3D掃描儀
挑戰:在“人類的搖籃”,遙遠的南非,考古學家使用手持式三維掃描儀,將出土的幾百塊碎片拼接還原成罕見的人類頭骨。
解決方案:Artec Space Spider, Artec Studio
效果:在考古挖掘現場,Space Spider掃描了頭骨碎片及周圍沉積物,用數字方式精準記錄了每塊碎片的相對位置和地理方位。這種方式在很大程度上簡化了頭骨的手動重建過程。最后,頭骨重建完成后,Space Spider被用于制作頭骨高分辨率3D模型,3D打印后用于教學與科研。
“這個過程需要宣傳,”電話那頭傳來的是Jesse Martin的聲音,他是樂卓博大學研究員,也是該項目的共同負責人?!皼]有埃太科(Artec 3D)三維掃描儀和軟件,誰都沒法見到重建后的DNH 155頭骨?!?
Martin和研究員同事Angeline Leece博士、Andy Herries教授以及整個團隊,在研究過程中充分發揮了Artec Space Spider的優勢。在挖掘和重建這件遠古人類的珍貴標本時,每一步都用到了這臺手持式三維掃描儀,這件標本生動展現出物種內部的進化趨勢。
科研論文于2020年11月9日發表于《Nature Ecology & Evolution》期刊。
團隊從澳大利亞墨爾本飛往南非時,手持式掃描儀Space Spider被作為手提行李登機,得到了很好的保護。幾天后,它捕獲了南非土壤中被發現的第一批DNH 155頭骨。幾個月內,團隊進行了幾百次實地掃描,回到實驗室后,Space Spider又對完整的重建頭骨進行了掃描,為科研論文制作圖像。
南非Drimolen Main Quarry考古現場
DNH 155是人類遠親羅百氏傍人迄今為止出土的完整的一塊頭骨,于2018年,由一位實地考察的學生Samantha Good在南非約翰內斯堡北部的Drimolen Main Quarry采石場發現。雖然發現的化石主要是散落的牙齒、骨骼或頭骨碎片,但DNH 155的幾百件碎片位置相對集中。不過,這并不是說研究員可以像拼拼圖一樣,輕松對上每一片。完全不是這么回事。
在Drimolen考古現場,Leece在共同負責人Stephanie Baker的幫助下,花了幾天時間,小心翼翼地從地上割下鑲嵌著化石的大塊沉積物。搞定后,該Martin上場了,他用木棒等工具小心謹慎地從土壤里把頭骨碎片分離出來。為防止標本散落,還涂上了文物修復膠,可以長期保證碎片不移動。
為了軟化膠水和沉積物以及化石,Martin需要用丙酮反復濕潤表面,化開膠水。然后需要一次次輕輕刷走幾毫米的塵土,在膠水干掉之前,甚至還得用吸管吸走泥土。待化石輪廓清晰可見后,就用Space Spider一起捕獲碎片和周圍的沉積土塊。
2萬個世紀后再次浮現的DNH 155頭骨
用Martin的話說,“這種情況讓人左右為難,因為必須先清洗化石后進行保存,但這么做勢必會搞亂它們。也就是說,肯定要破壞化石發現時的原始姿態和相對位置,影響頭骨的精確拼接?!彼^續說道,“所以,如果用Space Spider掃描每層化石,就能得到一份精確的記錄,方便之后把碎片歸位。”
300多小時后,Martin和Leece終于完成了這份磨人的工作。Space Spider的掃描被導入Artec Studio軟件中處理,如果不清楚碎片的位置,只要點擊幾下,就能找到數字模型,幾秒鐘就能解決疑惑。
用250多塊碎片重建DNH 155時,Space Spider也發揮了關鍵作用?!霸谄唇宇^骨時,我們在現場以及約翰內斯堡大學實驗室進行了無數次掃描,每塊碎片都被掃描了無數次,”Martin說道。“在重建的每一步驟上,我們都獲得了對應的精準3D數據記錄?!?
Martin進一步詳細解釋了處理過程,“現在我們可以在重建過程中單獨掃描大片化石,所以也同時收集了頭骨的內部細節。你想想,頭骨拼完后,傳統常規方式是無法測得頭骨內部細節的(除非用CT掃描),但是由于Space Spider處理速度飛快,我們可以在最終重建前,輕松完成每一塊的掃描,從而完成頭骨內部細節的采集?!?
Martin特別提到Space Spider有一大優勢?!翱脊艑W家使用的兩種傳統方式,即攝影測量或卡尺、直尺手動測量,都需要接觸化石。那么這些化石早晚會被劃傷或弄碎,甚至還有可能更糟?!?
Artec Space Spider
Martin補充道,“我接觸過的化石藏品中,總能看到那些因常年手動測量而劃傷或破損的骨骼和牙齒。但有了埃太科掃描儀,這種情況一次都不會出現?!?
他進一步解釋道,“使用Artec Space Spider進行3D掃描,無需接觸化石即可在短短幾分鐘內完成精確測量。我可以掃描1000次人類頭骨,同時保持其安然無恙,但如果研究人員用傳統卡尺測量,無論是金屬卡尺還是塑料卡尺,都無可避免地造成傷害。更何況,用卡尺測量解剖結構,對化石本身的構造和位置也有特定要求,測量時總是提心吊膽?!?
Martin是這樣描述他與Space Spider的掃描日常的:“我先用掃描儀進行一次初始掃描,一邊轉動放著化石的旋轉臺,一邊上上下下輕輕地移動掃描儀。然后把化石翻一面,繼續用同樣的方式掃描。頂多只要幾分鐘。這樣就能捕獲到化石表面足夠多的重合面積,用于掃描處理。”
在Artec Studio中,Martin使用橡皮擦移除了背景,隨后對齊掃描。之后,又進行了整體配準,再刪除離群噪點,進行尖銳配準。對這些操作,他解釋道:“如果是處理人類頭骨,我希望能看清所有質量性狀,所以精確度設為100微米。這樣就能看到我想要的特征了,比如顳線、顱縫、小孔等?!?
制作完水密模型后,Martin加上了紋理,隨后以WRL文件導出?!拔疫x擇WRL,一是因為這是通用格式,還有個原因,就是我喜歡把紋理和幾何分開。因為做我們這種工作,不需要色彩,這樣方便研究細微的幾何特征,這才是我們反復使用的部分。”
Artec Studio中帶紋理的 DNH 155截屏
直接處理化石幾何有多重要呢,Martin說道,“去除掃描模型的色彩,能讓研究人員看到更多信息,當然也比肉眼觀察看到的多,而去除色彩這一步很容易就能在Artec Studio中做到?!?
Artec Studio中DNH 155去除紋理后的截屏
Martin繼續道,“舉個直觀的例子,這是我們幾年前用Space Spider掃描的另一個人類頭骨。這件標本有約200萬年的歷史,是個2-3歲的小孩。小孩子的頭蓋骨通常更軟,因為還沒有完全閉合,大腦快速發育,會擠壓內部柔軟的頭骨?!?
“但靠肉眼是無法觀察到的,受過訓練的研究員也辦不到。因為它看起來就像頭骨上有隆起和抓痕。但一旦在Artec Studio中移除Space Spider的掃描紋理,就能看到這個200萬年的頭骨上有大腦留下的神奇印記,就像看現代CT掃描一樣。”
Martin繼續說道,“大腦在頭骨上留下了非常清晰的印記。這些細節包括腦膜中部血管、腦溝和回狀壓痕等等。我們得以清晰辨別出大腦區域。想想看。因為Space Spider掃到了頭骨上大腦留下的印記,我們才能研究一個擁有200萬年歷史的大腦啊。只要把掃描紋理去除,就能看到所有細節,十分驚艷。”
研究員Angeline Leece、Jesse Martin與DNH 155的3D打印模型
Space Spider掃描的DNH 155模型通過3D打印重現于世,效果非常震撼。即便是見多識廣的研究人員,見到擁有200萬年歷史、脆弱的化石被制成栩栩如生的3D模型,也都非常吃驚。
Martin還提到Space Spider對細節的捕獲能力在頭骨重建過程中發揮了重要作用。“我們可以3D打印每一塊捕獲的頭骨碎片,還能和原始化石拼接起來。所有縫隙和邊緣都能無縫對接。”
2015年,莫納什大學的Justin Adams博士向Martin介紹了Space Spider和Artec Studio軟件,使他對這款掃描儀一見鐘情。Martin向Adams學習了一小時,再經過十小時的使用,就非常熟練了。
“倒不是因為我自己是什么掃描天才,而是因為它代表了先進科技,使用非常方便。功能強大,使用簡單,而且方便攜帶,一直都是我們實地考察工作時的首選工具,”Martin說道。
研究員Giovanni Boschian根據Space Spider掃描和照片繪制的DNH 155
墨爾本埃太科金牌認證經銷商Thinglab 三維掃描負責人Ben Myers在談及埃太科三維掃描儀在考古等領域的應用時說道,“能接待樂卓博大學的Jesse Martin及其同事,并竭盡全力支持他們的工作,我們感到很自豪。我們相信,埃太科三維能為研究人員和專業人士帶來三維掃描解決方案,包括桌面式掃描儀Artec Micro、手持式掃描儀Eva、Space Spider和Leo、三腳架支撐的Artec Ray,能覆蓋每一種數字捕獲場景?!?
掃描項目得到了約翰內斯堡大學的支持,研究人員Jesse Martin獲得了樂卓博大學博士獎學金,Andy Herries教授獲得了澳大利亞研究理事會發現項目資助(DP170100056)