Artec Eva로 칠흑같이 어두운 지하 동굴에서 25만 년 된 인간의 뼈(Homo Naledi)를 스캔하다

기존에 알려지지 않은 인간의 조상인 호모 날레디의 화석이 Artec Eva로 3D 스캔되었습니다.

이 이야기는 2013년 10월, 요하네스버스의 북서부 Rising Star 동굴 시스템으로의 동굴 탐험으로 시작합니다. 두 동굴 탐험가, Rich Hunter와 Steven Tucker가 동굴의 알려지지 않은 부분을 탐험하기로 결정하였습니다. 활송 장치로 들어가며 Hunter와 Tucker씨는 훗날 세소토 어로 별을 의미하는 Dinaledi 공간(별의 공간)이라고 명명된 동굴의 12미터 아래로 내려갔습니다. 여기에서 두 명은 화석 뼈의 매장물을 발견하였고 사진 촬영하여 위트와테라스렌트 대학교(위트 대학)의 Lee Berger 교수에게 보여주었습니다.

Berger 교수의 본능은 그들이 우연히 만난 것은 “우리가 어디에서 왔는가”에 대한 이해를 영원히 변화시킬 것이라고 이야기 했으며, Dinaledi 공간에 호모 날레디라고 임시로 이름 붙여진 호미닌(인간 조상)의 멸종된 종의 두개골 화석 15개가 들어 있다는 사실을 통해 진실을 증명하였습니다. 이 발견은 시신을 분리된 공간에 안치하는 것과 같이 독특한 사람의 특성이라고 오랫동안 믿어져 왔던 복잡한 의식 행위에 대한 증거를 제시합니다.

Berger 교수가 사이트에서 첫번째 사진들을 보자마자 탐험을 시작하기로 결정하였으며 소셜 미디어에 알리기로 하였습니다.:

“친애하는 동료 여러분, 저는 전체 커뮤니티에서 가능한 많은 관련 전문가 그룹을 소환하는 데 도움을 필요로 하고 있습니다. 우리는 빠르면 2013년 11월 1일 그리고 모든 물류가 계획대로 진행된다면 말일에 킥오프할 단기 프로젝트를 위해 우수한 고고학/고생물학 전문 지식 그리고 발굴 기술을 가진 세 네 사람이 필요합니다. 지원자는 마르고 가급적이면 체격이 작아야 합니다. 밀실공포증이 없어야 하며 동굴 탐험 경험이 있어야 하고 등반 경험이 있다면 더욱 좋습니다. 비좁은 공간에서 기꺼이 작업할 수 있어야 하며 좋은 태도를 가진 팀 플레이어가 되어야 합니다. 비록 많은 경험을 가질수록 더 좋지만 (박사 졸업의 수석 과학자 대환영), 제가 찾고 있는 분야가 생소하고 매우 전문적이기 때문에 경험이 많은 박사 과정 학생 혹은 잘 숙련된 석사 과정의 학생이라면 기꺼이 환영합니다. 어떠한 나이 제한도 없습니다. 많은 돈을 지불할 여력은 없습니다만 항공, 숙식(비록 대부분 야외 숙식일 것이고 도로로 끌어올리는 데 협업이 필요하겠지만)은 제공될 것입니다. 관심이 있으시다면 저에게 직접 연락 바랍니다. 기한이 매우 타이트하기 때문에 이 내용이 전문가 그룹에 많이 전파되었으면 좋겠습니다. 감사합니다. Lee 드림.”

동굴 탐험대와 과학자들이 작은 구멍들을 통과하고 용의 허리(동굴 속 15m 암벽 등반)을 올라가며 12m Chute를 내려가며 맞닥뜨린 18cm의 갭 등 화석으로의 접근은 쉬운 작업이 아니었습니다.

처음 3주간의 탐험은 2013년 11월, Rising Star 동굴 깊은 내부의 호미닌 유해를 복원하기 위해 이루어졌습니다. 동굴 탐험대와 과학자들이 작은 구멍들을 통과하고 용의 허리(동굴 속 15m 암벽 등반)을 올라가며 12m Chute를 내려가며 맞닥뜨린 18cm의 갭 등 화석으로의 접근은 쉬운 작업이 아니었습니다.

Dinaledi 공간은 내려가면 내려갈수록 좁고 사방이 막힌 동굴의 부분이기 때문에 상대적으로 날씬한 사람들만이 접근 가능합니다. 여섯 명의 화석인류학자, 고고학자, 인류학자들이 선발되어 발굴을 진행하기로 했습니다. 첫 번째 탐사 이후, 그 공간에서 발견된 15개의 호미닌 유해가 진짜였다는 것이 입증되었습니다. 그리고 2014년 3월, 나머지 자료를 복원하기 위한 두 번째 2주 간의 긴 탐사가 진행되었습니다.

Rising Star 동굴과 Dinaledi 공간의 제약 때문에 전통적인 방법의 발굴 레코딩 장비는 무용지물이 되었습니다.

Rising Star 동굴과 Dinaledi 공간의 제약 때문에 전통적인 방법의 발굴 레코딩 장비는 무용지물이 되었습니다. 즉 고화소의 공간 데이터를 수집할 새로운 접근 방법이 필요했습니다.

Berger 교수의 부름에 응답한 사람 중 한 사람인 Ashley Kruger씨는 Wits 대학 진화 연구소에서 박사 학위를 수료하였고 화석인류학 박사 프로젝트를 찾고 있었습니다. Kruger씨는 2013년 10월에 이 프로젝트에 합류하였고 Rising Star 동굴에서 첫 번째 발굴을 수행했습니다.

Fossil position recording was completed with Artec Eva.

 “우리는 Berger 교수님과 함께 제 박사 과정의 한 부분이 될 이 사이트 발굴 과정에 3D 이미지를 사용하는 것이 완벽한 방법이 될 것이라고 결정하였습니다. 화석 사이트 발굴 과정 동안 사이트에서 발견된 요소들의 위치를 기록하는 것은 각각의 조각들을 모아 복원된 화석 자료 전체의 맥략을 이해하는 데에 필수적인 작업입니다.” Kruger씨가 말하였습니다.

보통 그리드 시스템 혹은 토털스테이션으로 작업되던 화석 위치 기록을 Artec Eva로 수행되었습니다. Kruger 교수는 먼저 굴착기로부터 스캔 데이터를 수집하여 그 데이터를 렌더링, 융합하였습니다. 그리고 발굴되어 3D로 복원된 자료를 각각 다른 레이어로 편집하여 더 넓은 공간적인 맥락으로 배치하였습니다.

이 이미지는 발굴 과정 중 4개의 개별 단계로 촬영한 스캔으로 만든 것입니다. 갈색 베이스의 레이어는 발굴 구덩이의의 한계를 보여주고, 파란색과 주황색 레이어는 2014년 3월 화석들이 이틀에 걸쳐 발굴되는 모습을 보여줍니다. 화석화된 손과 하체 부분의 연결된 요소들을 깨끗하게 볼 수 있습니다. 이 이미지는 “새롭게 떠오르는 별: 생물학과 호모 날레디의 장례 행동”이라는 기사에서 처음 보여졌습니다.: RANDOLPH-QUINNEY, Patrick S.. 새롭게 떠오르는 별: 생물학과 호모 날레디의 장례 행동. S. Afr. j. sci.[online]. 2015, vol.111, n.9-10, pp. 01-04. ISSN 1996-7489.

Artec Eva는 발굴 현장에서 퇴적물 속의 화석을 스캔하는데에 사용되었습니다. 스캐너로 원하는 영역을 “연소하는 작업”을 통해 수반하는 랩톱 컴퓨터에 현장의 실시간 시각화를 생성합니다. 그리고 난 후 화석들의 레이어(최대 두께 5cm)를 제거하고 드러난 표면을 Eva로 스캔하였습니다.

2014년 3월, Rising Star 시스템의 Dinaledi 공간 안의 발굴 영역. 이 이미지는 여러 연결 부분을 보여주며 이 스캔이 완성된 후 복구된 나머지 연결되지 않은 부분 또한 보여줍니다.

Eva를 이용한 Dinaledi 공간의 발굴 기록은 두 가지 목적을 수행합니다. 첫 번째는 모든 뼈의 위치, 방향(축과 표면) 등 공간 데이터를 수집하는 것입니다. 두 번째는 기록된 데이터를 모든 스캔의 표면으로 이동시켜 지상의 과학자들에게 발굴과 복구에 관한 안내 및 발굴물로의 방향을 제공하는 것입니다.

Dinaledi 공간 안의 발굴 영역을 확대해 보면 발굴할 수 있을 만한 층이 많이 보여집니다. 상악(센터)를 명확하게 볼 수 있습니다.

 “저는 이 높은 수준의 기술의 간단함과 정확도에 놀랐습니다. 저희 팀은 1시간 동안 스캐너 사용법을 배웠습니다. 이 기술을 사용하면서 전체 복원 프로세스의 시간을 크게 줄일 수 있었습니다. 프로젝트 중 발굴된 뼈는 발굴 사이트에서 바로 기록되어야 합니다. 보통 이러한 작업에는 화석의 위치를 상호 참조용 그리드로 손수 기록하는 것이 포함됩니다. 하지만 매우 도전적이고 제한적인 조건 속에서도 Artec의 기술을 사용하여 이 과정을 엄청나게 간소화 할 수 있었습니다.” Wits 대학의 고생물학자 Ashley Kruger씨가 언급하였습니다.

지상팀이 3D 스캔으로 보고 있는 것들은 발굴 도중에 렌더링됩니다. 과학자들이 발굴을 진행하면서 3D 스캔이 기록됩니다.

후처리 과정은 Artec Studio 9(과 최신 Artec Studio 10 Professional)으로 진행 되었습니다. 각각의 스캔은 하나의 레이어로 편집된 독립된 이미지들로 이루어져 있습니다. 스캔들은 3D 삼각 포인트들을 가지기 위해 등록됩니다. 등록이 완료되면 독립된 레이어들은 최소 3개의 참조 포인트를 사용하여 수동 정렬됩니다. 이 참조 포인트는 Dinaledi 공간 안에 고정된 서베이 표시들의 조합이며 최적의 등록을 제공하기 위해 각각 스캔된 발굴 지역의 물리적인 특징들이었습니다.

발굴 멤버 중 한 명인 K. Lindsay Hunter씨는 다른 멤버가 발굴 영역을 스캔하는 동안 생성되는 3D 스캔을 모니터합니다. (Elen Feuerriegel에 의해 촬영됨)

정렬이 완성되면 글로벌 등록이 스캔 데이터가 정확하게 병합되도록 허용합니다. 이는 스캔 영역의 3D 메쉬 묘사를 생성합니다. 3D 메쉬는 Artec Eva로 스캐닝 중 동시에 캡쳐된 사진 텍스쳐 맵 위에 놓여 집니다. 각각의 3D 스캔을 편집한 후, 표면 스캔을 추출하고 결합하여 복수의 스캔들 중 합성 표면 스캔을 생성합니다. 이 작업은 발굴 지역과 공간이 발굴 과정 동안 3D 환경으로 시각화 될 수 있도록 합니다.

두 명의 발굴 멤버가 화석을 옮기기 전, Dinaledi 공간의 발굴 영역을 Artec Eva를 사용하여 스캔합니다.

Eva로 기록된 화석은 사이트에서 Wits 대학으로 옮겨졌습니다. 현재 가장 큰 화석 호미닌은 아프리카 대륙에서 1,550개의 요소들이 복구된 것입니다. 40여 명의 과학자들이 참여한 이 프로젝트는 2개의 과학 기사와 - NOVA / 내셔널 지오그래픽 특별 기사 “인류의 새벽”에 설명되어 있습니다.