아프리카 사막의 극한 상황 속에서 3D 스캔 : 어떤 초보자의 성공 이야기

3D 스캐닝에 대한 기본적인 지식을 가진 한 고고학 전공 학생이 케냐의 한 발굴지로 세계적인 고고학자들이 발굴한 것들을 디지털 정보화 하기 위해 탐험을 떠났습니다.

케냐 북부의 Lake Turkana Basin은 고생물학적으로 그리고 고고학적으로 수많은 발굴지가 있는 것으로 유명한데, 그 곳들은 Leakey 집안과 그의 팀들이 20세기 중반부터 획기적인 발견을 이끌어온 곳이죠. 가장 유명한 발굴들은 150~160만년 전의 10살 소년으로 거의 Homo Erectus아 유사한 골격을 가지고 있었던 Turkana Boy나, 원시 인류의 대표라 할 수 있으며 200만년 전부터 도구를 사용했던 것으로 추정되는 Homo habilis가 있습니다. 이 인류에게 전 세계적으로 알려진 Homo Habilis나 “handy Man”이라는 이름을 붙인 것도 사실 Leakey입니다.

Turkana Basin Institute에서 Artec Space Spider 3D 스캐너로 디지털 모형을 만드는 중

Lake Turkana에서 연구를 시작한 지 수 십 년이 흐른 뒤, Leakey는 Turkana Basic Institute(TBI)를 설립했고, 이 지역에서 새로운 연구를 가능하게 했습니다. 2014년 여름, TBI는 커다란 사물을 위한 3D 스캐너인 Artec Eva와, 작은 사물을 위한 Artec Spider를 들였고, Artec의 Denis Baev에서 트레이닝을 받았습니다. Louise Leaky가 이끄는 이 팀은 TBI의 대규모 수집품들 중 화석화된 샘플들을 3D 정보로 디지털화 해오고 있습니다.

TBI 시설

TBI의 보관실

TBI의 뼈 수집품

Louise Leakey와 그녀의 동료들

TBI는 발굴 현장이나 실험실에서 선사시대의 동물 뼈나, 원시 인류의 뼈를 스캐닝 할 수 있는 연구원을 환영합니다. 그러한 연구원 중 한 명이 Natalya Prilepskaya인데, 그녀는 Moscow State University에서 고생물학을 전공하는 대학원 생으로, Artec Eva와 Space Spider 3D 스캐너를 이용해 화석을 스캔 하기 위해 Lake Turkana로 갔습니다.

Natalya Prilepskaya(왼쪽)와 Louise Leakey

Natalya는 그녀의 그녀가 느낀 점들을 우리와 공유하는 것에 기쁘게 동의했습니다.

“TBI에서 제 Mission은 고생물학적 샘플을 Artec의 스캐너인 Space SpiderArtec Eva로 스캔하는 것이었습니다. 문제는 제가 어떻게  3D 스캔을 하는지 배울 시간이 없다는 것이었죠. 사실 이곳에 오기 전 아주 잠깐 동안 배웠던 이론과 연습한 것이 전부였습니다. ArtecOlga Skvortsova, Denis Baev, Yaroslava Laptinskaya 그리고 제 남편 ergey Sukhovey에게 제가 짧은 기간 동안 배웠던 이 귀중한 지식에 대해 고맙다고 말하고 싶습니다.”

TBI에서 나만의 기술을 만들어 내는 것은 도전이었고, 쉽지 않은 일이었지만 불가능한 것은 없습니다.

TBI 보관실에서 Natalya

저의 연습은 대부분 “현장과 같은” 조건 속에서 이뤄졌습니다. 3D 스캔은 도자기 만들 때 쓰는 물래판에서 일하는 것과 비슷한데, 제가 도자기를 만드는 것을 좋아하기 때문에 그것은 좋은 일이었죠. 스캐너는 단순히 그 사물에 대한 정보만을 담아내는 것이 아니라, 그것을”만져서 느낍”니다. 당신이 얻었던 그 결과물은 마치 점토로 만들어진 것처럼 생생한 3D 모양이었을 것입니다.

Natalya가 Space Spider로 샘플을 스캔하는 중

하지만 3D 모델을 실제로 얻기 위해서는, 스캐너가 물체를 담아내는 것을 놓치지 않도록 저는 반드시 스캐너를 어떻게 작동시키는지 배워야 했습니다. 그렇게 하기 위해, 저는 그 사물을 보는 것이 아니라 스크린에서 눈을 떼지 않았습니다. 처음에는 제 눈이 스크린에서 사물로 옮겨갔고, 가끔 모든 것을 다시 해야만 했습니다. 제가 사물을 바라봤을 때, 제 손은 가끔 잘못 움직였을 것이고, 스캐닝 하는 부분이 Artec Studio의 초록색 field에서 사라졌습니다.

또한 중요한 것은 스캐닝 하는 속도였습니다. Space Spider로 스캔 할 때는 반드시 천천히 그리고 부드럽게, 덜컥거리는 움직임이 없도록 해야 합니다. Eva로 전면을 빠르게 스캔 하는 것과는 약간 다른 방법이죠. Space Spider로 스캐닝 하기 위해서는 회전 테이블이 작업하기 좋겠지만 TBI 안에는 없었습니다

또 한가지 배운 것은 일단 충분한 데이터가 모이면 멈춰야 한다는 것입니다. 저는 가끔 같은 부분을 반복해서 오가는 반복적이고 불필요한 행동을 했습니다. 그 결과 지나치게 많은 데이터 양으로 project 용량이 너무 컸고, 프로세스에도 너무 많은 시간이 걸렸습니다.

TBI에서 일하는 첫 날 스캔 할 샘플을 받았는데, 그것은 180만년 전 개코 원숭이의 두개골이었습니다. 배울 것이 아주 많았던 Institute의 Staff인 Timothy Gichnge와 Rovert Ngechu와 함께 작업할 수 있었던 것은 행운이었습니다. 제가 때때로 그들에게 돌아 조언을 구했기에 같은 사무실에서 일하는 것은 무척 편했습니다. 그들은 언제나 기꺼이 저를 도와주었습니다.

발굴 현장에서의 공동 작업

저는 제 자신에게도 도움이 될 것으로 생각하고 Timothy에게 마스터 수업을 들으라고 요청했습니다. 그럼 그가 어떻게 스캔 하는 지 볼 수 있으니까요. 이것은 아주 좋은 생각 이었습니다 ! 이것은 혼자서 스캔 하는 연습을 하는 것뿐만 아니라 프로가 어떻게 하는지 볼 수 있다는 점에서 매우 유용했습니다. Timothy는 Spider를 사물 주변으로 굉장히 부드럽게 움직였고, 단 한 번의 잘못된 움직임이 없도록 했습니다. – 마치 미니멀리즘 행위처럼요. 또한 그가 만들어낸 최종 결과물의 퀄리티는 최상이라고 밖에 표현할 수 없었습니다. 저는 어떻게 그렇게 능숙하게 스캔 하는 지 배우고 싶었습니다.  Timothy는 회전 테이블의 간단한 대체가 될만한 것을 찾아냈습니다. 그는 작은 물체들을 파일 포켓 위에 놓고 파일 포켓의 모서리 부분은 고정한 채로 그것들을 돌렸습니다. 그 포켓의 투명성 때문에 그것은 실제로 아주 좋은 해결책이었는데, Space Spider는 투명한 배경은 볼 수 없기 때문에 그 부분은 스캔 하지 않았기 때문입니다. 절약한 시간은 불필요하게 스캔 된 데이터와 테이블을 제거해서 깨끗한 모델을 얻는 데 쓰였습니다.

임시 플랫폼을 사용하여 스캔하는 중

몇 회의 트레이닝 세션 뒤에, 저는 제 자신의 기술을 완벽하게 하는데 최선을 다했습니다. 저는 가끔 Timothy와 Robert에게 혹시 잘못된 방법으로 하고 있진 않은지 제가 스캐닝 하는 것을 지켜봐 달라고 요청했습니다. 그 방법이 굉장히 도움이 된다는 것은 입증됐습니다.

Natalya가 샘플을 스캐닝 하는 중

남편Sergey가 저에게 한 번 보여주었던 요령을 Timothy에게 가르쳐 줄 수 있는 일이 마침 있었던 것은 기쁜 일이었어요. 영양의 굴곡진 뿔을 스캐닝 할 때, Space Spider는 뿔의 끝부분이 너무 얇고 공기에 매달려 있는 것 같아서 그것을 담아내지 못하기도 했습니다. 만약 글자나 그림이 있는 종이 조각 하나를 뿔의 끄트머리에 놓으면, 스캐너는 그것을 기준점으로 잡아내서 물체를 놓치지 않고 담아 냅니다. 결과물(Project)을 편집할 때 그 종이조각은 삭제하면 됩니다.

뿔이 달려있는 영양의 두개골

기후 또한 저의 배움에 한 역할을 했습니다. 현장은 극한적으로 더운 곳이었습니다. 제가 스캔을 하던 공간은 공기가 잘 통하는 곳이었음에도 불구하고, 노트북이 자주 과열되곤 했습니다. 노트북이 오랜 시간 작동되도록 하기 위해, 우리는 평평한 플라스틱 용기에 얼음을 담아 노트북을 그 위에 얹어 사용했습니다. 얼음의 윗부분이 녹으면 교체하면서 말이죠.

타는 듯이 더운 날의 발굴 현장

고려해야 할 또다른 요소는 강한 바람이었습니다. 많은 양의 먼지와 모래를 머금은 바람이 항상 불었고, 사용하는 하드웨어의 모든 구멍과 틈새에 침투하였습니다. Meave Leakey 박사는 투명한 커버를 사용하여 그녀의 노트북을 보호했습니다.

작업하는 동안 벌레가 거의 안보였다는 것은 정말 행운이었습니다. 보통 일년 중 이맘때에 이 지역에는 벌레가 모여 있어서 저녁에 작업하기 어렵습니다. 어둠 속에서 빛나는 스크린을 향에 몰려들기 때문이지요. 이 문제는 스크린의 색상을 변경하는 특별한 소프트웨어를 사용함으로써 해결되었습니다. 예를 들어 Macs는 검은 빛을 냅니다.

어둠 속에서의 작업

그녀가 TBI에 머무는 동안 Natalya는 플라이스토세에서 홀로세(2,600만년 전)까지 투르카나 호수에서 서식하던 포유류의 두개골 7개를 스캔하였습니다. 완성된 3D 모델은 사용자들이 필요한 모델을 다운로드하여 인쇄할 수 있도록 AfricanFossils.org 웹사이트 3D 인쇄 섹션에 게재되었습니다.

인류의 조상과 동물의 3D 모델 컬렉션 제작의 중요성은 과대평가하기 어렵습니다.

첫째로, 3D 스캔 기술은 연구원이 고생물학 샘플의 정확한 기하학 데이터를 얻을 수 있게 합니다. 물론 누구나 눈금자 혹은 캘리퍼를 사용하여 샘플을 측정할 수는 있지만, 이러한 측정은 완벽하지도 충분히 정확하지도 않습니다. 마찬가지로, 사진과 그림은 개체의 모양을 항상 정확하게 반영하지는 않습니다.

TBI 컬렉션의 다양한 뿔이 있는 두개골

둘째로, 3D 스캔은 표본의 모양에 대한 정보를 보존합니다. 단단해 보이는 화석일지라도 분해될 수 있습니다. 특히 햇빛, 바람, 비, 그리고 기후변화에 노출되면 말이죠. 만약 개체가 박물관에 보관되어 있을지라도, 습기, 부적절한 온도, 그리고 다른 불리한 조건들 때문에 일부가 파손될 수 있습니다.

화석에 영향을 미치는 일반적인 부정적인 요인은 화석을 부패시키고 부서지게 만드는 황철광 질병입니다. 이 질병은 산소가 풍부한 환경에서 습기, 온도 변화, 압력, 그리고 세균 활동이 활발한 곳에서 시작됩니다.

3D scanning의 정확성은 개체의 정확한 3D 이미지를 자연스런 색상으로 스캔할 수 있도록 해줍니다. 결과 모델은 측정값을 포함한 개체에 대한 모든 정보를 내포하여, 연구원들이 개체와 직접 접촉하지 않고도 작업을 가능하게 합니다.

불리한 조건에서 뼈는 부패하기 쉽습니다.

셋째로, 3D 모델 컬렉션의 생성은 표본에 대한 정보의 광범위한 교환을 용이하게 합니다. 과학자들은 표본을 확인하러 발굴 현장이나 박물관에 갈 시간과 비용을 소비하지 않아도 됩니다. 여러 연구실이 표본의 형태에 대한 3D 데이터를 공유하며 함께 작업할 수 있으며, 이는 효율성과 협업의 질을 높여 줍니다.

TBI에서 최근에 스캔된 가장 큰 표본중 하나는 거대한 코끼리 두개골이었습니다. 디테일을 연구해야 했고 움직이거나 뒤집기 매우 어려웠습니다. “표본을 스캔하고 세부 모델을 사용하는 것은 매우 흥미로웠습니다.” Loise Leakey가 말했습니다. 표본은 Artec Eva로 스캔되었고 데이터는 Artec Studio 11 3D object software로 처리되었습니다. 이는 개체의 정확한 3D 모델을 생성하는 시간을 최대로 줄여주었습니다.

Artec Eva로 거대한 코끼리 두개골 화석을 스캔하는 Timothy

Artec Eva and Spider로 포착한 코끼리 두개골 화석의 3D 스캔

궁극적으로, 3D 스캔은 교육을 촉진시킵니다. 3D 모델은 교실에서 종종 시각 보조 도구로 사용되기 때문이지요. 3D 모델은 컴퓨터뿐만이 아니라 점점 더 보편화되고 있는 3D 프린터로도 인쇄할 수 있습니다.

3D 스캔은 고생물학에 새로운 장을 열었습니다. 연구자에게 깨지기 쉬운 귀중한 발굴물을 보존하고, 그 어느 때보다 깊이 있는 표본을 연구하며, 젊은 세대들에게 인간의 기원의 근본적인 질문에 답을 찾는 연구에 대해 영감을 불어 넣어 줄 수 있는 강력한 도구를 제공합니다.

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