互动式头骨博物馆:化石研究的乐趣所在

通常你不会认为观察一只死去动物的头骨是一件有意思的事,但是明尼苏达州立圣克劳德大学可视化实验室团队却能让你怀疑自己的审美偏好。观看如下互动式头骨博物馆创意视频,您定会认为将大学博物馆收藏的系列头骨进行视觉陈列的想法非常诱人。

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这一令人着迷的想法背后需要依靠细节丰富的3D头骨图像,正因为如此,我们要感谢Artec Spider以及Artec Studio 10.

“除了使用Spider,我们找不到其他实际可行的方法。”可视化工程师、可视化实验室负责人Mark Gill说道。

头骨博物馆仅是可视化实验室正在展开的数个项目之一。其使命是为大学社区的复杂需求开发可视化、体验式及多媒体解决方案。对于一些商业软件无法满足的需求,实验室可提供软件支持课堂教学、科研实验室活动。“我们与教职员工合作,提供能完全满足其需求的实验室体验。”Mark说道。实验室制作软件的学生也可从中学习到普通课程中难以获得的高新科技和知识。

该实验室最近刚购置了两台Artec 3D扫描仪——Eva和Spider,从而实现了互动式头骨博物馆的设想。

“购置Spider和Eva以前,我们实验室没有太多类似的工作。”Mark Gill说道,“我们使用过3DS Max之类的工具,大多数模型都是手动完成,但始终无法完成实物的高精度扫描。之前我们使用过消费者级别的扫描仪,以满足扫描大型物体的需求。此外,我们还尝试使用摄影测量法,但效果不一。”

Spider填补了实验室向来空缺的利基市场,例如,实现了老旧机械零件逆向工程、制作箭头、陶片等文物3D模型。实验室团队现在可以对无价的文物进行3D打印,并为借出的博物馆藏品制作电子档案。“Spider扫描文件十分精细优质,因此我们现在开始考虑对于扫描的物体进行表面几何图案的分析。”Mark说道。

他表示,艺术学院也对此产生了兴趣,正计划对雕像进行3D扫描以加入多媒体项目。凭借Spider这样出色的工具,他们可以将实体媒介迅速融入到虚拟空间。他们还计划对用户进行扫描制作虚拟环境下的拟人头像。

实验室还升级至Artec Studio 10,工作人员对此十分满意。

“这还是修复3D打印网格错误的最佳工具。”Mark补充道,“我可以导入几乎所有格式的模型文件,通过重新划分网格,或高度整合几组网格,迅速做好物理样机处理的准备。”

在电子显微镜扫描数据的清理和呈现方面,例如数微米宽的晶体表面或单细胞微生物,AS 10同样十分出色。此类数据通常带有一些杂音和多余数据。但通过AS 10的编辑工具,杂音可以轻松清理,网格也能轻松整合。

现在我们来进一步了解AS 10及Spider是如何为特定项目——互动式头骨博物馆工作的。博物馆展出了州立圣克劳德大学收藏的一系列哺乳动物头骨,最小的动物是老鼠,最大的是牛。他们拥有不同的表皮、肌理和尺寸。负鼠、赤狐等小型标本光泽度高,几近透明。项目下一步就是Mark已经开始着手做的类人猿头骨数字化工作。

该博物馆起初是生物学学生对系统生物祖先特征进行研究练习的实验室。该项目当时满足了学校生物项目的特定需求。

为扫描每一件头骨,Mark使用了一款可旋转扫描仪,并随机做上标记方便操作。部分头骨由于肌理丰富,因此无需标记,而对于其他头骨来说,这一步至关重要。

一些小型标本整个扫描过程大约需要一小时。每个标本的头骨和下颌均需分开扫描。头骨部分由复杂的有机结构组成,因此Mark为每个部分进行八次扫描,以确保获得了类似牙齿这类部位各个角度下的特征。

“由于这些标本是从博物馆借来的,所以若不是万不得已,我不想做任何标记或涂抹任何粉末,”Mark说道,“我把Spider的灵敏度调高,以处理某些难以读取的表面肌理。”

挑战最大的是鹿头骨。Gill将头骨、鹿角、下颌作为不同项目分开扫描。仅仅鹿头骨就进行了23次扫描,产生了总共约12G的扫描数据。

生成最终网格时,整个头骨首先完成分辨率为1毫米的高度整合过程。最终,老鼠标本形成近乎100万个弧面,鹿标本形成约400万个弧面。其他标本弧面数位于100万-400万之间。

Mark复制鹿头骨网格后,开始进行简化工作,并为不同部位的网格版本添加所需要的肌理。

“AS10进行的网格简化是我见过最棒的。”Mark说道,“其他工具包允许你设置某些参数,但最后的弧面数就像掷筛子一样毫无定数,若精度提升十倍,质量便会大幅下降。使用AS10的话,我可以输入我想要的网格弧面数,并最终得到一模一样的弧面数。而且最终效果比其他软件好得多。”

Mark随后设置了4096x4096的肌理,并以.obi文件格式导出了简化后的网格文件。

然后,Mark将3D模型转移至3D Studio Max 2016,将模型与头骨/下颌骨进行配对整合。他按照原本的样子将模型拼接起来,并将两者模型初始值重设为相同点数和对齐方式,这样的话,它们既可以共同操作,又可以单独展示。

整合完成后,Mark将文件导出,但下颌与头骨依然以.FBX Autodesk媒体内置的文件单独保存。

现实中的头骨博物馆配备了Unity 5游戏引擎。“我还打算应用于多点触控的平板电脑上,所以目前正在使用一个叫做Gestureworks的框架来处理触控操作,”Mark补充道。Unity可以对大多数种类的3D互动应用进行快速成型操作。“C#作为编程语言,我可以为头骨的特定操作行为设计程序;在游戏引擎中控制移动轨迹,例如如何操作可以缩放或张嘴。”Unity还有一系列控制工具可轻易操控灯光和其他视觉效果。

“目前原型应用已经完成,我们会展示给生物学院教师看,了解是否满足他们的需求。”Mark说道,“最后我们还会让学生来操作这些标本,并与其他标本作比较,而且学生无需为操作过程损伤标本而担心。”

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