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3D掃描儀

·         Artec Space Spider

挑戰(zhàn)：在“人類的搖籃”，遙遠(yuǎn)的南非，考古學(xué)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(xiàn)場(chǎng)，Space Spider掃描了頭骨碎片及周圍沉積物，用數(shù)字方式精準(zhǔn)記錄了每塊碎片的相對(duì)位置和地理方位。這種方式在很大程度上簡(jiǎn)化了頭骨的手動(dòng)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(xué)與科研。

“這個(gè)過程需要宣傳，”電話那頭傳來(lái)的是Jesse Martin的聲音，他是樂卓博大學(xué)研究員，也是該項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人?！皼]有埃太科（Artec 3D）三維掃描儀和軟件，誰(shuí)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(gè)團(tuán)隊(duì)，在研究過程中充分發(fā)揮了Artec Space Spider的優(yōu)勢(shì)。在挖掘和重建這件遠(yuǎn)古人類的珍貴標(biāo)本時(shí)，每一步都用到了這臺(tái)手持式三維掃描儀，這件標(biāo)本生動(dòng)展現(xiàn)出物種內(nèi)部的進(jìn)化趨勢(shì)。

科研論文于2020年11月9日發(fā)表于《Nature Ecology & Evolution》期刊。

團(tuán)隊(duì)從澳大利亞墨爾本飛往南非時(shí)，手持式掃描儀Space Spider被作為手提行李登機(jī)，得到了很好的保護(hù)。幾天后，它捕獲了南非土壤中被發(fā)現(xiàn)的第一批DNH 155頭骨。幾個(gè)月內(nèi)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了幾百次實(shí)地掃描，回到實(shí)驗(yàn)室后，Space Spider又對(duì)完整的重建頭骨進(jìn)行了掃描，為科研論文制作圖像。

南非Drimolen Main Quarry考古現(xiàn)場(chǎng)

DNH 155是人類遠(yuǎn)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(shí)地考察的學(xué)生Samantha Good在南非約翰內(nèi)斯堡北部的Drimolen Main Quarry采石場(chǎng)發(fā)現(xiàn)。雖然發(fā)現(xiàn)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(duì)集中。不過，這并不是說研究員可以像拼拼圖一樣，輕松對(duì)上每一片。完全不是這么回事。

在Drimolen考古現(xiàn)場(chǎng)，Leece在共同負(fù)責(zé)人Stephanie Baker的幫助下，花了幾天時(shí)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(chǎng)了，他用木棒等工具小心謹(jǐn)慎地從土壤里把頭骨碎片分離出來(lái)。為防止標(biāo)本散落，還涂上了文物修復(fù)膠，可以長(zhǎng)期保證碎片不移動(dòng)。

為了軟化膠水和沉積物以及化石，Martin需要用丙酮反復(fù)濕潤(rùn)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(wàn)個(gè)世紀(jì)后再次浮現(xiàn)的DNH 155頭骨

用Martin的話說，“這種情況讓人左右為難，因?yàn)楸仨毾惹逑椿筮M(jìn)行保存，但這么做勢(shì)必會(huì)搞亂它們。也就是說，肯定要破壞化石發(fā)現(xiàn)時(shí)的原始姿態(tài)和相對(duì)位置，影響頭骨的精確拼接?！彼^續(xù)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(shí)后，Martin和Leece終于完成了這份磨人的工作。Space Spider的掃描被導(dǎo)入Artec Studio軟件中處理，如果不清楚碎片的位置，只要點(diǎn)擊幾下，就能找到數(shù)字模型，幾秒鐘就能解決疑惑。

用250多塊碎片重建DNH 155時(shí)，Space Spider也發(fā)揮了關(guān)鍵作用?！霸谄唇宇^骨時(shí)，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)以及約翰內(nèi)斯堡大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了無(wú)數(shù)次掃描，每塊碎片都被掃描了無(wú)數(shù)次，”Martin說道?！霸谥亟ǖ拿恳徊襟E上，我們都獲得了對(duì)應(yīng)的精準(zhǔn)3D數(shù)據(jù)記錄?！?

Martin進(jìn)一步詳細(xì)解釋了處理過程，“現(xiàn)在我們可以在重建過程中單獨(dú)掃描大片化石，所以也同時(shí)收集了頭骨的內(nèi)部細(xì)節(jié)。你想想，頭骨拼完后，傳統(tǒng)常規(guī)方式是無(wú)法測(cè)得頭骨內(nèi)部細(xì)節(jié)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(nèi)部細(xì)節(jié)的采集?！?

Martin特別提到Space Spider有一大優(yōu)勢(shì)?！翱脊艑W(xué)家使用的兩種傳統(tǒng)方式，即攝影測(cè)量或卡尺、直尺手動(dòng)測(cè)量，都需要接觸化石。那么這些化石早晚會(huì)被劃傷或弄碎，甚至還有可能更糟。”

Artec Space Spider

Martin補(bǔ)充道，“我接觸過的化石藏品中，總能看到那些因常年手動(dòng)測(cè)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(huì)出現(xiàn)。”

他進(jìn)一步解釋道，“使用Artec Space Spider進(jìn)行3D掃描，無(wú)需接觸化石即可在短短幾分鐘內(nèi)完成精確測(cè)量。我可以掃描1000次人類頭骨，同時(shí)保持其安然無(wú)恙，但如果研究人員用傳統(tǒng)卡尺測(cè)量，無(wú)論是金屬卡尺還是塑料卡尺，都無(wú)可避免地造成傷害。更何況，用卡尺測(cè)量解剖結(jié)構(gòu)，對(duì)化石本身的構(gòu)造和位置也有特定要求，測(cè)量時(shí)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(jìn)行一次初始掃描，一邊轉(zhuǎn)動(dòng)放著化石的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，一邊上上下下輕輕地移動(dòng)掃描儀。然后把化石翻一面，繼續(xù)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(duì)齊掃描。之后，又進(jìn)行了整體配準(zhǔn)，再刪除離群噪點(diǎn)，進(jìn)行尖銳配準(zhǔn)。對(duì)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(zhì)量性狀，所以精確度設(shè)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(dǎo)出?！拔疫x擇WRL，一是因?yàn)檫@是通用格式，還有個(gè)原因，就是我喜歡把紋理和幾何分開。因?yàn)樽鑫覀冞@種工作，不需要色彩，這樣方便研究細(xì)微的幾何特征，這才是我們反復(fù)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(dāng)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(xù)道，“舉個(gè)直觀的例子，這是我們幾年前用Space Spider掃描的另一個(gè)人類頭骨。這件標(biāo)本有約200萬(wàn)年的歷史，是個(gè)2-3歲的小孩。小孩子的頭蓋骨通常更軟，因?yàn)檫€沒有完全閉合，大腦快速發(fā)育，會(huì)擠壓內(nèi)部柔軟的頭骨?！?

“但靠肉眼是無(wú)法觀察到的，受過訓(xùn)練的研究員也辦不到。因?yàn)樗雌饋?lái)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(gè)200萬(wàn)年的頭骨上有大腦留下的神奇印記，就像看現(xiàn)代CT掃描一樣。”

Martin繼續(xù)說道，“大腦在頭骨上留下了非常清晰的印記。這些細(xì)節(jié)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(qū)域。想想看。因?yàn)?/b>Space Spider掃到了頭骨上大腦留下的印記，我們才能研究一個(gè)擁有200萬(wàn)年歷史的大腦啊。只要把掃描紋理去除，就能看到所有細(xì)節(jié)，十分驚艷。”