3D扫描一体式恐龙骨架,尽显细微之处

20/05/2018

科罗拉多州的标志Kessler Stegosaurus恐龙在Artec Spider 3D扫描仪的帮助下为当地博物馆制作出一座1:13D打印模型。

在众多恐龙展中,最具代表性的场景莫过于丹佛自然科学博物馆中迎面相对的StegosaurusAllosaurus恐龙了。Stegosaurus 26英尺长,是代表科罗拉多州的州恐龙。州恐龙指的并不是这一恐龙种类,而是这一尊标本本身。Stegosaurus是大型食草恐龙,体重高达10吨,居住在1亿5000万年前的科罗拉多州区域。Stegosaurus的特别之处并非因为发现于科罗拉多州卡农城,也不是因为在发现时,它几近完整,尽管这点对于恐龙发现来说已是非常罕见。它真正的特别之处在于这座化石是在 1936年由一群正在野外搜索化石的高中生找到的,他们的老师Frederick Carl Kessler还安排了与专业古生物学家合作,一起挖掘了这座骨骼化石。

丹佛自然博物馆中出展的Stegosaurus(右)与Allosaurus

Mike Triebold带着科罗拉多州伍德兰公园的Triebold Paleontology, Inc. (TPI) 登场了。TPI负责骨骼化石的修复与搭建,制作骨骼模型,并输送至世界各地的博物馆。公司客户包括位于纽约的美国自然历史博物馆、位于匹兹堡的卡内基博物馆、位于华盛顿的史密森尼博物院等等。TPI总部收藏了大量骨骼模具和原始化石标本,并在公司的互动式自然历史博物馆落基山恐龙资源中心(Rocky Mountain Dinosaur Resource Center)中展出。

Mike Triebold正计划将Stegosaurus加入模具藏品中,而且有心仪的对象。他希望能够尽全力制作出位于丹佛博物馆的著名Kessler Stegosaurus恐龙,因为全新皇家乔治恐龙体验馆(Royal Gorge Dinosaur Experience)在卡农城建成,他们希望能在卡农市展出一套Kessler收藏的Stegosaurust。体验馆的主人Zach Reynolds的祖父在40-60年代间,常常与Kessler一同前往恐龙挖掘现场,所以与当地社区和这个家族,都有着千丝万缕的联系。

通过协商,在丹佛博物馆的祝福下,这一项目正式开始了。

这项标本的制作由于一些因素而变得有些复杂。标本大小正是其中之一。这座恐龙标本26英尺长,其颈部、背部与尾部还布满鳞甲,高达9英尺。通常情况下,尺寸大小不会成为太大的问题,因为每块骨头都可以用硅树脂制模,再使用液态塑料铸模。而这款标本的每块骨骼都没有放置于架子上。在上世纪90年代,它就被永久地固定成型并整体出展,从此变得不可拆分。骨骼四周被钢铁焊接包围,并用油灰填塞,所以不可能单独使用硅树脂对每块骨骼制模。

为复制这一标本,TPI的Matt Christopher需使用3D扫描来进行制模。“我们只能对这个一体式骨架进行三维数字化操作,然后进行3D打印,”Matt说道。“尺寸和表面细节都需要和硅树脂模具足够接近,这样我们才能对3D打印文件进行手动调整,从而确保最终效果同原始标本别无二致。”

TPI同时使用了Artec Spider结构光3D扫描仪与3D扫描与处理软件Artec Studio来完成这项工作。扫描仪由Artec当地合作商partner 3D Printing Colorado提供。“Artec Spider捕获到了所有我们需要的细节,”Matt说道。

Artec StudioKessler Stegosaurus的最终模型,侧视图

工作人员用Spider扫描每块骨骼及骨骼区域,并在Artec Studio中作为单独项目处理。“采用这种方法势必要求工作人员爬进恐龙胸腔(没错,Stegosaurus的胸腔完全可以容纳下一位成年人)来采集恐龙背椎和胸腔、肩甲和臀部的内侧面,”Matt说道。“我们还需要爬上一架梯子,做出各种奇怪的姿势,来采集恐龙背部的扇形鳞甲。最终,我们还是能够捕获到所有需要的部分,包括鼻尖到尾部末端的骨尖。”

最后,在Artec Studio中,总共生成了71个独立扫描项目,涵盖629份独立扫描。为节省时间,总数量已有所控制,省略了那些可以通过对称变换得到的部分,例如上肢、腿部和肋骨。

每份扫描都需要在Artec Studio中进行对齐、剪切,并转换成3D网格文件。“Artec Studio中的对齐功能对这一项目而言尤为重要,”Matt说道。“扫描对齐非常简单,只要将扫描手动放置于大概的位置,对齐工具便会自动对齐至完美的效果。使用Artec Studio将对齐后的扫描制作并生成网格,我们还可以根据具体操作或3D打印要求,提取所需的细节。”

Artec Studio中的滤网功能使导出后的网格毫无人为痕迹,这一功能移除了所有小于主扫描的元素。小空洞通过Artec Studio中的空洞填补算法自动填补。“若我们扫描未组装的单独骨骼块,那么使用Artec Studio生成完整水密性网格就会非常简单,无需进行任何后期处理,”Matt说道。“考虑到要移除钢制支架,以及需要重建遮挡部分,水密网格对重建Stegosaurus而言并不可行,也无必要。”

最终生成的网格被导入ZBrush,来拆分关节部分,重建3D扫描仪无法触及的部分,例如关节连接的骨骼间隙,并移除遮挡部分骨骼表面的钢制支架。

Artec StudioKessler Stegosaurus的成品模型,前视图

TPI有诸多3D打印机可用,包括小型桌面Formlabs Form2 SLA打印机和Titan Robotics的大尺寸Atlas打印机。在多台打印机的共同努力下,整套骨骼在6个月后打印完成。之后,工作人员对骨骼表面进行了一些整理工作,准备在内部加入钢制支架,并加入一些关节模具连接单独的骨骼,从而制作出实体模型。每份完成或组装好的骨骼部分被称为母体。这些母体随后采用优质液体硅橡胶从两部分模具制成多部分模具;TPI在这方面已有30年的经验了。

完成后的模具随后与内部钢架一起放入,并在铸造过程中包上塑料树脂。“钢架周围包裹了一层塑料,所以不需要再使用会遮挡骨骼的外部支架,”Mike说道。“支架外围包裹好后,我们就可以让骨骼摆出无数造型,并焊接每个塑料铸件中的钢制部位。组装好的骨架随后便可进行手绘与运输了。”

现在的项目已经完成,将长期出展于科罗拉多卡农城的皇家乔治恐龙体验馆(www.dinoxp.com),并于5月19日周六正式揭幕。Zach Reynolds、他的家人与父亲Dave现在终于可以在未来与大家分享这项重大发现了。

Mike表示,该项目放在几十年前是绝对不可能完成的。“多亏了Artec Spider,我们才能够结合传统制模方式与最新科技,无需接触标本,就制作出大型恐龙的精确复制品,”他补充道。“接下来,就该考虑Allosaurus

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