Wie 3D-Scans das Gesicht des 3500 Jahre alten Greifen-Kriegers enthüllt wurde

Die digitale Annäherung an das Gesicht des Greifen-Kriegers. Bild mit freundlicher Genehmigung von Dr. Tobias Houlton

Fünfunddreißig Jahrhunderte lang ruhte sein Körper in einem Grab unter einem Olivenhain, nur einen kurzen Spaziergang vom Palast des Nestor in Südgriechenland entfernt. Um ihn herum befanden sich mehr als 2.000 Gegenstände aus der Bronzezeit, darunter goldene Becher, Ringe und Halsketten, Hunderte von Edelsteinen, ein kunstvolles Schwert und der atemberaubende, kunstvoll geschnitzte Siegelstein aus Achat, international auch bekannt als Pylos Combat Agate.

Ein Dolch mit Goldgriff, der ursprünglich auf der Brust des Greifen-Kriegers ruhte. Bild mit freundlicher Genehmigung der Palace of Nestor Excavations, Abteilung für Klassische Philologie, Universität von Cincinnati

Der Name „Greifen-Krieger“ wurde geprägt, nachdem im Grab eine Elfenbeintafel mit der Gravur eines Greifs gefunden worden war. Die wahre Identität dieses antiken mykenischen Adligen ist immer noch ein Rätsel.

Dr. Sharon Stocker während der Ausgrabung im Grabes des Greifen-Kriegers. Bild mit freundlicher Genehmigung der Palace of Nestor Excavations, Abteilung für Klassische Philologie, Universität Cincinnati

Als die Archäologen der Universität Cincinnati, Jack Davis und Sharon Stocker, im Laufe von sechs Monaten sein Grab ausgruben, entdeckten sie das weitgehend intakte Skelett des Greifen-Kriegers und wandten Methoden der forensischen Gesichtsrekonstruktion an, um herauszufinden, wie dieser Mann im wirklichen Leben ausgesehen haben könnte.

Ausgrabungsplan des Greifen-Krieger-Grabes. Bild mit freundlicher Genehmigung der Palace of Nestor Excavationsm, Abteilung für Klassische Philologie, Universität Cincinnati

Die biologische Anthropologin Prof. Lynne Schepartz und der Gesichtsanthropologe Dr. Tobias Houlton wurden hinzugezogen, um diesem komplexen, mehrstufigen Prozess zu unterstützen. Schepartz leitete die Ausgrabung der Schädelfragmente, während sich Houlton sich auf die Schädel- und die Gesichtsrekonstruktion des Greifenkriegers konzentrierte.

Als Kurskoordinator und Dozent für den MSc in Forensic Art and Facial Imaging an der University of Dundee, Schottland, sowie als forensischer Spezialist und Experte auf seinem Gebiet hatte Houlton zuvor mit Interpol und zahlreichen Polizeibehörden im Vereinigten Königreich und in Südafrika an verschiedenen Fällen, bei denen eine Annäherung des Rekonstruktion von Gesichtern zur Identifizierung der Opfer erforderlich war, gearbeitet.

Über seine Arbeit wurde im National Geographic Magazine, dem Smithsonian Channel, BBC Radio 4 und noch einigen anderen berichtet.

Die Wahl des richtigen 3D-Scanners

Als es an der Zeit war, nach Griechenland zu reisen, um mit der Ausgrabung und Rekonstruktion des Greifen-Kriegers zu beginnen, nahm Houlton einen Artec Spider mit.

Artec Spider Scans vom Schädels des Greifen-Kriegers in-situ. Bild mit freundlicher Genehmigung von Dr. Tobias Houlton

Spider ist unter Forensikern und Forschern auf der ganzen Welt ein 3D-Scanner erster Wahl. Er ist bekannt für seine Fähigkeit, Objekte aller Formen und Komplexitäten kontaktlos und mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich erfassen zu können. Spider meistert auch Objekte besonders feinen Merkmalen, wie Schädelnähte oder hauchdünne Knochenfragmente.

Houlton: „Ich wusste, dass sich Spider perfekt in meinen Arbeitsablauf einfügen würde. Anstatt alles an die Anforderungen der Technologie anpassen zu müssen, wie es bei vielen anderen Lösungen der Fall ist, war Spider bei jedem Schritt für mich da.“

Der digital rekonstruierte Schädel des Greifen-Kriegers in der Software Artec Studio, Bild mit freundlicher Genehmigung von Dr. Tobias Houlton

„Bevor ich ein Schädelfragment aus dem Sediment hob, scannte ich diese Schicht, um die genaue Position und Ausrichtung jedes Fragments im Sediment zu erhalten.“

Er führt weiter aus: „Dann scannte ich jedes Stück direkt nach der Ausgrabung erneut- Dazu klebte ich auch vorübergehend Gruppen von Fragmenten zusammen und scannte diese. Als es dann an der Zeit war, den Schädel digital zu rekonstruieren, lieferten die Spider Scans präzise digitale Kopien der Schädelfragmente, zusätzlich zu ursprünglichen In-situ-Scans, die aus archäologischer Sicht unverzichtbar sind.“

CT-Scans durch antiken Boden

Doch bevor dies geschehen konnte, wurde der Sedimentblock mit den Überresten des Greifen-Kriegers von der Stätte entfernt und ins Labor gebracht. Dort wurde ein CT-Scanner eingesetzt, um zu versuchen, die Skelettelemente von den anderen Objekten in der Umgebung zu unterscheiden.

Leider war der CT nicht in der Lage, die Knochen von den anderen Objekten im Sediment zu unterscheiden, doch er lieferte zumindest eine Karte der Objektpositionen, die sich später bei der Extraktion der Skelettreste des Greifen-Kriegers als nützlich erweisen sollte.

Houltons Scans wurden direkt in der Software Artec Studio durchgeführt, wobei jeder Scan für die vollständige Erfassung einzelner Schädelfragmente und Sedimentschichten etwa eine Minute – oder sogar weniger – benötigte.

Anschließend wurden die Scans zu 3D-Modellen verarbeitet. Da Houlton zu diesem Zeitpunkt keinen Zugriff auf Geomagic Freeform hatte, setzte er den Schädel des Greifen-Kriegers in Artec Studio vollständig neu zusammen.

Houlton: „Die Ausrichtungswerkzeuge von Artec Studio machten es mir leicht, bestimmte Fragmente auszuwählen, sie zu verschieben und im Verhältnis zu allen anderen Teilen richtig auszurichten. Es dauerte nicht lange, bis ich alles wieder zusammengesetzt und schließlich eine digital rekonstruierte Version des Schädels des Greifen-Kriegers erstellt hatte.“

Wenn der traditionelle Abguss zu riskant ist, kann der „digitale 3D-Abguss“ helfen

Mit Blick auf die traditionellen Abgussmethoden zur Dokumentation von Skelettresten sagt Houlton: „Im Fall des Greifenkriegers waren viele der Schädelfragmente so zerbrechlich, dass wir sie nicht sicher hätten abgießen können.“

Er führt weiter aus: „Doch Artec Spider konnte jedes einzelne Stück in nur wenigen Sekunden 'digital gießen', und jetzt haben wir geschützte 3D-Kopien von ihnen, ohne dass die Originalobjekte jemals beschädigt wurden oder irgendwie gefährdet waren.“

Zurück im Büro exportierte Houlton die digitale Abbildung Schädels des Greifenkriegers von Artec Studio in Geomagic Freeform, um die eigentliche Rekonstruktion des Gesichts vorzunehmen.

Freeform: erste Wahl für die digitale Schädel- und Gesichtsrekonstruktionen

Dank der Fähigkeit der Software, den Nutzer über eine haptischen Stift in direkten kinästhetischen Kontakt mit dem 3D-Objekt zu bringen, ist Freeform für diese Art von Arbeit ein ideales Werkzeug – und das sowohl für Studenten als auch versierte Praktiker.

Screenshot von Geomagic Freeform-mit dem Schädel des Greifen-Kriegers, kurz vor der Gesichtsrekonstruktion. Bild mit freundlicher Genehmigung von Dr. Tobias Houlton

Im Gegensatz zu herkömmlichen Gesichtsrekonstruktion aus Ton ermöglicht Freeform die gemeinsame Nutzung unterschiedlicher Teilarbeiten von Agenturen oder digitalen Künstlern in der näheren und weiteren Umgebung, und das bereits innerhalb von Sekunden nach der Fertigstellung.

Aber wichtiger ist die G,ewissheit dass bei digitalen Rekonstruktionen, im Gegensatz zum Arbeiten mit Ton, keinerlei Gefahr besteht, dass das Original jemals beschädigt wird oder gar zerstört wird.

Dazu Houlton: „Wenn wir mit einer Rekonstruktion in Freeform fertig sind und in der Zwischenzeit der Originalschädel verloren gegangen oder zerstört worden sein sollte, oder wenn es auch nur Zweifel an der Genauigkeit des vorausberechneten Gesichts gibt, können wir immer wieder auf die Spider Scans des Schädels zurückgreifen.“

Screenshot von Geomagic Freeform während Gesichtsannäherung des Greifen-Kriegers. Bild mit freundlicher Genehmigung von Dr. Tobias Houlton

„Innerhalb von Sekunden können Sie die Genauigkeit der Schädelrekonstruktion zweifelsfrei überprüfen. Denn wenn man sich die Spider-Scans ansieht, kommt man dem echten Schädel so nahe wie nur möglich.“, sagt er.

Houlton teilt mit seinen Studenten an der University of Dundee seinen ganzen Fundus an Insider-Tipps und -Tricks für den Arbeitsablauf mit Freeform.

Unabhängig davon, ob sie später als Experten für Gesichtsrekonstruktion zusammen mit Polizei oder Geheimdiensten oder als CGI-Spezialisten in der Welt des Films, Fernsehens oder der Videospiele arbeiten werden, werden sie über alle Grundlagen verfügen, die sie benötigen, um Artec 3D-Scans in verblüffend lebensechte Gesichtsrekonstruktionen zu verwandeln.

Rekonstruktion vom Gesicht des Greifenkriegers in Freeform

Da mehrere der dünneren Gesichtsknochen des Greifen-Kriegers fehlten, insbesondere die Knochen um die Nase herum, da sie sich im Laufe der Zeit aufgrund der sauren Bodenverhältnisse an der Grabstätte aufgelöst hatten, entwickelte Houlton seinen eigenen Ansatz, um die Lücken exakt zu füllen.

Er erstellte eine durchschnittliche Gesichtsvorlage aus den Abbildungen von 50 Gesichtern moderner griechischer Männer ähnlichen Alters und ähnlicher Statur und fügte sie dann in Abrosoft FantaMorph zusammen. Die „Durchschnittsgesichter“ zeigen konsistente Tendenzen in den Gesichtsmustern auf, was Houlton bei der verbleibenden Rekonstruktionen, wenn einzelne Details nicht ermittelt werden können, weiterhilft.

In Geomagic Freeform - Verwendung der Gewebetiefen-Marker, um das Gesicht des Greifenkriegers zu erstellen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Dr. Tobias Houlton

Während der Rekonstruktion fügte Houlton zuerst die Augen ein, dann alle Gewebetiefen-Marker (bis zu 36), gefolgt von den Muskeln und der Hautschicht. Die Fähigkeit von Freeform, alle diese Merkmale als unabhängige Objekte zu organisieren und zu kennzeichnen und sie in eigenen Ordnern zu speichern, ist bei der Gesichtsrekonstruktion sehr nützlich.

Das Gesicht des Greifenkriegers: vom digital rekonstruierten Schädel zur endgültigen Gesichtsanpassung. Video mit freundlicher Genehmigung von Dr. Tobias Houlton

Die Fähigkeit der Software, durch das Modell hindurch und unter die Haut zu sehen und sicherzustellen, dass weiche und harte Gesichtszüge zueinander in Beziehung stehen, erspart dem digitalen Modellierer das, was manuelle Modellierer regelmäßig riskieren müssen: das physische Schneiden in den Ton/das Modellierwachs, um die Übereinstimmung mit dem darunter liegenden Schädelmodell zu überprüfen.

Warum 2D-Fotografie nie die erste Wahl sein sollte

Auf die Frage nach einem Vergleich zwischen der Arbeit mit 2D-Fotos und 3D-Scans für die Rekonstruktion an das Gesicht antwortet Houlton: „2D-Fotos sollten das letzte Mittel sein. Ein Beispiel dafür, warum Fotos wenig praktisch sind, ist, dass es sehr schwierig wird, anhand ihrer zu beurteilen, wie tief die Furchen im Bereich der Eckzähne sind, die zum Teil die Form der Nasolabialfalten bestimmen.“

Er fähr fort: „Wenn es um Genauigkeit und lebendigen Realismus geht, kann man mit dem 3D-Scannen im Vergleich zu 2D-Fotos fantastische Ergebnisse erzielen.“

Tatsächlich ist der Umfang der präzisen Oberflächendaten, die Spider Scans liefern, mehr als ausreichend, um Rekonstruktionen direkt anhand der Scans durchzuführen, ohne dass der Originalschädel als Referenzmodell vorhanden sein muss.

Dr. Tobias Houlton scannt an der Universität Dundee ein Schädelfragment mit Artec Space Spider. Bild mit freundlicher Genehmigung von Dr. Tobias Houlton

Houlton hat genau das im Laufe der Jahre in mehreren internationalen Projekten getan. „3D-Scans mit diesem Genauigkeitsgrad machen es möglich, Arbeiten zur Gesichtsrekonstruktion zu leisten, ohne dass wir dafür unser Büro verlassen müssen.“

Wann immer ein physisches Modell einer Rekontruktion benötigt wird, sei es für ermittlungstechnische, rechtliche oder andere Zwecke, ist es ein einfacher Schritt, die digitale Annäherung für den 3D-Druck zu exportieren.

In der Praxis kann das bedeuten, dass man eine Gesichtsrekonstruktion fertigstellt und das 3D-Modell mit dem Kunden teilt. Dieser wird es nur Sekunden später erhalten, selbst wenn er am anderen Ende der Welt ist. Anschließend wird direkt am Bildschirm alles überprüft und ein physisches Modell gedruckt, das nur Stunden später fertig sein wird.

3D-Scannen und 3D-Drucken in der Lehre der menschlichen Anatomie

An der Einrichrung für Digital Making der Universität Dundee, die über eine Sammlung von 28 verschiedenen 3D-Scannern verfügt, haben Houlton und seine Studenten ihre Spider Scans zusammen mit den Scans aus Ihren anderen Artec Scannern – Eva und Space Spider – in 3D gedruckt.

Der Nachfolger von Spider, Space Spider, verfügt über die gleiche Leistung wie sein Vorgänger, ergänzt durch eine leistungsstarke Temperaturstabilisierung und hochwertige Elektronik.

Artec Space Spider

Für den Studiengang MSc Forensic Art and Facial Imaging in Dundee wurden Artec Scanner schon vor Jahren in den Lehrplan aufgenommen, nachdem sie von Artec 3D Gold-Partner Patrick Thorn vorgestellt worden waren.

Als äußerst erfahrener Spezialist für 3D-Scannen im Bildungswesen, im Kulturgüterschutz, in der Forensik, im Gesundheitswesen und noch vielem mehr ist Thorn bestrebt, die Bedürfnisse seiner Kunden zu verstehen und ihnen zu helfen, die für sie bestmöglichen Lösungen zu integrieren. Er führt auch Workshops für seine Kunden an zahlreichen Orten in ganz Großbritannien, von der Spitze Cornwalls bis nach Nordschottland, durch.

Lebensechte 3D-gedruckte Knochen- und Schädelmodelle im Klassenzimmer

Houlton erklärt, wie wichtig der 3D-Druck für den Anatomieunterricht in Dundee ist: „Wir arbeiten regelmäßig mit 3D-Drucken von Schädeln und anderen Knochen, da der physische Umgang mit diesen Modellen für den Lernprozess sehr förderlich ist. Das ist also ein weiterer Bereich, in dem sich unsere Artec-Scanner als nützlich erwiesen haben.“

Er fährt fort: „Wenn man zum Beispiel eine 3D-gedruckte Schädelanatomie, die mit Spider Scans erfasst wurde, mit einem 3D-Druck desselben Schädels vergleicht, der jedoch mit Scans von anderen 3D-Scannern, die wir ausprobiert haben, erstellt wurde, kann man einen gewaltigen Unterschied in Bezug auf Detailtreue, Genauigkeit und Realismus erkennen.“

Wie in einer früheren Fallstudie erläutert, baut die Universität Dundee ihre Arbeit mit 3D-Scans und -Drucken mit jedem Semester weiter aus.

Die Medizin- und Forensikstudenten werden nach ihrem Abschluss in der Lage sein, einen Artec 3D-Scanner in die Hand zu nehmen, in wenigen Minuten jeden der 206 Knochen des menschlichen Körpers zu erfassen und diese Scans dann in naturgetreue 3D-Modelle umzuwandeln, die für AR, VR, 3D-Druck oder Gesichtsanpassung in Freeform verwendbar sind.

Gesichtsverwesung, Dokumentation von Massengräbern und mehr

Houltons neuestes Projekt führt ihn zusammen mit der University of Witwatersrand nach Südafrika. Dort wird er mit einem Doktoranden und einem akademischen Team an einem Projekt arbeiten, das die Auswirkungen der Verwesung auf menschliche Gesichter erforscht und den Grad der Veränderungen nach dem Tod ermittelt, um zu verstehen, was dies für die Gesichtserkennung bedeutet.

Im Anschluss daran hofft Houlton, ein archäologisches Projekt mit dem Orkney Research Centre for Archaeology in Angriff nehmen zu können, bei dem er sowohl vor Ort als auch in verschiedenen Ländern/Regionen Afrikas an der Dokumentation von Massengrabstätten arbeiten wird.