즐겁게 화석을 공부할 수 있는 인터랙티브 두개골 박물관

죽은 동물의 두개골을 관찰한다는 것이 일반적으로 그리 재미있는 일은 아닐 것 같지만, 미네소타주에 소재한 세인트클라우드 주립대학(St. Cloud State University)의 시각화 연구소(VizLab) 팀은 여러분의 미적 호감도를 변화시킬 수도 있을 겁니다. 인터랙티브 두개골 박물관에서 개념증명을 위해 촬영한 비디오를 보면 대학 박물관이 보유한 두개골 컬렉션을 스캔한다는 것이 이상하리만치 친근하게 느껴질 것입니다.

여기에는 아주 정교하게 3D 이미지로 두개골을 스캔한 Artec의 Spider와 Artec Studio 10의 성능도 한 몫 했을 것입니다. VizLab을 총괄하고 있는 엔지니어 마크 길(Mark Gill)은, “Spider 이외에는 실질적으로 다른 방법이 없다고 봅니다.”라고 극찬했습니다.

두개골 박물관은 VizLab이 작업한 몇 가지 프로젝트 중 하나입니다. VizLab은 대학과 같은 기관에서 필요로 하는 복잡한 니즈를 충족시키기 위해 시각화, 실험 및 멀티미디어 솔루션을 개발 및 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다. 수업, 연구 및 연구소 활동에서 발생하는 문제점들 중 시판되는 상용 소프트웨어로 해결 불가능한 부분들을 보완한 소프트웨어를 제공하고 있습니다.

마크는 “대학 교수 및 연구진들과 함께 작업하며 필요로 하는 바를 정확히 캐치하여 제공하고 있습니다.”라고 말합니다. 연구실에서 소프트웨어를 제작하기 위해 작업하는 학생들은 정규 커리큘럼에서는 접하기 어려운 각종 개념과 기술을 접해볼 수 있습니다. 연구소는 인터렉티브 두개골 박물관의 개관으로 최근 Artec의 3D 스캐너 중 Eva와 Spider 두 종류를 구입했습니다.

마크는 “Spider와 Eva를 구입하기 전에는 이런 종류의 작업을 거의 하지 않았습니다.”라고 말하며, “3DS Max같은 3D 모델링 프로그램이 있긴 했지만 대부분의 모델은 우리가 직접 수작업으로 제작했습니다. 그러나 실물을 정교하게 캡쳐하는 작업은 완벽히 해내기 어려웠죠. 다른 소비자용 스캐너를 사용해서 우리가 원하는 초대형 물체를 스캔 할 수는 있었습니다. 그리고 사진 측량(photogrammetry) 방법도 시도해 보았지만 엇갈리는 결과가 나왔습니다.”라고 덧붙였습니다.

Spider 스캐너는 연구소에서 오랫동안 고민하던 부분을 해결해 주었습니다. 예를 들어, 구식 기계 부품에 역공학적 방법을 사용한다든지, 화살촉이나 도자기 조각과 같이 고고학적으로 중요한 유물을 3D 모델로 제작하는 것이 가능해졌습니다. 연구소는 이제 귀중한 유물을 3D 프린터로 복제하고 박물관에서 빌린 작품 컬렉션을 3D 전자 보관함에 저장할 수 있게 되었습니다. 마크는 다음과 같이 말합니다. “Spider를 통해 우리가 얻은 스캔들이 꽤나 정교하기 때문에 이제는 스캔 표면에 대한 기하학적 분석을 시도해 볼 방법을 고려하고 있습니다.”

마크에 따르면 미술학부에서는 조각 작품들을 3D로 스캔하여 멀티미디어 프로젝트에 적용하는 방법에 관심을 가지고 있다고 합니다. Spider와 같은 스캐너를 사용하면 실물 매체를 가상공간에 신속하게 통합시킬 수 있습니다. 또한 사용자, 즉 사람을 스캔하여 가상 환경에서 나만의 아바타로 활용하는 작업에도 착수할 예정입니다.

최근 Artec Studio 10(AS 10)으로 소프트웨어를 업그레이드하면서 연구소 직원들이 아주 좋아했다고 합니다. 마크는, “AS 10은 3D 인쇄용 모델 제작 작업에서 메쉬의 에러를 편집하는 데 가장 효과적인 도구입니다.”라며, “어떤 포맷의 3D 모델이라도 불러오기가 가능하며, 모델의 메쉬를 간편하게 재구성(remesh)하거나 독립적 메쉬들을 정교하게 조합하는 등 신속한 프로토타입 제작 준비가 가능합니다.”라고 설명했습니다.

AS 10은 미세한 크리스탈 표면, 단세포 생물 등과 같이 전자 현미경을 통해 스캔하여 도출된 데이터를 수정하기에 상당히 유용한 소프트웨어로 인정을 받은 바 있습니다. 이러한 데이터에는 보통 일정량의 노이즈와 더불어 불필요한 데이터가 상당히 많이 생성되곤 하는데, AS 10의 편집 툴을 사용하여 노이즈를 제거하고 메쉬를 조합할 수 있습니다.

그렇다면 인터렉티브 두개골 박물관에서 AS 10과 Spider를 어떻게 사용했는지 자세히 알아보도록 하겠습니다. 박물관은 세인트클라우드 주립대학교 박물관이 보유한 포유동물의 두개골을 전시하고 있는데, 쥐처럼 작은 동물에서부터 소와 같은 큰 동물들까지 다양한 컬렉션을 제공합니다. 또한 표면, 텍스처, 사이즈도 다양합니다. 자그마한 주머니쥐나 붉은여우의 표본은 반짝이면서 거의 반투명한 모양입니다. 마크는 현재 대학교가 보유한 인류의 두개골 화석을 스캔하는 작업에 착수했습니다.

이 박물관은 계통 발생학적으로 공통된 조상(common phylogenetic ancestor)을 공부하는 생물학과 학생들을 위한 연구 실습 과제의 일환으로 만들어지게 되었습니다. 이 프로젝트는 대학의 생물학 프로그램을 위해 특별히 고안되었습니다.

거의 모든 표본들을 스캔해야 했기에 마크는 스캔용 회전판을 활용했습니다. 그리고 무작위로 표시를 해두어 레지스트레이션 시 유용한 표식으로 이용하도록 했습니다. 텍스처가 충분한 표본들은 레지스트레이션을 돕는 기능이 크게 필요치 않았지만 그렇지 않은 표본들에는 필수적이었습니다.

작은 표본의 스캔 및 프로세싱 작업은 보통 한 시간 가량이 걸립니다. 각 샘플의 두개골과 턱뼈는 따로 스캔합니다. 두개골은 모양 자체도 상당히 정교하고 복잡하게 유기적으로 연결된 구조를 가지고 있어서, 마크는 매 표본마다 8회 정도 스캔을 실시해서 이빨과 같은 부분의 특징을 모든 각도에서 캡쳐한다고 합니다.

마크는 이렇게 설명했습니다. “이 표본들은 박물관에서 빌려온 것들이라서 표면에 바로 표시를 한다든지 스캔 과정을 돕는 파우더를 도포할 수 없습니다. 그래서 Spider의 민감도 센서를 높은 수준으로 설정해서 인식이 힘든 부분들을 스캔하고 있습니다.”

가장 어려운 표본은 사슴의 두개골이었습니다. 마크는 두개골과 사슴뿔을 각각의 프로젝트로 생성했고, 턱뼈 역시 두 개의 프로젝트로 나누어 작업했습니다. 사슴의 두개골만 해도 23차례의 스캔으로 무려 12GB의 스캔 데이터가 생성되었다고 합니다.

최종 메쉬를 제작하는 과정은 모든 주개골을 1mm 해상도에 맞춰 정교하게 조합하는 것으로 시작했습니다. 이렇게 작업해서 생성되는 메쉬는 쥐의 경우 1만 개에 조금 못 미치며 사슴의 경우 4만 개에 이른다고 합니다. 그 외의 표본들은 1만~4만 개 사이입니다.

마크는 AS 10을 언급하며, “AS 10의 메쉬 단순화 기능은 제가 써 본 것들 중 최고에요. 다른 소프트웨어 패키지에서도 어느 정도 파라미터를 줄 순 있지만 최종 Face Count에서 보면 형편없는 결과가 나오기 일쑤이며 Decimate를 적용하면 메쉬가 망가지곤 합니다. 그런데 AS 10에서는 메쉬에서 내가 원하는 면(face)의 개수를 지정해 넣을 수도 있고 정확히 그에 따른 메쉬 결과물을 얻을 수 있습니다. 다른 소프트웨어에서 얻는 최종 모델보다 훨씬 더 좋은 모델을 얻을 수 있습니다.”라고 말합니다.

그리고는 4096x4096으로 텍스쳐를 렌더링한 후에 극도로 단순화시킨 메쉬를 자료와 함께 .obj 파일로 추출합니다.

그 다음부터는 이 모델을 3D Studio Max 2016으로 불러오기하여 두개골과 턱뼈를 하나의 모델 안에 조합해 넣습니다. 적절한 위치에 두 개의 스캔을 배치해서 두 모델의 원점(origin)을 동일 포인트와 얼라인먼트로 다시 세팅합니다. 이렇게 되면 두개골과 턱뼈는 동시에 움직일 수도, 따로 움직일 수도 있게 됩니다.

스캔의 병합을 완료한 후, 턱뼈와 두개골 각각의 스캔본도 유지해서 미디어가 들어있는 Autodesk의 .FBX 파일로 추출했습니다.

실제 두개골 박물관은 Unity 5 Game 엔진으로 제작되었습니다. 마크는, “우리는 대형 멀티터치 테이블을 몇 대 보유하고 있는데, 여기에서 터치로 조작할 수 있도록 노력 중입니다. 그래서 Gestureworks라는 프레임워크를 사용해서 터치 조작을 다루고 있습니다.”라고 말하며 다음과 같이 덧붙였습니다. “Unity는 대부분의 3D 인터랙티브 어플리케이션을 신속하게 제작할 수 있도록 해주는 플랫폼입니다. C#을 스크립터 언어로 사용하기 때문에 두개골의 행동 양식을 완벽하게 프로그래밍 할 수 있고, 게임 엔진에서의 움직임을 조정할 수 있으며 크기를 조정한다든지 턱을 벌리는 등의 움직임을 정확히 조절할 수 있습니다. 또한 Unity에는 조명이나 기타 시각효과를 손쉽게 조절할 수 있는 툴이 있어 편리합니다.”

이어서 마크는 다음과 같이 설명했습니다. “프로토타입 어플리케이션 제작이 완료되었으니 생물학부 교수진에게 보여주고 원하는 조건이 충분히 반영되었는지 확인 해 보려고 합니다. 최종적으로는 학생들이 실제 표본을 손에 들고 조심스럽게 살피는 것이 아니라 3D 표본들을 부담 없이 살펴보면서 다른 생물들과 비교해 볼 수 있는 기회를 제공하게 될 것입니다.”