将200万年前的人类头骨碎片拼接重组?Space Spider做得到!

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“这个过程需要宣传,”电话那头传来的是Jesse Martin的声音,他是乐卓博大学研究员,也是该项目的共同负责人。“没有埃太科(Artec 3D)三维扫描仪和软件,谁都没法见到重建后的DNH 155头骨。”

Martin和研究员同事Angeline Leece博士、Andy Herries教授以及整个团队,在研究过程中充分发挥了Artec Space Spider的优势。在挖掘和重建这件远古人类的珍贵标本时,每一步都用到了这台手持式三维扫描仪,这件标本生动展现出物种内部的进化趋势。

科研论文于2020年11月9日发表于《Nature Ecology & Evolution》期刊。

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团队从澳大利亚墨尔本飞往南非时,手持式扫描仪Space Spider被作为手提行李登机,得到了很好的保护。几天后,它捕获了南非土壤中被发现的第一批DNH 155头骨。几个月内,团队进行了几百次实地扫描,回到实验室后,Space Spider又对完整的重建头骨进行了扫描,为科研论文制作图像。

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南非Drimolen Main Quarry考古现场

DNH 155是人类远亲罗百氏傍人迄今为止出土的最完整的一块头骨,于2018年,由一位实地考察的学生Samantha Good在南非约翰内斯堡北部的Drimolen Main Quarry采石场发现。虽然发现的化石主要是散落的牙齿、骨骼或头骨碎片,但DNH 155的几百件碎片位置相对集中。不过,这并不是说研究员可以像拼拼图一样,轻松对上每一片。完全不是这么回事。

在Drimolen考古现场,Leece在共同负责人Stephanie Baker的帮助下,花了几天时间,小心翼翼地从地上割下镶嵌着化石的大块沉积物。搞定后,该Martin上场了,他用木棒等工具小心谨慎地从土壤里把头骨碎片分离出来。为防止标本散落,还涂上了文物修复胶,可以长期保证碎片不移动。

为了软化胶水和沉积物以及化石,Martin需要用丙酮反复湿润表面,化开胶水。然后需要一次次轻轻刷走几毫米的尘土,在胶水干掉之前,甚至还得用吸管吸走泥土。待化石轮廓清晰可见后,就用Space Spider一起捕获碎片和周围的沉积土块。

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2万个世纪后再次浮现的DNH 155头骨

用Martin的话说,“这种情况让人左右为难,因为必须先清洗化石后进行保存,但这么做势必会搞乱它们。也就是说,肯定要破坏化石发现时的原始姿态和相对位置,影响头骨的精确拼接。”他继续说道,“所以,如果用Space Spider扫描每层化石,就能得到一份精确的记录,方便之后把碎片归位。”

300多小时后,Martin和Leece终于完成了这份磨人的工作。Space Spider的扫描被导入Artec Studio软件中处理,如果不清楚碎片的位置,只要点击几下,就能找到数字模型,几秒钟就能解决疑惑。

用250多块碎片重建DNH 155时,Space Spider也发挥了关键作用。“在拼接头骨时,我们在现场以及约翰内斯堡大学实验室进行了无数次扫描,每块碎片都被扫描了无数次,”Martin说道。“在重建的每一步骤上,我们都获得了对应的精准3D数据记录。”

Martin进一步详细解释了处理过程,“现在我们可以在重建过程中单独扫描大片化石,所以也同时收集了头骨的内部细节。你想想,头骨拼完后,传统常规方式是无法测得头骨内部细节的(除非用CT扫描),但是由于Space Spider处理速度飞快,我们可以在最终重建前,轻松完成每一块的扫描,从而完成头骨内部细节的采集。”

Martin特别提到Space Spider有一大优势。“考古学家使用的两种传统方式,即摄影测量或卡尺、直尺手动测量,都需要接触化石。那么这些化石早晚会被划伤或弄碎,甚至还有可能更糟。”

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Artec Space Spider

Martin补充道,“我接触过的化石藏品中,总能看到那些因常年手动测量而划伤或破损的骨骼和牙齿。但有了Artec扫描仪,这种情况一次都不会出现。”

他进一步解释道,“使用Artec Space Spider进行3D扫描,无需接触化石即可在短短几分钟内完成精确测量。我可以扫描1000次人类头骨,同时保持其安然无恙,但如果研究人员用传统卡尺测量,无论是金属卡尺还是塑料卡尺,都无可避免地造成伤害。更何况,用卡尺测量解剖结构,对化石本身的构造和位置也有特定要求,测量时总是提心吊胆。”

Martin是这样描述他与Space Spider的扫描日常的:“我先用扫描仪进行一次初始扫描,一边转动放着化石的旋转台,一边上上下下轻轻地移动扫描仪。然后把化石翻一面,继续用同样的方式扫描。顶多只要几分钟。这样就能捕获到化石表面足够多的重合面积,用于扫描处理。”

在Artec Studio中,Martin使用橡皮擦移除了背景,随后对齐扫描。之后,又进行了整体配准,再删除离群噪点,进行尖锐配准。对这些操作,他解释道:“如果是处理人类头骨,我希望能看清所有质量性状,所以精确度设为100微米。这样就能看到我想要的特征了,比如颞线、颅缝、小孔等。”

制作完水密模型后,Martin加上了纹理,随后以WRL文件导出。“我选择WRL,一是因为这是通用格式,还有个原因,就是我喜欢把纹理和几何分开。因为做我们这种工作,不需要色彩,这样方便研究细微的几何特征,这才是我们反复使用的部分。”

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Artec Studio中带纹理的 DNH 155截屏

直接处理化石几何有多重要呢,Martin说道,“去除扫描模型的色彩,能让研究人员看到更多信息,超乎想象,当然也比肉眼观察看到的多,而去除色彩这一步很容易就能在Artec Studio中做到。”

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Artec Studio中DNH 155去除纹理后的截屏

Martin继续道,“举个直观的例子,这是我们几年前用Space Spider扫描的另一个人类头骨。这件标本有约200万年的历史,是个2-3岁的小孩。小孩子的头盖骨通常更软,因为还没有完全闭合,大脑快速发育,会挤压内部柔软的头骨。”

“但靠肉眼是无法观察到的,受过训练的研究员也办不到。因为它看起来就像头骨上有隆起和抓痕。但一旦在Artec Studio中移除Space Spider的扫描纹理,就能看到这个200万年的头骨上有大脑留下的神奇印记,就像看现代CT扫描一样。”

Martin继续说道,“大脑在头骨上留下了非常清晰的印记。这些细节包括脑膜中部血管、脑沟和回状压痕等等。我们得以清晰辨别出大脑区域。想想看。因为Space Spider扫到了头骨上大脑留下的印记,我们才能研究一个拥有200万年历史的大脑啊。只要把扫描纹理去除,就能看到所有细节,十分惊艳。”

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研究员Angeline Leece、Jesse Martin与DNH 155的3D打印模型

Space Spider扫描的DNH 155模型通过3D打印重现于世,效果非常震撼。即便是见多识广的研究人员,见到拥有200万年历史、极其脆弱的化石被制成栩栩如生的3D模型,也都非常吃惊。

Martin还提到Space Spider对细节的捕获能力在头骨重建过程中发挥了重要作用。“我们可以3D打印每一块捕获的头骨碎片,还能和原始化石完美拼接起来。所有缝隙和边缘都能无缝对接。”

2015年,莫纳什大学的Justin Adams博士向Martin介绍了Space Spider和Artec Studio软件,使他对这款扫描仪一见钟情。Martin向Adams学习了一小时,再经过十小时的使用,就非常熟练了。

“倒不是因为我自己是什么扫描天才,而是因为它代表了先进科技,使用非常方便。功能强大,使用简单,而且方便携带,一直都是我们实地考察工作时的首选工具,”Martin说道。

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研究员Giovanni Boschian根据Space Spider扫描和照片绘制的DNH 155

墨尔本Artec金牌认证经销商Thinglab 三维扫描负责人Ben Myers在谈及埃太科三维扫描仪在考古等领域的应用时说道,“能接待乐卓博大学的Jesse Martin及其同事,并竭尽全力支持他们的工作,我们感到很自豪。我们相信,Artec三维能为研究人员和专业人士带来最佳三维扫描解决方案,包括桌面式扫描仪Artec Micro、手持式扫描仪Eva、Space Spider和Leo、三脚架支撑的Artec Ray,能覆盖每一种数字捕获场景。”


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