Houlton 박사

근사화하는 동안 Houlton은 먼저 눈을 삽입한 다음 모든 조직 깊이 마커(최대 36개)를 삽입하고 나서 근육과 피부층을 삽입했습니다. 사용자가 이러한 모든 기능을 독립적인 물체로 구성하고 분류하여 자신의 폴더에 저장할 수 있는 Freeform의 기능은 얼굴 근사화 과정에서 매우 유용합니다.

그리핀 전사의 얼굴 재탄생: 디지털 방식으로 재구성된 두개골에서 최종 얼굴 근사까지. 이미지 제공: Tobias Houlton 박사

그뿐만 아니라, 모델과 피부 아래를 "투시"하여 부드럽고 단단한 특징이 서로 관련되도록 하는 소프트웨어의 기능은 수작업 모델 제작자가 정기적으로 어렵게 해야 하는 작업, 즉 기본 두개골 주물을 확인하기 위해 점토/모델링 밀랍을 물리적으로 절단하는 작업을 디지털 전문가가 하지 않아도 되게 합니다.

2D 사진 촬영이 절대 첫 번째 선택이 되어서는 안 되는 이유

얼굴 근사에 2D 사진과 3D 스캔으로 하는 작업을 비교해 달라는 질문에 Houlton은 “2D 사진은 마지막 수단이어야 합니다. 왜 2D 사진이 바람직하지 않은지 예를 들자면, 부분적으로 코입술주름의 형태를 나타내는 송곳니 부위 주변의 구멍이 얼마나 깊은지 측정하는 것은 매우 어렵습니다.”라고 말했습니다.

그는 이어 "일반적으로 정확성과 생생한 사실감에 있어서는 3D 스캐닝을 사용하면 2D 사진으로 할 수 있는 것에 비해 훨씬 더 놀라운 결과를 얻을 수 있습니다."라고 말했습니다.

실제로 Spider 스캔이 제공하는 폭널은 정밀한 표면 데이터는 원본 두개골이 참조 모델을 사용하지 않아도 스캔에서 직접 재구성을 수행하는데 충분합니다.

University of Dundee에서 Artec Space Spider로 두개골 조각을 스캔하는 Tobias Houlton 박사. 이미지 제공: Tobias Houlton 박사

Houlton은 수년에 걸쳐 여러 국제 프로젝트에서 바로 그 일을 해왔습니다. "이렇게 정확도가 높은 3D 스캔을 사용하면 사무실을 떠나지 않고도 얼굴 근사를 완성할 수 있습니다."

조사, 법률 또는 기타 목적으로 근사의 물리적 모델이 필요할 때마다 3D 프린팅을 위해 디지털 근사를 내보내는 간단한 단계입니다.

실제로 이것은 얼굴 근사를 끝내고 3D 모델을 지구 반대편에 있는 고객에게 보내 몇 초만에 공유할 수 있습니다. 그런 다음 단 몇 시간 후에 고객은 사용할 준비가 된 실제 모델을 3D 프린팅하면서 화면에서 검토하기 시작합니다.

인체 해부학 교육의 3D 스캐닝 및 3D 프린팅

28개의 다양한 3D 스캐너를 보유하고 있는 University of Dundee의 디지털 제작 시설에서 Houlton과 그의 학생들은 Dundee의 다른 Artec 스캐너인 Eva와 Space Spider의 스캔과 함께 Spider 스캔을 3D 프린팅했습니다.

Spider의 후속 제품인 Space Spider는 강력한 온도 안정화 및 고급 전자 기술 외에도 이전 제품의 모든 기능을 갖추고 있습니다.

Artec Space Spider

Dundee의 포렌식 아트 및 얼굴 이미징 이학 석사 프로그램에서는 수년 전 Artec 3D의 골드 파트너인 Patrick Thorn의 소개에 따라 Artec 스캐너를 교육 과정의 일부로 채택했습니다.

교육, 문화유산, 포렌식, 의료 등을 위한 3D 스캐닝 분야에서 경험이 풍부한 전문가인 Thorn은 고객의 요구를 이해하고 고객이 가능한 최고의 솔루션을 통합할 수 있도록 돕습니다. 그는 또한 콘월 최남단에서 스코틀랜드 북부에 이르기까지 영국 전역의 여러 곳에서 고객을 위한 워크숍을 진행합니다.

교실에 있는 실물 같은 3D 프린팅된 뼈 및 두개골 모델

Houlton은 Dundee에서 인체 해부학을 가르치는데 3D 프린팅이 얼마나 필수적인지에 대해 언급하면서, "이러한 모델을 물리적으로 다루는 것이 학습 과정에 매우 도움이 되기 때문에 우리는 정기적으로 두개골과 다른 뼈의 3D 프린트를 사용하여 작업합니다. 그리고 이것은 우리의 Artec 스캐너가 유용하다는 것이 증명된 또 다른 영역입니다."라고 말했습니다.

그는 이어 "예를 들어 Spider 스캔으로 만든 3D 프린팅된 두개골 구조를 가져와서 동일한 두개골 조각의 3D 프린트와 나란히 놓고 우리가 시도한 다른 3D 스캐너의 스캔을 사용하여 만든 경우, 디테일, 정확성, 사실감 측면에서 엄청난 차이가 있음을 알 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

이전 사례 연구에서 설명한 바와 같이 University of Dundee에서는 매 학기마다 3D 스캐닝 및 프린팅 작업을 계속 늘리고 있습니다.

그곳의 의학 및 포렌식 아트 학생들은 졸업할 때쯤이면 Artec 3D 스캐너를 사용하여 인체의 206개 뼈 중 어느 것이든 몇 분 안에 캡처한 다음 해당 스캔을 Freeform에서 AR, VR, 3D 프린팅 또는 얼굴 근사에 사용할 수 있는 실물과 같은 3D 모델로 변환할 수 있습니다.

얼굴 분해 및 합장묘 기록 그 이상

최신 프로젝트를 수행하기 위해 Houlton은 남아프리카로 가 University of Witwatersrand와 공동 작업을 하게 될 것입니다. 그곳에서 그는 인간의 얼굴에 미치는 분해의 영향을 연구하고 사후에 일어나는 변화의 정도를 파악하고 이것이 얼굴 인식에 무엇을 의미하는지 알아보는 데 전념하는 프로젝트에서 박사 과정 학생 및 학술 팀과 함께 작업할 것입니다.

그런 다음, Houlton은 Orkney Research Center for Archaeology와 함께 고고학 기반 프로젝트에 착수하여, 아프리카의 다양한 국가/지방 및 지역에서 작업하면서 합장묘의 기록에 관여하기를 바라고 있습니다.