非洲荒漠极端条件下的3D扫描:新手成功案例

只具备初级3D扫描知识的古生物学生勇敢参与了肯尼亚考古挖掘现场的探险之旅,为著名古生物学家的化石发现进行数字化工作。

肯尼亚北部的图尔卡纳湖盆地是一片拥有无数古生物和考古遗址的传奇地带,20世纪中期开始,利基家族及其团队就在这里找到众多突破性发现。其中极为著名的发现包括10岁的图尔卡纳男孩,这是直立猿人近乎完整的一副骨架,距今约150-160万年,还有人类属的古老代表“能人”,他们被认为已在200万年前就开始使用工具。事实上,正是利基家族为这类古人类取名 “能人”或“手巧之人”,从而声名远扬。

在图尔卡纳盆地研究所使用Artec Space Spider 3D扫描仪为样本制作数字复制品

在图尔卡纳湖工作数十载后,利基家族创立了图尔卡纳盆地研究所(Turkana Basin Institute, TBI),以推动该地区最新的研究。2014年夏天,TBI购置了适用于大型物体的精确3D扫描仪Artec Eva以及适合小型物体的HD 3D扫描仪Artec Spider,并接受了Artec集团Denis Baev 的培训。Louise Leaky带领的团队已经开始为TBI丰富的化石藏品样本制作3D数字化工作。

TBI设施

TBI库房

TBI骨骼藏品

Louise Leaky及同事

TBI欢迎广大研究者参与考古现场与实验室工作,帮助扫描史前动物与人种的骨骼。其中一位研究员Natalya Prilepskaya是来自莫斯科国立大学的古生物学研究生,她前往图尔卡纳湖并使用Artec Eva和Artec Space Spider 3D扫描仪为化石进行3D扫描。

Natalya Prilepskaya(左)与Louise Leakey

Natalya非常高兴和我们分享她的体验:

 “我在TBI的任务是使用全新的Artec扫描仪Space SpiderArtec Eva扫描古生物样本。但我没有时间学习如何3D扫描。事实上,在出发前,理论和实践部分我只接触了几天而已。我非常感谢Artec Olga SkvortsovaDenis BaevYaroslava Laptinskaya和我的丈夫Sergey Sukhovey在短短的时间内教会我宝贵的知识!”

TBI,我需要尽力倾尽自己所能。这不是件简单的事,但没有什么不可能。

TBI化石库房的Natalya

我的学习过程大部分都是在“野外”发生的。3D扫描和制作陶器的工作相仿,我非常喜欢制作陶器。扫描仪不光收集物体有关信息,还会“触摸与感受”。最后的成品就是一个“鲜活”的3D外形,尽管物体只是一件泥土制品。

Natalya使用Space Spider扫描样本

但要制作一个3D模型,我首先需要学会如何使用扫描仪还不会丢失追踪。为此,我需要保持两眼盯紧屏幕,而不是物体。我需要适应这种工作方式。起初,我的目光会不时在屏幕和物体间移动。当我看向物体时,我的手势往往会出错,扫描区域就会从[Artec Studio中的]绿色区域内消失。

扫描速度也很重要。使用Space Spider时,您需要均匀慢速地移动,切不可急速。这和使用Eva围绕物体迅速旋转一周有些不同。使用Space Spider扫描时,可以配合旋转台,但TBI没有。

另一个要点是需要在扫描仪收集完足够数据后立刻停止。有时我会做些不必要的工作,反复扫描同一区域。最后的成品就会因为数据过多,变得非常庞大,而且耗费很长的处理时间。

在我来到TBI的第一天,我就开始扫描我的第一件古生物样本——180万年前的狒狒头骨(东非狒狒)。我有幸和研究所的工作人员Timothy GichungeRobert Ngechu一同合作,向他们学到了很多。在同一间实验室工作时也很方便,我可以随时向他们请教。他们非常乐意帮助我。

挖掘现场的合作

我还请Timothy为我上了一节大师课,让我学习他的扫描过程。最后发现这是个很棒的主意!不仅有机会独自练习,还能亲眼目睹专家亲自动手的过程。Timothy会手持Spider匀速围绕物体旋转,不出一点差错——极致的极简主义。最终成品的质量也绝对上乘。我很希望能学会如何专业熟练地进行扫描。

Timothy找到了旋转台的简单替代物——他将小型物体放在文件袋上,并握住边缘进行转动。这是个很棒的解决方法,因为物体是透明的:Space Spider无法看到透明背景,因而无法完成扫描。这就减少了清除多余数据、移除桌面的模型清理时间。

搭建临时小平台扫描样本

通过几次培训后,我开始完善自己的技术。我有时会请Timothy Robert看我扫描并指出我的错误并纠正。这种做法很有帮助。

Natalya扫描样本

我丈夫Sergey曾经教会我一个小窍门,我于是很高兴地告诉了Timothy。在扫描羚羊弯曲的角时,Space Spider可能会遗漏角尖,因为角尖非常细小,好比悬空状。如果您在角尖放置一张带有文字或图像的纸张,扫描仪就会将它作为参照物,保持稳定追踪。在编辑项目时,纸张可以删除。

带角的羚羊头骨

在学习过程中我发现天气也有一定影响。挖掘现场气候十分炎热。尽管我扫描的房间透气性不错,但笔记本电脑还是会常常过热发烫。为延长它们的工作时长,我们将其放置在放有冰块的塑料盒上,冰块融化后进行更换。

挖掘现场炎热的一天

另一个影响因素是强风。风不停地刮,带入大量尘土沙石,散落到硬件孔隙中。Meave Leakey博士便使用透明保护套来保护她的笔记本。

我很幸运,工作时周围几乎没有昆虫。通常在这样的时节,会出现大量昆虫,导致无法夜间工作,因为昆虫会被黑夜中的光亮吸引。这个问题可以通过特殊软件调节屏幕色彩来解决。例如对Mac来说使用黑光。

夜间工作

在TBI期间,Natalya总共扫描了七件哺乳动物头骨,均生活在更新世—全新世时期(至今约260万年前)的图尔卡纳湖区。3D模型成品公布在了AfricanFossils.org网站的3D打印区域中,所有注册用户都可以下载并打印他们需要的模型。

为原始人类和动物制作3D模型系列,其重要意义之大难以估量。

首先,3D扫描技术允许研究者获取到古生物样本几何的精确数据。当然我们可以使用直尺或卡尺来测量样本,但这种测量结果不完整且不准确。同样,照片和图画无法总是精确如实地反映某个物体。

TBI系列中各种各样的带角头骨

其次,3D扫描可以帮助保存样本外形的信息。即便看似坚固的化石依然可能碎裂,尤其在经过日晒、风吹、雨打,以及野外温度波动影响。即便保存在博物馆,物体也有可能因为潮湿、不适宜的温度和其他不利条件而破碎。

黄铁矿疾病是化石共同面临的负面影响之一,会导致化石腐坏破碎。该疾病始于氧量富足的环境,并因水分、温度变化、压力和细菌活性的共同作用而加速恶化。

精密3D扫描让您可以以自然色彩保存物体精确的3D图像。最后的模型包含物体所有必须的信息,包括测量结果,可以让研究者无需直接接触就能进行工作。

恶劣条件下的骨骼极易腐败

第三,制作3D模型系列可以促进样本信息的广泛交换:科学家无需再花费时间和金钱前往挖掘现场或博物馆仅为一睹样本实物。不同实验室可以通过分享样本形态的3D数据实现合作,提高合作效率和质量。

在TBI,其中有一件最近完成扫描的大型样本巨型象头骨,需要对它进行细节研究,但很难移动或翻转。“能够扫描样本、使用细节丰富的模型令人非常激动,”Louise Leaky说道。样本使用Artec Eva完成扫描,并于3D对象软件Artec Studio 11中完成数据处理,花费最少量的时间完成了物体精确3D模型的制作。

Timothy使用Artec Eva扫描巨型大象头骨化石

使用Artec EvaSpider捕获的大象头骨化石3D扫描

最后,3D模型经常作为课堂视觉教具,因此3D扫描可以促进教育的发展。3D模型不仅可以用于电脑端的研究,还可通过3D打印机打印后使用,这种做法在课堂内日渐流行。

3D扫描已经为古生物领域打开了全新篇章,研究者通过强大的工具保护了宝贵又脆弱的文物,样本研究也达到前所未有的深度,加深了同行合作,此外,还能激发年轻一代对于人类起源这一根本问题的探索热情。

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