Debenjak-Ijäs Annukka Maaranen Nina Osteologia

Luuaineistojen 3D-digitointi tuo aineistot tutkimuksen ja opetuksen saataville

Annukka Debenjak-Ijäs ja Nina Maaranen

Museoaineistoja, niin arkistomateriaaleja kuin esinekokoelmia, on viime vuosien aikana sähköistetty yhä kiihtyvällä tahdilla. Tätä toimintaa on auttanut muun muassa sähköistämisen, eli digitoinnin, helpottuminen ja halpeneminen sekä digitoidun aineiston helpottunut tallentaminen ja jakaminen eri verkkoympäristöissä. Varsinkin koronaepidemia on korostanut digitaalisten lähteiden merkittävyyttä, sillä pääsy niin arkistoihin kuin aineistoihin on ollut rajoitettua ellei täysin mahdotonta. Myös luumateriaaleja on digitoitu kolmiulotteiseksi (3D) malleiksi, joita voi käännellä mihin tahansa asentoon. Tässä kirjoituksessa tutustumme lyhyesti 3D-digitoinnin perusteisiin luuaineiston näkökulmasta sekä 3D-digitointien käyttötapoihin osana osteologian opetusta ja tutkimusta.

Luuaineistojen 3D-digitointi

3D-digitointi on todellisesta kappaleesta mittauksin tuotettu digitaalinen, kolmiulotteinen kopio. Yleinen 3D-digitoinnin esitystapa, polygonimalli, koostuu monikulmioiden muodostamasta pinnasta sekä pintaan liitetystä värityksestä eli tekstuurista. Yleisimpiä 3D-digitointimenetelmiä ovat digitaalinen fotogrammetria sekä rakenne- infrapuna- tai laservaloon perustuvat 3D-skannerit. Vaikka 3D-digitointi on ensisijaisesti objektiivinen “mittaustulos” fyysisestä objektista, sisältyy siihen kuitenkin jonkin verran epävarmuustekijöitä johtuen valitun digitointimenetelmän tarkkuudesta.

Arkeologisen aineiston 3D-digitointiprosessi aloitetaan tutkimuskysymyksen asettamisella. Sen mukaan määritellään minkälaisella tarkkuudella 3D-digitointi toteutetaan, minkälaiset vaatimukset on 3D-digitoinnin väritykselle eli tekstuurille ja miten 3D-aineisto tallennetaan ja jaetaan, jotta se on helposti saavutettavissa ja käytettävissä. Digitointiprosessi voidaan jakaa viiteen vaiheeseen:

  1. Prosessin suunnittelu: digitointi- ja aineistonhallintasuunnitelman teko
  2. Aineiston keruu: kohteen valokuvaaminen tai skannaaminen eri asennoissa.
  3. Aineiston yhdistäminen valitulla tietokoneohjelmalla: eri puolilta kohdetta otettujen valokuvien tai skannausten yhdistäminen pistepilveksi.
  4. Polygonimallin laskeminen ja värittäminen.
  5. 3D-aineiston tallentaminen ja jakaminen valitulla alustalla.

Myös mallinnettavan kohteen pinta on tärkeää ottaa huomioon – tummat, kiiltävät ja läpinäkyvät pinnat ovat haasteellisia, sillä ne eivät taita valoa ennakoidulla tavalla, ja saattavat jättää aukkoja malleihin. Luumateriaali on yleensä helposti 3D-digitoitavissa, sillä etenkin arkeologisoituneet luut ovat usein mattapintaisia. Niiden pinnan värityksessä on runsaasti yksityiskohtia ja etenkin suuret luut tarjoavat paljon yhteisiä pintoja eri puolilta luuta otettujen kuvien tai 3D-skannausten yhdistämiseen. Luiden digitoinnissa haasteita tuottavat kiiltävät pinnat, kuten hammaskiille, hyvin kapeat tai ohuet kohdat sekä monimutkaiset muodot, kuten hermojen ja verisuonien aukot.

 

Kiiltävät ja monimutkaiset muodot digitoituvat heikommin ja saattavat muodostaa tummia katvealueita (ympyröity). Kuva: Annukka Debenjak-Iljäs.

3D-skannauksessa kohteen pinnasta tuotetaan digitaalinen rekonstruktio laser-, infrapuna- tai rakennevaloon perustuvien, pistemäisten mittausten avulla (Grussenmeyer et al. 2016: 305; Remondino & El-Hakim 2006: 271). 3D-skannereiden laatu ja käytettävyys vaihtelee huomattavasti laitteen hinnasta riippuen. Menetelmän etuna on sen tarkkuus ja nopeus, sillä laadukkaat laitteet yltävät 0,05-0,01 millimetrin tarkkuuteen.

Amputoidun reisiluun pinnassa näkyviä sahausjälkiä Artec Space Spider -rakennevaloskannerilla tehdyssä 3D-digitoinnissa. Kuva: Annukka Debenjak-Ijäs.

Fotogrammetriassa kohteen kolmiulotteinen muoto lasketaan joka puolelta kohdetta otettujen valokuvien pohjalta. Fotogrammetria-algoritmi tunnistaa valokuvista näkyviä yksityiskohtia ja laskee niiden sijainnin kolmiulotteisessa pistepilvessä, josta lopulta muodostetaan teksturoitu polygoniverkko. (Grayburn et al. 2019: 126). Muutaman millimetrin tarkkuuteen yltäviä 3D-digitointeja voidaan fotogrammetrialla koostaa jopa kännykkäkameran kuvista, kun taas hyvälaatuisilla, järjestelmäkameralla otetuilla valokuvilla voidaan päästä jopa 0,2 mm. tarkkuuteen. Kaupallisten ohjelmien, esimerkiksi Metashapen ja RealityCapturen, lisäksi tarjolla on myös avoimen lähdekoodin fotogrammetria-ohjelmia kuten MeshLab ja Meshroom. Menetelmä on yleinen, sillä fotogrammetrialla voidaan tuottaa tarkkoja 3D-digitointeja ilman mittavia sijoituksia kalliisiin laitteisiin. Fotogrammetrialla voidaan tallentaa jopa 3D-skannausta parempia tekstuureja.

Palanut ohimoluun palanen (ympyröity kallosta yllä oikealla) digitoitiin ennen kajoavan isotooppinäytteen ottamista. Vasen: luusta otetut valokuvakehät RealityCapture -ohjelmassa. Alla oikealla: kuva valmiista 3D-digitoinnista. Kuva: Jussi Moisio.

3D-digitoinnista osteologian näkökulmasta 

Osteologiassa digitoiduilla aineistoilla on moninaisia käyttötarkoituksia. Yleiset 3D-materiaalit, jotka kuvaavat luita täydellisinä (verrattavissa muovisiin opetusluurankoihin), ovat hyödyllisiä muun muassa anatomian opetusvälineenä. Niiden avulla voidaan havainnollistaa ei vain luiden muotoa ja lihasten kiinnittymistä mutta myös näiden kahden yhdessä muodostamaa liikettä. Tällaiset ohjelmat ovat nykyisin verrattain yleisiä, ja saatavissa usein jopa puhelinsovelluksina.

3D-mallit ovat hyödyllisiä myös anatomian opetuksessa. Kuva: WitmerLab.

Kun luusta tehdään tarkempi 3D-digitointi, jolloin sen yksilöllinen muoto ja pintarakenne tallentuvat, sitä käytetään yleensä tutkimustyössä. Digitaalista aineistoa on käytetty muun muassa iänmäärityksessä, luunmurtumien havainnoinnissa sekä sairauksien merkkien tallentamisessa. Yleisin 3D-materiaalin käyttötarkoitus on kenties kuitenkin joko funktionaalisen morfologian tai biodistanssin tutkimuksessa.

Funktionaalinen morfologia tutkii luun muodon muutoksia, jotka ovat joko yksilön tai evoluution muokkaamia. Elämän aikana harrastettu toistuva liikunta, kuten pitkien matkojen kävely, vaikuttaa luiden muotoon. Tällaiset muutokset johtuvat nimenomaan yksilön omista valinnoista, mutta joskus muoto saattaa olla myös periytyvä. Esimerkiksi ihmislajien välistä kallonmuodon vaihtelua on käytetty paljon evoluutiotutkimuksessa.  Biodistanssianalyysi sen sijaan käyttää luurangon ulkomuotoa sukulaisuussuhteiden arviointiin. Sukulaisuuden arviointi luista ja hampaista perustuu oletukseen, että ulkomuoto on kytköksissä geeneihin, ja näin ollen läheistä sukua olevat myös näyttävät enemmän toisiltaan. Ulkomuotoon perustuvilla menetelmillä ei päästä yhtä tarkkoihin sukulaisuussuhteisiin kuin DNA:lla, mutta niillä on mahdollista löytää linkkejä niin alueiden välillä kuin jopa hautausmaiden sisällä. Suurin osa tutkimuksista perustuu kallon tai hampaiden ulkonäköön, mutta varsinkin ensimmäiseen vaikuttavat myös ulkoiset tekijät.

Ylävälihampaasta luotua 3D-mallia käytettiin Australian alkuperäisväestön ja eurooppalaisten maahanmuuttajien hampaiden erojen tutkimuksessa. Tilastoanalyysi osoittaa, että ryhmien välillä oli muodollista eroa. IF=alkuperäisväestö, nainen; IM=alkuperäisväestö, mies; EF=eurooppalainen, nainen; EM=eurooppalainen, mies. (Kuva: Yong et al. 2018). Molemmissa tapauksissa digitoitu luu  analysoidaan geometrisen morfometrian avulla, jolloin alkuperäisestä mallista luodaan uusi huomattavasti yksinkertaisempi kuvio. Muutamien pisteiden avulla luotu kuvio on helpommin tilastollisesti tutkittavissa, sillä se ei sisällä yhtä paljon taustamelua tai tyhjää tietoa. Pisteiden sijainti uudessa mallissa ei ole sattumanvarainen, vaan on tutkijan asettama – jokaisen pisteen täytyy olla helposti löydettävissä, aina samassa järjestyksessä ja ennen kaikkea merkityksellinen muodon kannalta.
Neandertalinihmisen 3D-mallinnetusta kallosta (vasen) on luotu yksinkertaistettu malli (oikea) analyysia varten. Valituilla pisteillä on pyritty keskittämään matemaattinen analyysi ainoastaan merkittävään muodonvaihteluun. Kuva: Tübingenin yliopisto.

Luurangoista ja hautaympäristöistä on tuotettu myös 3D-malleja julkisiin tiloihin ja yleisille verkkosivustoille opetuskäyttöä varten. Muun muassa Lucyn, Etiopiasta vuonna 1974 löytyneen Australopithecus afarensis -yksilön, luurangon 3D-malli on verkossa vapaasti nähtävillä ja ladattavissa.

3D-mallien saatavuus on kasvanut räjähdysmäisesti, nähtävillä myös jutun loppuun kerätyistä verkkosivuista. Digitointimenetelmien nopean kehityksen myötä 3D-digitointien käyttö osana osteologisen aineiston tutkimusta, dokumentointia ja opetusta lisääntynee. 3D-digitoinnin vakiintumiseen kuuluu myös muutos kuriositeetistä osaksi arkeologian työkalupakkia – menetelmäksi, jonka vahvuudet ja heikkoudet tunnetaan.

———

FM Annukka Debenjak-Ijäs tutkii ja toteuttaa arkeologisten kokoelmien 3D-digitointia Turun yliopistossa.

Nina Maaranen on Bournemouthin yliopiston tohtoritutkija.

Anatomisia malleja:

Sketchfab: University of Dundee

Ohio University Heritage College of Osteopathic Medicine Visible, Interactive Human 

Idaho virtualization laboratory

Western University 3D

Kokoelmia:

Africanfossils.org

Barcelonan luonnontieteellinen museo

ANTHRO – A Collection of Digital Laboratories

Faces of Oplontis – Bioarchaeology in the Bay of Naples

Turun biologinen museo

Lähteet ja bibliografia

Evin, A., Souter, T., Hulme-Beaman, A., Ameen, C., Allen, R., Viacava, P., Larson, G., Cucchi, T., Dobney, K. 2016. The use of close-range photogrammetry in zooarchaeology: Creating accurate 3D models of wolf crania to study dog domestication. Journal of Archaeological Science: Reports 9: 87–93. Grayburn, J., Lischer-Katz, Z., Golubiewski-Davis, K., Ikeshoji-Orlati, V. 2019. 3D/VR in the Academic Library: Emerging Practices and Trends. CLIR pub 176. Council on Library and Information Resources.

Grussenmeyer, P., Landes, T., Doneus, M., Lerma, J. L. 2016. Basics of Range-Based Modelling Techniques in Cultural Heritage 3D Recording. Teoksessa Stylianidis, E. & Remondino, F. (toim.) 3D Recording, Documentation and Management of Cultural Heritage. Whittles Publishing.
 
Dunbeath. Kersten, T. P., Przybilla, H.-J., Lindstaed, M., Tschirschwitz, F., Misgaiski-Hass, M. 2016. COMPARATIVE GEOMETRICAL INVESTIGATIONS OF HAND-HELD SCANNING SYSTEMS. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XLI-B5: 507–514. Magnani, M., Douglass, M., Porter, S. T. 2016. Closing the seams: resolving frequently encountered issues in photogrammetric modelling. Antiquity 90(354): 1654–1669. Remondino, F. & El-Hakim, S. 2006. Image-based 3D Modelling: A Review. The Photogrammetric Record, 21(115), 269–291.  Riksantikvarieämbetet. 2019a. Guide for publishing 3D models. <https://www.raa.se/in-english/outreach-and-exhibitions/guide-for-publishing-3d-models/>. Ladattu 27.7.2020.
 
Yong, R, Ranjitkar, S, Lekkas, D, Halazonetis, D, Evans, A, Brook, A, Townsend, G. 2018. Three-dimensional (3D) geometric morphometric analysis of human premolars to assess sexual dimorphism and biological ancestry in Australian populations. American Journal of Physical Anthropology 166, 373-385.

Kommentoi

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.