연구 성과의 디지털화: 발굴 즉시 3D로 스캔하는 케냐의 인류화석 발굴 현장

케냐의 투르카나 호수(Lake Turkana)에 직접 방문한 Artec의 팀이 세계적으로 유명한 고생물학자와 함께 선사시대 동물과 인류의 화석을 3D로 스캔합니다.

투르카나 분지 연구소(TBI: Turkana Basin Institute)는 먼 옛날 케냐의 투르카나 호수 근처에 살던 우리 인류의 조상과 그 생활환경을 연구하는 곳입니다. 인류학자들이 발굴하는 유적들은 수백만 년 전 존재했던 생명체에 대한 무궁무진한 정보의 원천이 되고 있습니다. 이러한 유적과 화석들을 연구함으로써 과학자들은 우리 지구의 복잡한 연대를 재구성하고 이 땅에 존재했던 다양한 생명의 신비를 풀어냅니다.

TBI의 루이스 리키(Louise Leakey)는 “우리가 발굴하는 수많은 화석들 중에서 인류의 조상인 영장류의 화석은 1%에 불과한 것이 사실입니다. 오히려 구인류와 동시대에 공존했던 돼지, 말, 코끼리, 설치류나 기타 여러 종류의 생물이 더 많이 발견되는 편입니다.”라고 말합니다. 여러 해 동안 TBI는 다양한 화석을 발굴, 연구 및 보존하며 케냐국립박물관의 소장품 확대에 크게 기여해왔습니다.

TBI 연구실 내부

하지만 발견하는 화석들이 많아질수록 기존 발굴품과 새롭게 발굴하는 화석들을 효율적으로 보존, 기록 및 공개하는 작업에 어려움을 겪는다고 합니다. 대부분의 기록보존 기술은 원본 데이터를 적절히 기록하기 위해 과학자나 연구가들이 필요로 하는 부분을 충족시키지 못하고 있습니다. 예를 들어, 3D 모델을 만들기 위해 사진을 촬영하여 두 가지 화석 간의 거리를 측정하는 방법은 골격 형태가 흐릿하게 나온다는 단점이 있습니다. 그러나 3D 스캐너를 사용하면 보다 고해상도의 이미지로 고품질의 영상자료 기록이 가능합니다.

2014년 8월, Artec의 스캔 전문가인 데니스 바예프(Denis Baev)와 프란시스코 코레아(Francisco Correa)가 나이로비 북부의 쿠비 포라(Koobi Fora)에 위치한 TBI 연구소를 찾았습니다. 두 전문가는 우선 이 지역에서 발견된 화석들을 둘러본 후 스캔 전문가로서 TBI가 겪는 어려움을 파악했습니다. 데니스와 프란시스코는 Artec의 최고 스캐너 제품 중 휴대가 가능하며 고화질 3D 스캔 성능으로 뛰어난 평가를 받고 있는 Eva와 Spider 제품과 함께 방문했습니다.

데니스와 프란시스코는 TBI 연구원들과 함께 새벽 일찍 하루를 시작했습니다. 첫 일정으로 선사시대의 거대 생물 화석들이 발견되는 시빌로이 국립공원(Sibiloi National Park)에 방문했습니다. 200만년 전에는 거대 거북, 악어, 코끼리 등이 활보하고 다녔던 지역입니다.

도로도 없이 바퀴자국만 나 있는 울퉁불퉁한 길을 따라 몇 시간을 이동하니 첫 발굴 현장에 도착할 수 있었습니다. 도착한 후 데니스와 프란시스코는 선사시대에 존재했던 거대 포식동물의 화석들을 마주할 수 있었습니다.

현장 방문 전, 루이스는 Artec의 두 전문가에게 화석의 색깔, 질감, 패턴 식별 방법을 알려 주었습니다. 이에 따라 데니스와 프란시스코가 현장을 관찰해 보니, 화석이 도처 곳곳에 지천으로 깔려 있었습니다.

시빌로이 국립공원에서 발견된 화석

30여분 후, 한 바위 위에서 거대한 악어의 두개골을 발견할 수 있었습니다. 무려 2백만 년 전 선사시대에 살았던 이 악어는 경계심 없는 포유류를 먹이로 삼았을 것으로 추정됩니다. 강인한 턱뼈로 단단하고 질긴 고기를 섭취했을 것으로 보입니다.

현장에 도착하니, 루이스가 7년 전 이 두개골 화석을 발굴했을 당시에 비해 외형이 다소 변형되어 있었습니다. TBI가 발굴한 다른 화석들과는 달리 이 두개골 화석에는 기상 상태로부터 형태를 보존하기 위해 주변에 보호벽을 세워놓지는 않았지만, 그렇다고 해도 무게가 4.5kg에 달하는 이 역사적 화석이 날씨로 인해 위치나 형태가 변형되지는 않았을 것입니다. 아마도 누군가에 의해 훼손된 것으로 추정되는 이 화석은 안타깝게도 본래 상태로의 회복이 불가능할 것으로 보입니다. 어쩔 수 없이 남은 두개골의 형태라도 Eva를 사용해 스캔 작업을 실시하기로 했습니다.

Artec Eva를 사용하여 선사시대의 악어 화석을 스캔하는 모습

이 두개골 화석이 발견된 곳에서 멀지 않은 곳에는 또 다른 악어의 온전한 골격이 보관되어 있는 건물이 있습니다. 데니스는 이 화석을 본 즉시 3D 스캔 작업에 착수했습니다. 먼저 Eva를 사용하여 두개골의 전체를 스캔한 후, Spider로 세밀하고 작은 부분들을 캡쳐했습니다. 이렇게 선사 시대의 악어를 전체 스캔하는 데 20여분이 채 걸리지 않았습니다. 발굴 현장까지 이동한 시간에 비하면 아주 잠깐 사이에 모든 작업이 끝난 셈입니다.

Artec Eva와 컴퓨터를 사용해 화석을 스캔하는 데니스의 모습

3D 이미지로 스캔 완료된 악어 화석

악어 화석들의 스캔이 완료된 후, 데니스는 거대 거북을 스캔하기 위해 자리를 옮겼습니다. 그리고 오늘날의 아시아코끼리인 “Elephas maximus”와 유사종이지만 크기는 훨씬 거대한 선사시대 코끼리 “Elephas recki”의 스캔은 그 다음 날에 진행하기로 했습니다.

화석의 거대한 크기로 방향전환이 어려움에도 손쉬운 현장 스캔이 용이한 Artec의 3D 스캔 솔루션

과학자들에게 화석의 잔해는 마치 금광과도 같다고 합니다. 진귀한 금과 보석은 비교적 쉽게 캐낼 수 있는 반면, 이 거대한 골격 화석들은 원하는 방향으로 돌리거나 움직이기에는 너무 크고 파손에 취약해서 주의가 필요합니다. 발굴 현장에 그대로 보존된 화석의 경우는 그 주변 환경까지도 함께 조사할 수 있기 때문에 보다 복합적으로 많은 정보를 연구해볼 수 있습니다. 발굴된 화석에 더해 유용한 상황적 배경이 함께 있어 전문가들이 여러 학술적 방식으로 해석하고 이해해 볼 수 있기 때문입니다. 그래서 TBI 연구진들은 지질학자, 유전학자 등 타 분야 전문가들과의 긴밀한 협업이 필요합니다.

그러나 여러 분야 간 협업을 위해서는 투르카나 호수처럼 외진 곳에서 추려낸 정보에 대한 용이한 접근성이 필수적입니다. 3D 디지털 이미징 기술의 발전 덕분에 발굴된 화석들을 3D 파일로 기록하고 과학자들 간에 공유하여 연구하는 작업은 이제 과학계의 일상이 되었습니다.

실제로 루이스와 그녀의 팀은 Artec의 Eva와 Spider를 매일 사용합니다. 간혹 외부 학자들이 방문할 때에는 직접 Artec의 스캐너 사용법을 보여주기도 하는데, 이를 본 학자들은 자신의 연구 작업에도 유용하게 사용될 수 있어 구입을 결심하기도 합니다. 현재 Artec의 스캐너 제품들은 박물관 전시품으로만 활용되던 화석들을 3D로 스캔하는 데에도 사용되고 있습니다.

TBI의 디지털 화석보존 작업은 예술품을 디지털화하는 구글의 Art Project와 비슷한 작업입니다. 2011년에 시작한 구글의 Art Project는 참여한 박물관과 미술관들의 전시실을 온라인으로 연결하는 가상 포털과 같은 방식으로 운영됩니다. 예술 분야에서 가장 뛰어난 작품들을 고해상도 이미지로 제공하는 Art Project에도 역시 Artec의 Eva 스캐너가 사용되었습니다.

3D 스캔 작업을 앞두고 있는 화석들

TBI의 연구원들은 자신들이 투르카나 호수에서 수 년간 발굴하고 분류해 온 화석의 정보에 대해 모두가 손쉽게 접근할 수 있기를 바라고 있습니다. 하지만 이 복잡하고 세밀하며 질감 표현까지 완벽해야 하는 두개골이나 이빨과 같은 화석들을 3D 디지털 형식으로 제작하는 작업은 불과 얼마 전 까지만 해도 기술적으로 어려울 뿐 아니라 엄두도 못 낼 만큼 많은 비용이 소모되었습니다. 리키는 Artec과의 인터뷰에서, “과거 우리가 사용하던 스캐너는 사진측량을 통한 스캔기법을 사용했는데, 우리가 원하는 만큼의 세밀함과 정확성을 충족시켜 주지 못했어요. 그에 비해 Artec의 소형 스캐너는 정말 빠른 스캔이 가능해서, 1~2년 전만 해도 불가능에 가깝던 것들을 해낼 수가 있어요.”라며 여러 디지털 스캐닝 방법을 시도해 본 경험을 공유했습니다.

Artec의 Spider로 3D 스캔한 190만년 전 호모 하빌리스(H. habilis)의 두개골

Artec의 Spider로 텍스쳐까지 세밀하게 3D 스캔한 파란트로푸스 보이세이(Paranthropus boisei)의 턱뼈

Artec의 3D 스캐너를 사용하면 고대의 생물을 컴퓨터로 생생하게 관찰할 수 있습니다. Artec 제품들의 고화질 스캔 성능은 마치 실물을 보는 듯한 놀라운 3D 복제본을 제작하고 저장하며, 온라인 게시나 3D 인쇄까지도 가능합니다. 스캔 작업은 신속하고 유연하며, 스캐너 제품의 휴대성과 편리성도 뛰어납니다. 리키 또한, “실물 화석의 모습을 이 정도 수준으로 담아내는 복제본을 컴퓨터에 저장하고 관찰하기란 생각도 할 수 없었어요. 이렇게 고도의 세밀함까지 담아내는 기술은 정말 혁신적이라고 할 수 있어요. 게다가 이제는 언제 어느 곳에서나 3D로 스캔할 수 있어요. 우리에게 가장 이상적인 프로세스란 화석을 발견한 후 발굴하는 과정을 매일, 매 시간 스캔하여 세부 모습까지 기록하는 것인데, 이제는 이상에서 현실이 됐어요. 그 모든 과정을 기록할 수 있는 거죠.”라며 Artec 스캐너의 뛰어난 성능을 칭찬했습니다. 스캐너와 더불어 장시간 사용이 가능한 배터리 팩까지 더해진다면 전기가 없는 외딴 발굴현장에서도 장기간 동안 스캔 작업이 가능합니다.

Artec의 자동조합 알고리즘으로 스캔에서부터 매끄러운 후처리 과정까지 불과 30분만에 완료

고고학이라는 분야는 연구 현장을 제외한다면 박물관이나 세계 곳곳에 분포한 특정 연구소를 통해서만 접근이 가능했기 때문에 화석이 대중들에게는 상대적으로 소외될 수 밖에 없었습니다. TBI가 보유한 화석 발굴품들 역시 최근까지만 해도 다르지 않은 상황이었습니다. 박물관이나 연구소의 소장품들은 대체로 외부로의 이동이 최소화되지만, 이제는 3D로 렌더링한 화석을 원하는 만큼 복사하여 마우스 클릭 한 번으로 세계 어디로든 배포할 수 있습니다. 이처럼 3D 스캔 기술은 수많은 박물관, 미술관, 연구소의 공간적 제약으로부터 탈피하게 해주며 최신 연구결과와 디지털 미디어의 접목을 가능하게 합니다.

측정 후 주석이 삽입된 거대 거북 화석의 3D 스캔 렌더링

이러한 기술에 착안하여 루이스는 TBI의 연구 경험을 온라인으로 공유하는 웹사이트  “African Fossils”를 개설했습니다. Artec의 3D 스캐너와 더불어 여러 3D 스캔 도구를 복합적으로 활용하여 TBI의 연구 자료를 세계 각지의 일반인 및 연구소와 공유하고 있습니다.

이와 같은 기술은 인류의 역사를 전환하는 새로운 지평을 열고 있습니다. 루이스는 Artec과의 인터뷰에서, “우리가 발견한 화석의 디지털 기록을 이 외진 지역에 위치한 연구소에서만 소장할 것이 아니라 세계 각지의 사람들이 온라인 상으로 보다 자세히 관찰할 수 있도록 하는 훌륭한 기회라고 생각합니다.”라고 확신에 찬 어조로 말했습니다. Artec 스캐너의 뛰어난 성능에 무한한 접근성을 보유한 인터넷까지 더해져, 과학자들 간 지리적 장벽 없는 소통이 가능하게 되었습니다.