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概要： 圣克勞德大學視覺化實驗室（VizLab）決定根據學校博物館的標本，建立一個互動式虛擬頭骨博物館。可使用3D掃描，但必須遵守一條原則：不可使用任何標記或貼紙。
目標：使用Artec 3D手持式掃描儀將博物館易碎藏品放在轉臺上掃描，包括頭骨和其他一些珍貴物品，隨后為其制作高度準確的彩色3D模型。
使用工具：Artec Eva, Spider, Artec Studio
通常你不會認為觀察一只死去動物的頭骨是一件有意思的事，但是明尼蘇達州立圣克勞德大學可視化實驗室團隊卻能讓你懷疑自己的審美偏好。觀看如下互動式頭骨博物館創意視頻，您定會認為將大學博物館收藏的系列頭骨進行視覺陳列的想法非常誘人。
這一令人著迷的想法背后需要依靠細節豐富的3D頭骨圖像，正因為如此，我們要感謝Artec Spider以及Artec Studio 10.
“除了使用Spider，我們找不到其他實際可行的方法。”可視化工程師、可視化實驗室負責人Mark Gill說道。
頭骨博物館僅是可視化實驗室正在展開的數個項目之一。其使命是為大學社區的復雜需求開發可視化、體驗式及多媒體解決方案。對于一些商業軟件無法滿足的需求，實驗室可提供軟件支持課堂教學、科研實驗室活動。“我們與教職員工合作，提供能完全滿足其需求的實驗室體驗。”Mark說道。實驗室制作軟件的學生也可從中學習到普通課程中難以獲得的高新科技和知識。
該實驗室最近剛購置了兩臺Artec 3D掃描儀——Eva和Spider，從而實現了互動式頭骨博物館的設想。
“購置Spider和Eva以前，我們實驗室沒有太多類似的工作。”Mark Gill說道，“我們使用過3DS Max之類的工具，大多數模型都是手動完成，但始終無法完成實物的高精度掃描。之前我們使用過消費者級別的掃描儀，以滿足掃描大型物體的需求。此外，我們還嘗試使用攝影測量法，但效果不一。”
Spider填補了實驗室向來空缺的利基市場，例如，實現了老舊機械零件逆向工程、制作箭頭、陶片等文物3D模型。實驗室團隊現在可以對無價的文物進行3D打印，并為借出的博物館藏品制作電子檔案。“Spider掃描文件精細優質，因此我們現在開始考慮對于掃描的物體進行表面幾何圖案的分析。”Mark說道。
他表示，藝術學院也對此產生了興趣，正計劃對雕像進行3D掃描以加入多媒體項目。憑借Spider這樣出色的工具，他們可以將實體媒介迅速融入到虛擬空間。他們還計劃對用戶進行掃描制作虛擬環境下的擬人頭像。
實驗室還升級至Artec Studio 10，工作人員對此十分滿意。
“這還是修復3D打印網格錯誤的工具。”Mark補充道，“我可以導入幾乎所有格式的模型文件，通過重新劃分網格，或高度整合幾組網格，迅速做好物理樣機處理的準備。”
在電子顯微鏡掃描數據的清理和呈現方面，例如數微米寬的晶體表面或單細胞微生物，AS 10同樣十分出色。此類數據通常帶有一些雜音和多余數據。但通過AS 10的編輯工具，雜音可以輕松清理，網格也能輕松整合。
現在我們來進一步了解AS 10及Spider是如何為特定項目——互動式頭骨博物館工作的。博物館展出了州立圣克勞德大學收藏的一系列哺乳動物頭骨，最小的動物是老鼠，最大的是牛。他們擁有不同的表皮、肌理和尺寸。負鼠、赤狐等小型標本光澤度高，幾近透明。項目下一步就是Mark已經開始著手做的類人猿頭骨數字化工作。
該博物館起初是生物學學生對系統生物祖先特征進行研究練習的實驗室。該項目當時滿足了學校生物項目的特定需求。
為掃描每一件頭骨，Mark使用了一款可旋轉掃描儀，并隨機做上標記方便操作。部分頭骨由于肌理豐富，因此無需標記，而對于其他頭骨來說，這一步至關重要。
一些小型標本整個掃描過程大約需要一小時。每個標本的頭骨和下頜均需分開掃描。頭骨部分由復雜的有機結構組成，因此Mark為每個部分進行八次掃描，以確保獲得了類似牙齒這類部位各個角度下的特征。
“由于這些標本是從博物館借來的，所以若不是萬不得已，我不想做任何標記或涂抹任何粉末，”Mark說道，“我把Spider的靈敏度調高，以處理某些難以讀取的表面肌理。”
挑戰最大的是鹿頭骨。Gill將頭骨、鹿角、下頜作為不同項目分開掃描。僅僅鹿頭骨就進行了23次掃描，產生了總共約12G的掃描數據。
生成最終網格時，整個頭骨首先完成分辨率為1毫米的高度整合過程。最終，老鼠標本形成近乎100萬個弧面，鹿標本形成約400萬個弧面。其他標本弧面數位于100萬-400萬之間。
Mark復制鹿頭骨網格后，開始進行簡化工作，并為不同部位的網格版本添加所需要的肌理。
“AS10進行的網格簡化是我見過很棒的。”Mark說道，“其他工具包允許你設置某些參數，但弧面數就像擲篩子一樣毫無定數，若精度提升十倍，質量便會大幅下降。使用AS10的話，我可以輸入我想要的網格弧面數，并最終得到一模一樣的弧面數。而且效果好得多。”
Mark隨后設置了4096x4096的肌理，并以.obj文件格式導出了簡化后的網格文件。
然后，Mark將3D模型轉移至3D Studio Max 2016，將模型與頭骨/下頜骨進行配對整合。他按照原本的樣子將模型拼接起來，并將兩者模型初始值重設為相同點數和對齊方式，這樣的話，它們既可以共同操作，又可以單獨展示。
整合完成后，Mark將文件導出，但下頜與頭骨依然以.FBX Autodesk媒體內置的文件單獨保存。
現實中的頭骨博物館配備了Unity 5游戲引擎。“我還打算應用于多點觸控的平板電腦上，所以目前正在使用一個叫做Gestureworks的框架來處理觸控操作，”Mark補充道。Unity可以對大多數種類的3D互動應用進行快速成型操作。“C#作為編程語言，我可以為頭骨的特定操作行為設計程序；在游戲引擎中控制移動軌跡，例如如何操作可以縮放或張嘴。”Unity還有一系列控制工具可輕易操控燈光和其他視覺效果。
“目前原型應用已經完成，我們會展示給生物學院教師看，了解是否滿足他們的需求。”Mark說道，“最后我們還會讓學生來操作這些標本，并與其他標本作比較，而且學生無需為操作過程損傷標本而擔心。”
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