범죄 현장에서 접촉 없이 몇 분 만에 신발 자국 3D 기록

DNA 외에 특정인을 범죄 현장과 연결시킬 수 있는 두 가지 일반적인 유형의 증거는 지문과 신발 자국입니다. TV 범죄 쇼와 CSI 다큐멘터리가 인기를 끌면서 많은 범죄자들이 얼굴을 숨기기 위해 마스크를 쓰고, 지문을 남기지 않기 위해 장갑을 사용하는 등 더 교활해졌습니다.

그러나 범죄자가 신발을 가리거나 개조하려고 시도하는 것은 극히 드문 일입니다. 이것이 실질적으로 모든 범죄 현장이 용의자를 범죄와 직접적으로 연관시킬 수 있는 신발 증거로 가득 찬 이유입니다.

그러한 증거를 적절하게 기록하고 수집하면 용의자의 신원을 넘어서는 많은 세부 정보를 얻을 수 있으며 심지어 신발의 유형, 상표, 크기 및 특정 모델, 그리고 현장의 용의자 수, 이들의 이동 경로 그리고 아마도 발생한 연속적인 사건들까지도 범죄 자체의 일부를 재구성할 수도 있습니다.

수집에서 비교까지

신발 자국을 전체 또는 부분적으로 수집한 후 SICAR, National Footwear Reference Collection(NFRC), EverASM 및 SoleMate FPX와 같은 검색 가능한 데이터베이스를 통해 수천 개의 참조 신발과 비교할 수 있습니다.

일치하는 것을 찾으면 조사관은 로고, 디자인, 트레드 패턴 등과 같이 제조 과정에서 생성되는 신발의 모든 클래스 특성을 볼 수 있습니다.

반면에, 신발의 "개별" 또는 "무작위로 획득된" 특성으로 알려진 것은 순전히 우발적인 변화와 함께 지속적인 착용 패턴의 결과이기 때문에 위의 어떤 데이터베이스에서도 발견되지 않을 것입니다. 이러한 특징으로 인해 각 신발은 다른 모든 신발과 차별화됩니다.

여기에는 긁힘, 흠집, 베임, 구멍, 마모, 작은 자갈 또는 발판 사이에 끼인 기타 물질 등이 포함될 수 있습니다. 특정 신발과 범죄 현장에서 발견된 자국을 연결하는 데 이러한 특성의 조합이 매우 중요한 이유는 동일한 장소에서 무작위로 획득한 동일한 특성 중 하나 이상을 다른 신발이 가질 확률은 천문학적으로 낮기 때문입니다.

신발과 자국의 사진을 비교하는 포렌식 신발 전문가

FBI에 따르면 8.5 사이즈 신발 밑창의 표면적은 약 16,000mm²입니다. 그래서, 만약 1mm 크기에 불과한 무작위적 특징이 하나라도 있는 경우, 그것이 베인 자국이든, 조약돌이든, 긁힌 자국이든 이것이 동일한 장소에 있는 다른 신발에 나타날 확률은 16,000분의 1에 불과합니다.

이것은 신발의 크기와 밑창의 모양뿐만 아니라 특징의 방향, 모양 또는 크기는 고려하지도 않은 것입니다.

이제 같은 위치에 있는 두 개의 서로 다른 신발에 있는 두 개 또는 세 개의 우연한 특성으로 늘리면 확률은 극적으로 떨어집니다. 두 개 특징의 경우, 1,279,992,000개 중 하나의 확률이고 세 개 특징의 경우에는 미시적인 6,830억 개 중 하나의 확률입니다.

자국을 신발과 용의자에 연결

실제 범죄 수사에서 이러한 자국이 어떻게 사용되는지 알아보기 위해 신발 검사관이 검색 가능한 데이터베이스를 사용하여 살인 용의자가 사이즈 15의 Nike Air Jordan XXXVI를 신고 있었던 것으로 판단했다고 가정해 보겠습니다.

검사관은 그 신발의 착용자를 찾는 것으로 검색 범위를 좁힐 수 있지만, 그에 상응하는 개별적인 특징, 이른바 신발의 "지문"을 통해 현장에서 찍힌 신발 자국을 실제 신발과 연결시킬 수 있을 때만 신원 확인이 이루어질 것입니다.

불행하게도 신발 자국은 수사에 매우 중요할 수 있는 만큼 범죄 현장이나 그 주변에서 발견되는 가장 취약한 증거 중 일부입니다. 그래서, 신발 자국은 즉시 기록하고 수집해야 합니다. 특히 신발 자국이 외부에 있고 자연의 요소에 취약하다면, 응급구조대와 행인들에 의한 오염의 위험은 말할 것도 없습니다.

포렌식 사진 및 주조: 전통적인 기록 및 수집 방법

수년에 걸쳐 검사용 품질의 컬러 사진을 찍어 신발 자국을 기록하는 과정은 오늘날의 과정으로 진화했습니다. 카메라는 필름 면이 신발 자국과 평행한 삼각대에 조심스럽게 배치해서 모든 사진에 자국의 바닥과 동일한 평면에 엄격한 배율이 포함되게 해야 합니다.

수집 단계에서 딱딱하고 평평한 표면에 만들어진 2D 신발 자국은 (보이지 않거나 분명하거나)  정전기, 접착제 또는 젤라틴 리프팅이 필요했습니다.

포렌식 기록을 위해 준비된 2D 신발 자국

반면에 모래나 흙과 같이 부드럽고 고르지 않은 기질로 만들어지는 3D 자국은 깊이 특성 때문에 치과용 석재와 같은 실리콘 또는 석고 기반 주조 솔루션이 필요했으며, 이는 지금까지 수십 년 동안 선택해 온 재료였습니다.

신발 자국 증거 주조의 어려움

주조 방법의 큰 단점은 접촉 집약적이고 파괴적인 과정이라는 것입니다. 즉, 원래의 자국이 손상되기 전에는 기회는 단 한 번 뿐이고 더는 증거로 사용할 수 없습니다.

주조 재료를 혼합하여 준비하자마자 적절한 속도로 신발 자국에 균일하게 부어야 합니다. 그렇지 않으면 재료가 아래로 향하는 충격으로 인해 재료가 굳어지기도 전에 주물이 쉽게 손상될 수 있습니다. 이 과정은 범죄 현장 기술자의 기술에 크게 좌우됩니다.

혼합 비율이 잘못되거나 혼합 재료에 기포가 있는 경우 다른 문제가 발생할 수 있으며, 이는 최종 경화된 주물에 틈이 생기게 할 가능성이 있기 때문에 조사 관점에서 주물을 쓸모없게 만들 수 있습니다.

이 접근법의 또 다른 문제는 종종 바위, 돌, 흙, 풀, 나뭇가지 및 기타 잔해 조각이 주조 재료에 섞여 주물의 일부가 된다는 것입니다. 그러나 이러한 물질을 주물에서 꺼내기 전에 주물 재료가 먼저 완전히 경화되어야 합니다. 그렇지 않으면 주물이 심각하게 손상될 수 있습니다.

현장의 3D 신발 자국 주물(치석)

아직 현장에 있는 동안 주물은 굳는데 45분에서 1시간이 걸립니다. 그래야만 그것을 운반하고 완전히 경화되는 데 걸리는 24~48시간 동안 안전하게 보관한 다음 필요에 따라 잔해물을 청소할 수 있습니다.

눈 속에서 3D 신발 자국을 수집해야 하는 경우 다른 경로가 필요합니다. 석고로 만드는 주물은 건조되는 동안 눈을 녹일 만큼 열도 방출합니다.

이를 방지하기 위해 Snow Print Wax®와 같은 제품을 눈 신발 자국에 분사할 수 있으며, 이때 너무 가까이 분사하거나 너무 많이 도포하면 원래의 자국 패턴이 왜곡될 수 있으므로 주의해야 합니다. 분사한 왁스가 건조되면 주물 재료를 조심스럽게 자국에 부을 수 있습니다.

눈 속의 포렌식 신발 자국

주물은 완전히 건조되었을 경우에만 다루어 조사에 사용해야 합니다. 주물은 재판 전과 아마도 무기한으로 증거로 보관해야 하기 때문에, 특히 떨어뜨리거나 잘못 다루면 파손되기 쉽기 때문에 큰 크기와 무거운 무게를 고려해야 합니다.

빠르고 간편한 비파괴적 증거 수집을 위한 3D 스캐닝

100여 년 전 포렌식의 아버지인 Edmond Locard가 "모든 접촉은 흔적을 남깁니다."라고 세상에 발표했을 때, 아마도 그는 또한 증거 수집 방법들과 그 방법들이 예외 없이 증거 자체를 완전히 파괴하지 않는다면 적어도 어떻게 변경하게 되는지를 언급하고 있었을 것입니다.

오늘날 점점 더 많은 법 집행 기관과 수사관이 신발 자국을 비롯한 증거를 수집하고 기록하기 위해 3D 스캐너를 사용하고 있습니다. 3D 스캐너는 본질적으로 비접촉식이자 비파괴형이므로 증거를 손상할 위험 없이 쉽고 안전하게 스캔할 수 있으므로 당면한 작업에 이상적인 선택입니다.

신발 자국 주물이 건조되기 전에 대기 시간이 필요한 것과 달리 스캐너를 통해 결과물로 만들어진 3D 모델은 심지어 범죄 현장에서도 캡처 후 몇 분 만에 준비할 수 있습니다. 이러한 3D 모델은 도시, 주 또는 그 이상의 곳에 있는 다른 조사관, 기술자 및 기관과 공유할 수 있습니다.

일부 3D 스캐너는 또한 영국에서 Artec의 골드 공인 파트너인 Patrick Thorn의 도움을 받아 Artec Leo로 1분 동안 눈 속의 부츠 자국을 스캔한 후 만든 다음 두 스크린숏에서 알 수 있듯이 눈에서 신발 자국을 캡처하는 데에도 사용할 수 있습니다.

눈 속 신발 자국의 Leo 스캔을 보여주는 Artec Studio 스크린숏. 사진 제공: Patrick Thorn

앞서 설명한 바와 같이 주조 과정에서 눈이 손상되지 않도록 보호하기 위해 특수 스프레이를 사용하더라도 많은 포렌식 팀은 현장에서 이러한 도구를 사용할 수 없거나 단순히 24~48시간의 주조 과정이 완료될 때까지 기다릴 만한 시간과 자원이 없습니다.

눈 속 신발 자국의 (텍스처가 제거된)  Leo 스캔을 보여주는 Artec Studio 스크린숏. 사진 제공: Patrick Thorn

증거 가늠: 3D 스캐닝 대 사진 측량 및 주조

최근에 3D 스캐닝 솔루션이 신발 자국 증거를 주조하는 데 적합한 대체 솔루션이 될 수 있는지 여부와 그것이 현대적인 디지털 사진 측량과 얼마나 잘 비교되는지를 알아보기 위해 포렌식 연구가 수행되었습니다.

휴대용 3D 스캐닝 기술을 사용한 신발 자국 증거 복원 연구는 온타리오 공과 대학(Ontario Tech University)의 포렌식 연구원이자 학생인 Julia Harvey가 FEPAC 인증 포렌식 학사 학위 프로그램의 학사 우등 연구 논문의 일부로 수행했습니다.

Harvey는 ai2-3D Forensics의 기술사인 Eugene Liscio, 온타리오 공과 대학의 Theresa Stotesbury 박사 그리고 지역 경찰 기관과 협력하여 연구의 목적을 달성했습니다. 이 연구의 중심에는 Artec Studio 소프트웨어와 함께 포렌식, 고생물학, 의학 및 기타 분야에서 오랫동안 널리 사용하고 있는 전문 휴대용 3D 스캐너인 Artec Space Spider가 있었습니다.

Artec Space Spider를 사용하여 3D 신발 자국을 기록하는 포렌식 연구원 Julia Harvey. 사진 제공: ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

Space Spider는 초당 최대 100만 개의 데이터 포인트를 0.05mm(사람의 머리카락 굵기)의 정확도로 캡처하므로 사용자는 표적이나 마커 없이 매우 복잡한 신발 자국도 1분 이내에 스캔할 수 있습니다.

단계별로 연구 진행

작업 흐름의 중심에서 Harvey는 두 개의 서로 다른 기질(흙과 모래)에서 (부츠와 운동화를 사용하여) 네 개의 개별 신발 자국을 만들고 CloudCompare에서 거리 계산을 수행하여 Space Spider 스캔에서 생성된 3D 모델 대 사진 측량을 사용하여 만든 3D 모델의 정확도를 밝혀냈습니다. 사진 측량을 통해 자국을 캡처하기 위해 Nikon 24.1 MP D7100 DSLR이 사용되었습니다.

3D 증거가 시각화되는 것을 지켜보면서 Space Spider로 3D 신발 자국을 기록하는 연구원 Julia Harvey. 사진 제공: ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

연구 결과에서 Artec Space Spider 포인트 클라우드와 삼각대에 장착된 3D 스캐너를 통해 만들어진 고해상도 기준치 3D 모델 간의 거리 계산에서 포인트의 97%가 절대 거리가 0.492mm 이하이고, 사진 측량과 기준치 3D 모델에 대해 동일한 계산을 수행한 결과 포인트의 97%가 절대 거리가 0.512mm 이하인 것으로 나타났습니다.

3D 신발 자국 기록을 위한 Space Spider(위) 대 사진 측량(아래)의 우수한 정확도를 보여주는 히트맵 비교. 사진 제공: ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

Harvey는 “연구 결과에 따르면 Artec Space Spider를 사용하면 범죄 현장에서 신발 자국 증거를 수집할 때 휴대용 3D 스캐너가 주물을 대체할 수 있습니다. 결과물은 2D 사진과 유사하며 이에 더하여 가능한 모든 각도에서 신발 자국의 모든 세부 사항을 바로 가까이에서 볼 수 있다는 이점이 있습니다.”라고 말했습니다.

모든 3D 스캐너가 그런 것은 아닙니다. 일반적으로 전문 3D 스캐너는 저렴한 솔루션보다 정확도가 훨씬 높고 노이즈 레벨이 낮습니다. Harvey의 연구에 따르면 스캔에 노이즈가 너무 많으면 작국을 다시 스캔해야 하며 이로 인해 복구에 필요한 시간이 몇 배로 늘어날 수 있습니다.

부츠 자국의 Space Spider 스캔을 보여주는 Artec Studio 스크린숏. 사진 제공: ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

또한 젖은 흙, 진흙 등과 같은 다양한 기질에 만들어지는 자국은 과도한 반사율 및 기타 문제로 인해 많은 3D 스캐너가 캡처하기 어려울 수 있으므로 실제 범죄 현장에서 사용하기 전에 이러한 시나리오를 테스트하여 선택된 장치가 모든 중요한 작은 개별 특성을 포함한 전체 자국을 캡처할 수 있는지 확인해야 합니다.

부츠 자국의 (텍스처가 제거된) Space Spider 스캔을 보여주는 Artec Studio 스크린숏. 사진 제공: ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

3D 스캐닝 대 사진 측량의 정확성 외에도, 포렌식 전문가와 기관은 다음을 포함하여 여러 다른 측면에서 이점을 얻을 수 있습니다.

• 캡처 속도(자국당 1분 미만)
• 현장에 있는 동안 분석을 수행하는 기능(밑창 특징과 개별 특성 간의 거리 계산)
• 부서와 기관 간에 3D 데이터를 쉽게 저장하고 공유
• 법정이나 수사를 목적으로 실제와 같은 복제본을 3D 프린트하는 기능

시연을 위한 포렌식 신발 자국의 3D 프린트된 축소 모델. 사진 제공: ai2-3D Forensics의 기술사 Eugene Liscio

Harvey는 다양한 기질 또는 다양한 기상 조건에서 만들어진 자국과 함께 불완전한 신발 자국의 3D 컬렉션을 포함하는 향후 연구 방향을 보고 싶어 합니다. 이미 알고 있는 신발과 알려지지 않은 자국을 3D로 비교하는 것도 법 집행 기관에 유용할 수 있습니다.

Harvey는 "전문 3D 스캐너는 범죄 현장에서 신발 자국의 캡처 외에도 혈흔 패턴, 총알구멍, 인체 및 유해는 물론 무기, 도구 및 주변의 전체 장면을 비롯한 기타 물체를 기록하는 것에서 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다. 저는 우리는 단지 3D 스캐닝이 포렌식 및 기타 분야에서 할 수 있는 일의 시작을 보고 있는 것이라고 생각합니다.“라고 말했습니다.