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요약

반쯤 탈지된 수염고래의 뼈 형태는 DSLR 카메라를 사용한 사진 측량으로 문서화하여 컴퓨터로 3차원(3D) 모델을 생성했으며, 이 모델은 전시 및 교육 목적으로 원본의 절반 크기 복제품으로 3D 인쇄되었습니다.

초록

고래류, 특히 수염고래 골격의 준비는 높은 지질 함량과 흔하지 않은 크기로 인해 큰 도전을 제시합니다. 골격 형태에 대한 문서화는 연구 및 교육 목적 모두를 위해 정확하고 신뢰할 수 있는 모델을 생성하는 데 중요합니다. 이 논문에서는 2014년 홍콩 해역에 좌초된 10.8m 길이의 오무라 고래를 예시로 사용했습니다. 이 희귀하고 거대한 표본은 살을 벗기고, 침식하고, 햇볕에 건조시켜 연구 및 공개 전시를 위해 골격을 산출했습니다. 그런 다음 각 뼈의 형태를 사진 측량으로 문서화했습니다. 골격의 복잡한 윤곽으로 인해 자동 사진 촬영이 부적절했으며 다양한 크기와 모양의 뼈에 3가지 수동 방법이 사용되었습니다. 캡처된 사진은 166개의 개별 뼈의 3차원(3D) 모델을 생성하기 위해 처리되었습니다. 골격은 전시 목적으로 폴리락트산으로 절반 크기로 인쇄되었는데, 이는 잔류 지방 함량이 높은 실제 고래류 뼈보다 유지 관리가 더 쉬웠습니다. 인쇄된 뼈는 Ce1과 관절을 이루는 휨 있는 배쪽 영역과 꼬리 과두 패싯을 포함하여 표본의 대부분의 해부학적 특징을 반영했지만, Balaenoptera omurai의 진단적 특성인 parieto-squamosal 봉합사의 유공(foramina)과 측면 가장자리의 뒤쪽 끝에 있는 전두골의 움푹 들어간 홈은 명확하게 나타나지 않았습니다. 모델의 정밀도를 향상시키기 위해 세심한 디테일이 있는 영역에서 추가 사진 촬영 또는 3D 표면 스캔을 수행해야 합니다. 3D 골격의 전자 파일은 전 세계 청중에게 도달하고 전 세계 연구자들 간의 과학적 협력을 촉진하기 위해 온라인에 게시되었습니다.

서문

고래류 좌초는 고래의 생활사, 생물학적 건강 및 프로필뿐만 아니라 인위적 행동이 생태계에 미치는 영향에 대해 배울 수 있는 귀중한 기회를 제공합니다. 3차원(3D) 표현 및 모델링을 통해 생체 역학 계산에 사용할 수 있는 형태 측정 값을 정확하게 표현할 수 있으며 다양한 생리학적 행동에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다1. 형태학적 적응을 통해 이 동물들은 바다에서 생존할 수 있었고, 좌초된 고래류에서 관찰된 일부 병리학은 고래의 생물학적 건강과 프로필, 인위적 및 비인위적 환경 또는 사망 원인을 밝힐 수 있습니다 2,3. 외상성 충돌에 따른 뼈 병변은 동물이 엄청난 수중 압력 하에서 계속 수영해야 하기 때문에 치유되지 않은 상태로 남아 있을 수 있습니다4. 해양 포유류의 경우, 압박 및 치명적이지 않은 가스 색전증은 뼈로의 혈액 공급을 감소시켜 기압외상을 유발할 수 있다5. 불리한 뼈 재형성은 통증과 척추 이동성 감소를 초래하여 포식이나 다른 위협에 대한 생존을 위태롭게 할 수 있습니다. 전 세계적으로 고래류의 사망률 및 이환율 보고가 증가한 것도 해양 건강의 쇠퇴 가능성을 시사합니다 6,7. 해양의 중요성과 인간의 건강과 고래류 및 생태계 건강 사이의 불가분의 관계를 인식하는 것은 '하나의 대양-하나의 건강' 연구 패러다임8으로 이어졌다.

2014년 3월 31일, 오무라고래(Balaenoptera omurai)가 홍콩 플로버 코브 컨트리 파크의 훙섹문 근처에서 좌초되었습니다. 이 종은 10.8m의 성인 암컷으로, 2003년 처음 발견된 이래 인도-태평양 지역에서 발견된 종은 소수에 불과하다. 이 정도 크기의 고래가 해변에 비치하는 것은 홍콩에서 흔한 일이 아니기 때문에 이 행사는 연구 및 교육 목적으로 고래의 골격을 보존할 수 있는 기회를 제공했습니다. 해변에 떠밀린 동물은 발견 현장에서 해부되고 살이 벗겨졌으며 대부분의 외부 근육과 내부 장기가 제거되었습니다. 총체적인 부검 결과 사체는 자가분해가 진행된 상태였으나 시신을 가로지르는 여러 개의 깊은 열상이 있었으며, 그 중 가장 심각한 열상은 뼈 전체에 걸쳐 깊은 가로 열상이 있는 오른쪽 가슴 지느러미를 중심으로 한 것으로 밝혀졌으며, 관찰된 사망 상태와 얽힘 증거가 어느 정도 신뢰할 수 있는 연관성을 보여주었다. 유골은 홍콩 특별행정구 정부 농림수산보존부에 의해 란타우섬의 한 장소로 옮겨졌는데, 그곳에서 구더기를 이용해 연조직을 먹었다. 뼈는 수동 문지르기로 2 개월 동안 물에 담가 두드려 탈지되었습니다. 상당한 양의 뼛 지방이 추출되었음에도 불구하고, 골격, 특히 두개골과 갈비뼈 가장자리는 갈색으로 남아 있었다. 잔류 지방은 제거하기 어려웠으며 치료하지 않고 방치하면 설치류를 유인하고 악화시켜 표본을 제시하기에 부적합하게 만들었습니다. 완벽한 보존 조건에서도 동물 뼈는 여전히 다양한 먼지에 서식하는 미생물에 의해 분해될 수 있습니다10. 반탈지된 골격의 형태를 디지털 방식으로 문서화한 다음 원본의 위생 복제품으로 내구성 있는 재료로 3D 프린팅하기로 결정했습니다.

생물학적 표본 3D 모델은 의료 영상, 표면 스캐닝 및 사진 측량을 포함한 여러 수단으로 생성할 수 있습니다. 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 영상(MRI)과 같은 의료 영상 방식은 외부 및 내부 기능을 모두 포함하지만 색상과 질감이 부족한 다중 평면 이미지를 생성합니다. CT는 다양한 종의 흡충, 수염 및 두개골의 해부학 또는 병리학을 문서화하는 데 사용되어 이동, 수렵 채집 및 신경 발달에 대한 고유한 적응을 밝혔습니다 11,12,13,14,15,16. 표면 스캐닝은 물체에 레이저 또는 구조광을 투사하며, 여기서 반사 패턴은 삼각 측량에 의해 기하학적 데이터로 변환되어 표면 모델을 생성합니다. 사진 측량은 대상의 약간 겹치는 일련의 사진을 기록합니다. 카메라가 물체 주위를 회전하거나 촬영 시 턴테이블에서 물체가 회전합니다. 이 과정은 마찬가지로 아래쪽을 캡처하기 위해 물체를 뒤집기 전에 다른 카메라 각도와 높이로 반복됩니다. 사진을 모델링 소프트웨어로 가져오면 3D 공간에서 각 피처의 위치와 거리를 계산하여 포인트 클라우드를 생성할 수 있습니다. 기하학적 정보는 포인트 클라우드의 삼각 측량에 의해 처리되어 다각형 메쉬를 생성하며, 이는 편집 및 제조될 수 있습니다. 3D 재구성은 스캔된 표면과 부피의 정확한 측정을 반영할 수 있습니다17.

사진 측량은 낮은 장비 비용, 적절한 출력 품질, 매우 다양한 크기와 모양의 뼈를 처리할 수 있는 유연성 때문에 오무라의 고래 골격을 3D 문서화하는 데 적합한 접근 방식으로 간주되었습니다. 예를 들어, 고래 두개골의 무게는 2.6m로 레이저 3D 표면 스캐닝과 같은 소형 방법을 실현할 수 없었습니다. 사진 측량에 필요한 장비는 캡처 해상도가 높은(>5메가픽셀) 디지털 카메라와 3D 표면 스캐닝을 위한 광학 또는 레이저 스캐너보다 훨씬 저렴한 모델링 소프트웨어만 있으면 쉽게 접근할 수 있습니다. 또한 3D 표면 스캐닝을 위해서는 데이터 수집 중에 스캐너를 합리적으로 고성능 컴퓨터에 연결해야 하며, 두 경우 모두 독립적인 전원 공급 장치가 필요합니다. 3D 표면 스캐닝은 전원이 없는 경우, 예를 들어 운송이 제한된 매우 큰 표본의 경우 또는 원래 고래 사체를 현장에서 스캔해야 하는 경우와 같이 적용할 수 없습니다. 사진 측량을 위해서는 디지털 카메라, 삼각대, 턴테이블과 같은 지지 장치만 있으면 됩니다. 따라서 사진 측량은 소규모 연구 그룹이 시작하기에 휴대성이 높은 보다 저렴한 옵션입니다.

디지털 모델은 3D 프린팅을 통해 실제 제품으로 변환됩니다. 용융된 폴리락트산(PLA) 층을 쌓고 응고시켜 고래 골격을 재현합니다. 절반 크기로 인쇄된 사실적인 복제품은 공개 전시 및 교육 목적으로 사용할 수 있습니다. 일반적으로 학생과 일반인의 경우 해부학 모델을 만지면 시각적으로뿐만 아니라 감각적으로도 동물을 감상하는 데 도움이 될 수 있습니다. 젊은 임상의나 과학자와 같은 전문가의 경우, 2D 사진으로 복잡한 구조를 이해하는 것이 어려울 수 있다18. 전통적으로 생물학적 표본은 교육 보조 재료가 되기 위해 소장을 거쳤지만 이 과정은 매우 복잡하고 자원이 많이 필요하며 시간이 많이 걸립니다. 사체는 생물학적 위험을 가질 수 있으며 각 표본에서 하나의 모델만 생성됩니다. 3D 문서화 및 프린팅은 교과서나 가상 애니메이션보다 더 즐거운 인터랙티브 경험을 제공합니다. 가상 해부조차도 유형의 조작의 이점을 제공할 수 없기 때문에 학생들 사이에서 인기가 없다19. 3D 프린팅 기술을 사용하면 희귀 표본의 여러 사본을 원치 않는 냄새나 깨질 염려 없이 복제하고, 손에 쥐고, 다양한 각도에서 면밀히 연구할 수 있습니다20. 제품은 예를 들어 쉽게 조작할 수 있도록 축소하거나 미적 일러스트레이션을 위해 다양한 색상으로 인쇄할 수 있도록 사용자 정의할 수 있습니다. 3D 모델은 또한 디지털 방식으로 편집하여 파손되거나 누락된 부품을 복원할 수 있어 다양성을 높일 수 있습니다. 3D 문서화 및 프린팅은 또한 연구자 간의 지식 공유를 촉진합니다. 유골은 디지털 방식으로 기록하고, 온라인으로 공유하고, 필요에 따라 인쇄할 수 있습니다. 표본은 "프로토타입"을 제작하여 생물학적 샘플 대신 표준 소포로 해외에 배포할 수 있으며, 이를 위해서는 특별 검역 또는 법적 문서가 필요합니다. 고래 뼈의 주요 지표로 구성된 전자 3D 모델은 전 세계 연구자들 간의 과학적 협력을 촉진하기 위해 다른 기관과 온라인으로 공유됩니다.

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프로토콜

1. 준비

  1. 반쯤 탈지된 고래 골격을 조립합니다.
  2. 각 뼈 조각에 대한 코드를 지정합니다. 이 코드는 사진 촬영, 3D 모델 생성 및 3D 프린팅에 사용됩니다.

2. 사진 측량

  1. 카메라 및 삼각대 설정
    1. 초점 거리가 24-70mm, 직경이 77-82mm, f 수가 2.8L인 표준 렌즈를 사용하십시오. 광각 렌즈는 피하십시오. 높이를 40-150cm로 조절할 수 있는 호환 가능한 삼각대를 사용하십시오.
    2. 조명 조건에 따라 셔터를 1/25에서 1/30로 설정합니다.
    3. 조리개를 f11에서 f13으로 설정합니다. 배경이 명확하게 캡처되었는지 확인합니다.
    4. ISO를 자동으로 설정합니다. 값이 1600을 초과하지 않는지 확인합니다.
    5. 삼각대를 표본에서 약 20-40cm 떨어진 곳에 놓습니다.
    6. 수평 높이의 경우 카메라가 표본과 수평이 되도록 삼각대 높이를 조정합니다(그림 1).
    7. 더 높은 고도를 위해 카메라가 표본에서 45° 아래로 기울어지도록 삼각대 높이를 조정하십시오.
    8. 낮은 고도의 경우 카메라가 표본 아래에서 위로 45° 기울어지도록 삼각대 높이를 조정합니다.
  2. 척추뼈 촬영
    1. 방 A에 투명한 테이블 상판을 준비합니다. 뼈의 등쪽 부분이 여기에서 스캔됩니다.
    2. 뼈를 테이블 위에 놓습니다. 잔류 오일이 있고 더 어둡게 보이는 뼈에는 링 라이트를 사용하십시오. 선택 사항: 더 나은 빛 반사를 위해 아래에 알루미늄 호일을 놓습니다.
    3. 2-3개의 마커 카드를 스케일 참조로 알려진 거리에 배치합니다.
    4. 삼각대를 수평 높이로 설정합니다(단계 2.1.6).
    5. 사진을 찍은 다음 표본 주위로 카메라를 15-20° 원형으로 움직입니다. 360° 회전이 완료될 때까지 반복합니다.
    6. 삼각대를 높은 고도로 설정합니다(단계 2.1.7). 사진 촬영을 반복합니다(2.2.5단계).
    7. 객실 B에 투명한 테이블 상판을 준비합니다. 뼈의 복부 부분이 여기에서 스캔됩니다.
    8. 뼈를 테이블 위에 거꾸로 놓습니다. 사진 촬영을 반복합니다(2.2.4-2.2.6 단계).
      알림: 방 A와 B에는 표본을 제외한 공통 물체가 없어야 합니다. 후처리 중에 혼동을 방지하기 위해 배경은 변경되지 않은 상태로 유지되어야 합니다. 사진 촬영 내내 고정된 초점 거리와 물체와의 거리를 유지해야 합니다. 축척 계산을 위해서는 한 장의 사진에 최소 2개의 마커 카드를 캡처해야 합니다. 각 표본에 대해 마커 카드가 있는 최소 5장의 사진을 캡처해야 합니다. 독특한 특징이 있는 표본(예: 유공충)의 경우 2-3장의 추가 클로즈업 사진을 캡처해야 합니다. 이 모든 것은 2.3단계 및 2.4단계에도 적용됩니다.
  3. 큰 뼈(두개골, 하악골, 갈비뼈, 견갑골 등)를 촬영합니다.
    1. 투명 지지대 (선반 또는 상자)를 준비하고 지지대에 뼈를 올려 놓습니다.
    2. 삼각대를 수평 높이로 설정합니다(단계 2.1.6).
    3. 사진을 찍은 다음 표본 주위로 카메라를 15-20° 원형으로 움직입니다. 360° 회전이 완료될 때까지 반복합니다.
    4. 삼각대를 높은 고도로 설정합니다(단계 2.1.7). 사진 촬영을 반복합니다(2.3.3단계).
    5. 삼각대를 낮은 높이로 설정합니다(단계 2.1.8). 사진 촬영을 반복합니다(2.3.3단계).
  4. 작은 뼈(지골, 갈매기 모양 등)를 촬영합니다.
    1. 알루미늄 호일로 덮인 턴테이블을 준비하고 그 위에 몇 개의 이쑤시개가 시편을 지지하기 위해 위쪽을 향하는 폼 큐브를 놓습니다.
    2. 뼈를 이쑤시개 위에 올려 놓고 복부 부분이 아래에서 보이도록 합니다.
    3. 삼각대를 수평 높이로 설정합니다(단계 2.1.6).
    4. 사진을 찍은 다음 턴테이블을 15-20° 회전합니다. 360° 회전이 완료될 때까지 반복합니다.
    5. 삼각대를 높은 고도로 설정합니다(단계 2.1.7). 사진 촬영을 반복합니다(단계 2.4.4).
    6. 삼각대를 낮은 높이로 설정합니다(단계 2.1.8). 사진 촬영을 반복합니다(단계 2.4.4).

3. 모델링 소프트웨어에 의한 데이터 처리(재료 표 참조)

  1. 희소 포인트 클라우드 만들기
    1. Workflow 메뉴로 이동하여 Add ChunkAdd Photos를 선택합니다. 단일 표본의 모든 사진을 선택하고 열기를 클릭합니다.
    2. Workflow 메뉴로 이동하여 Align Photos를 선택하고 OK를 클릭합니다. 이 단계는 다소 시간이 걸립니다.
    3. 모델 메뉴로 이동하여 점진적 선택을 선택합니다.
    4. Reconstruction Uncertainty(재구성 불확실성)를 선택하고 값을 10으로 설정한 다음 OK(확인)를 클릭합니다. [DEL]을 눌러 선택한 점을 제거합니다.
    5. Tools 메뉴로 이동하여 Optimize cameras를 선택합니다. 적응형 카메라 모델 피팅을 선택하고 확인을 클릭합니다.
    6. 3.1.3단계를 반복하고 재투영 오류를 선택하고 값을 0.5 미만 으로 설정하고 확인을 클릭합니다. [DEL] 을 눌러 선택한 점을 제거합니다.
    7. 3.1.3단계를 반복하여 투영 정확도를 선택하고 값을 10 미만 으로 설정하고 확인을 클릭합니다. [DEL] 을 눌러 선택한 점을 제거합니다.
    8. 포인트 클라우드를 회전하고 자유형 선택 도구와 [DEL]을 사용하여 원하지 않는 포인트를 삭제합니다.
  2. 희소 구름 정리
    1. Workflow 메뉴로 이동하여 Build Mesh를 선택합니다.
    2. Sparse cloud를 Source로 선택하고 Calculate vertex colors를 선택 취소한 다음 OK를 클릭합니다.
    3. File 메뉴로 이동하여 Import – Import Masks를 선택합니다.
    4. 모델에서(From Model as Method), 교체(Replacement)를 작업으로(Replacement) 선택, 모든 카메라에 적용(Apply to All cameras)을 선택하고 확인(OK)을 클릭합니다.
  3. 조밀한 포인트 클라우드 구축
    1. Workflow 메뉴로 이동하여 Build Dense Cloud를 선택합니다.
    2. 품질(중간 또는 높음)을 선택하고 포인트 색상 계산을 선택 취소한 다음 확인을 클릭합니다. 이 단계는 다소 시간이 걸립니다.
    3. 포인트 클라우드를 회전하고 필요한 경우 자유형 선택 도구를 사용하여 원하지 않는 점을 삭제합니다.
  4. 빽빽한 구름 청소
    1. Workflow 메뉴로 이동하여 Build Mesh를 선택합니다.
    2. Dense cloud(고밀도 클라우드)를 소스로 선택하고 OK(확인)를 클릭합니다. 로드될 때까지 기다렸다가 프로젝트를 저장하십시오.
  5. 모델 크기 조정
    1. 사진 패널에서 마커 카드가 있는 사진을 두 번 클릭합니다. 마커의 중심을 확대하고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 마커 추가를 선택합니다. 사진의 다른 마커에 대해 반복합니다.
    2. 마커 카드가 있는 모든 사진에 대해 반복합니다. 이전에 추가한 마커의 경우 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 마커 배치 를 선택한 다음 리스트에서 선택합니다.
    3. 마우스 왼쪽 버튼을 누른 상태에서 마커의 위치를 조정합니다.
    4. Workspace 패널의 Chunk – Marker(청크 – 마커)에서 [CTRL]을 누른 상태에서 알려진 거리의 마커 쌍을 선택합니다. 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 Scale Bar 생성을 선택합니다. 모든 쌍에 대해 반복합니다.
    5. Workspace( 작업 공간 ) 패널의 Chunk – Scale Bars(청크 – 배율 막대)에서 마커 쌍을 선택합니다.
    6. Reference 패널에서 Distance (미터)를 입력합니다. 모든 쌍에 대해 반복합니다.
    7. 프로젝트를 저장합니다.

4. 3D골격의 인쇄

  1. 모델 인쇄
    1. 수출. STL 파일을 3D 프린팅 소프트웨어로 변환합니다( 재료 표 참조).
    2. 필요한 경우 플랫폼에서 개체를 이동하고 회전합니다. 물체가 바닥에 닿는 크고 평평한 표면에 위치하는지 확인하십시오. 필요한 경우 확장 또는 축소합니다.
      참고: 3D 프린팅은 시간이 많이 걸리는 절차이며 뼈의 불규칙한 모양으로 인해 프로세스가 복잡해질 수 있습니다. 가장 평평한 표면은 인쇄하는 동안 인쇄물이 안정적으로 유지되도록 모델의 하단 부분으로 지정해야 합니다.
    3. 너무 커서 인쇄할 수 없는 부품(예: 하악골)의 경우 자유 절단 기능을 사용하여 개체를 여러 부분으로 나누고 출력물을 함께 붙입니다.
    4. PLA 필라멘트로 모델을 인쇄합니다. 0.03mm의 통과 거리를 사용하십시오.
      참고: 더 작은 통과 거리에서 인쇄하는 것은 더 긴 인쇄 시간이 필요한 미세 크기 기능이 있는 모델의 경우 권장됩니다.
  2. 스켈레톤 표시
    1. 3D 프린팅된 제품을 지정된 코드로 원본과 일치시킵니다. 잘못 인쇄된 것이 있는지 확인하십시오. 필요한 경우 다시 인쇄합니다. 표시할 스켈레톤을 조립합니다.

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결과

이 연구에서는 166개의 뼈 조각을 개별적으로 스캔하고 1mm 해상도의 3D 모델을 에 저장했습니다. STL 형식. 광조형 형식은 3D 프린팅에 일반적으로 사용되는 색상이나 질감이 없는 3D 개체의 표면 형상을 기록합니다. 오무라 고래 골격의 완전한 3D 모형이 대중에게 공개되었습니다(https://www.cityu.edu.hk/cvmls/omura). 두개골은 크기가 커서 전문 3D 프린터로 프린팅했습니다. 골?...

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토론

전시용 골격은 기름이 없고 냄새가 없어야 합니다. 고래 뼈는 기름기가 많은 것으로 악명이 높기 때문에 준비가 매우 어렵습니다. 1998년에 좌초된 어린 흰긴수염고래의 골격 유해는 매사추세츠의 뉴베드포드 포경 박물관에 전시되었습니다. 전문가들의 엄청난 치료에도 불구하고 뼈는 불쾌한 냄새와 함께 누렇게 누렇게 유지되었으며 20년 이상 지속적으로 오일이 흘러나?...

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공개

저자는 공개할 내용이 없습니다.

감사의 말

저자는 이 프로젝트를 지원해 준 홍콩 특별행정구 정부 홍콩 경찰의 농림수산보존부와 해양지역에 감사의 뜻을 전한다. 또한 홍콩 시립대학교(City University of Hong Kong)의 교직원과 학생들에게도 오무라의 고래 골격을 제거하고 처리하는 데 많은 노력을 기울인 것에 대해 진심 어린 감사를 표합니다. 저자들은 이 출판 비용에 대한 재정적 지원을 해준 홍콩 시립대학교(City University of Hong Kong)의 감염병 및 공중보건학과(Department of Infectious Diseases and Public Health)에 감사의 뜻을 전한다. 이 원고를 영어로 편집해 준 Maria Jose Robles Malagamba 박사에게 특별한 감사를 드립니다.

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자료

NameCompanyCatalog NumberComments
EF 24-70mm 1:2.8 L II USMCanonNACamera lens
EOS 5DSRCanonNACamera
ideaMaker 3.6.1Raise 3DNA3D printing software
MVKBFRL-LIVEUSManfrottoNACamera tripod
N2 PlusRaise 3DNA3D printer
Agisoft Metashape 1.6.4 (Professional Edition)AgisoftNA3D modeling software
Poly-lactic acidRaise 3DNA3D printing material
Precision 9010 CPU: 2 x Xeon E5-2620 v3DellNAComputer

참고문헌

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