Le scan 3D à La Brea Tar Pits avec Artec Space Spider

13/10/2019

Squelette de canis dirus découvert à La Brea Tar Pits

Il y a 12 000 ans, au cœur de Los Angeles, la Californie disposait de vastes réserves de bitume naturel dissimulées sous la surface du sol ainsi qu’au fond des ruisseaux et des étangs. Lorsque des animaux comme les mammouths, les bisons, les chevaux, les paresseux terrestres et les chameaux s’aventuraient au bord de l’eau pour étancher leur soif, ils se retrouvaient parfois coincés dans le bitume extrêmement collant qui était monté jusqu’à la surface. Rien que 4 cm d’asphalte liquide suffisaient à piéger un bison ou même un mammouth.

Reconstitution d’un mammouth et d’un tigre à dents de sabre piégés dans du bitume, dans Titans of the Ice Age

Leurs prédateurs, dont les canis dirus, les tigres à dents de sabre (Smilodon fatalis), et les lions américains (Panthera leo atrox), les voyaient se débattre en vain et s’approchaient pour s’emparer de ce qu’ils pensaient être un repas facile. Rapidement, le prédateur et la proie se retrouvaient tous les deux bloqués dans l’impitoyable bitume, où ils finiraient par mourir de faim et par se décomposer lentement à la surface. Au fil du temps, certains de leurs restes se sont retrouvés enfouis dans des sédiments saturés d’asphalte.

Squelette de tigre à dents de sabre au musée de La Brea Tar Pits

Le musée de La Brea Tar Pits abrite une collection de fossiles découverts dans ces mêmes dépôts de bitume encore bouillonnants depuis que les scientifiques ont commencé à les étudier en 1906. Au total, plus de 3,5 millions de spécimens ont été retrouvés à La Brea Tar Pits. Ces fossiles auraient jusqu’à 50 000 ans selon la datation au carbone 14.

Le musée de La Brea Tar Pits

Ces « puits de goudron » (tar pits en anglais) et la multitude de spécimens bien conservés qui y ont été découverts sont un véritable trésor pour les paléontologues du monde entier. Des restes de plus de 3 600 canis dirus y ont par exemple été retrouvés, ainsi que des dizaines de milliers d’autres fossiles offerts par le bitume.

Puits 91 à La Brea Tar Pits

Depuis de nombreuses années, les chercheurs mènent un certain nombre d’études sur ces spécimens, dont leur datation au carbone 14 et d’autres analyses moléculaires qui fournissent des données sur les modifications biotiques survenant au fil du temps et pouvant être corrélées aux changements environnementaux et à l’impact de l’homme. La datation au carbone 14 leur permet de donner un âge précis à ces plantes, insectes, oiseaux, reptiles, amphibiens, mammifères et coquillages anciens, et d’avoir une idée de plus en plus claire de ce à quoi ressemblait l’environnement local plusieurs milliers d’années avant l’arrivée des hommes.

Cette méthode est cruciale non seulement pour comprendre le passé mais également pour interpréter plus précisément les changements environnementaux en cours, mieux prédire ce qui pourrait arriver dans les décennies et les siècles à venir, et faciliter la planification de la conservation.

Fossiles retrouvés dans le puits 91, un des quelque cent puits de La Brea Tar Pits

Avant la datation au carbone 14, une méthode ayant un effet destructeur, le musée fabriquait des moulages en plâtre des fossiles de façon à préserver les originaux pour les étudier. La photogrammétrie et un appareil photographique reflex numérique ont également été brièvement utilisés pour chaque spécimen, ce qui nécessitait de longues heures de traitement et entraînait un énorme arriéré de fossiles attendant leur tour sur des étagères et dans des boîtes.

Étagères de fossiles stockés au musée de La Brea Tar Pits

Puis, les chercheurs ont appris que le scan 3D était utilisé en paléontologie, où il accélère grandement les workflows, augmente la précision des résultats, offre un vaste champ de possibilités grâce à l’impression et à la visualisation 3D, et ouvre les portes de l’archivistique numérique.

Squelette de lion américain au musée de La Brea Tar Pits

Les spécialistes en scan 3D de Rapid Scan 3D, revendeur Artec certifié, leur ont présenté Artec Space Spider, scanner portable professionnel à lumière structurée qui crée rapidement des modèles 3D de qualité métrologique d’objets, même ceux aux formes organiques complexes tels que les fossiles. Fort d’une précision allant jusqu’à 0,05 mm, Space Spider réalise en quelques minutes ce qui prenait auparavant jusqu’à une heure ou plus par fossile.

Chris Strong, de Rapid Scan 3D, commente : « Lorsque nous nous sommes rendu compte du niveau de détail nécessaire à La Brea Tar Pits pour le scan 3D de fossiles et d’os, nous avons compris qu’Artec Space Spider était le bon choix. Space Spider est portable et facile à utiliser, que ce soit par des débutants ou des utilisateurs avancés. Nous sommes capables d’acquérir des données en haute résolution et en couleur en quelques minutes. Depuis plusieurs années, nous introduisons également les scanners Artec dans l’aérospatiale et le secteur médical avec beaucoup de succès. La même technologie peut servir à la conservation du patrimoine et au scan d’os et de fossiles. »

Carrie Howard tenant la 6e vertèbre cervicale d’un chameau, découverte dans du bitume

D’après Carrie Howard, spécialiste en imagerie à La Brea, « Space Spider numérise précisément les géométries complexes des os. Certaines formes et caractéristiques de surface sont difficiles à numériser, qu’il s’agisse des larges courbes d’une côte de bison, des longues canines maxillaires d’un tigre à dents de sabre, ou des métatarses d’un ours à face courte, et beaucoup d’autres… Space Spider nous permet de toutes les numériser dans une 3D couleur parfaitement réaliste et en haute résolution. »

« Un de nos projets initiaux comportait 400 spécimens, poursuit Carrie. Nous les avons scannés et traités rapidement, puis continué avec les autres. Nous pouvons maintenant nous occuper de tant de spécimens en plus que par le passé ! La photogrammétrie prenait au moins trois fois plus de temps pour autant de spécimens. »

Vertèbre de canis dirus retrouvée lors du Projet 23 d’excavation du musée

La plupart du temps, le scan 3D avec Space Spider ne demande que quelques minutes à Carrie : elle place simplement un spécimen sur un petit plateau rotatif, prend Space Spider, puis fait lentement tourner le plateau en déplaçant le scanner de haut en bas, numérisant ainsi chaque facette et surface. Lors du processus, Artec Studio, le logiciel du scanner, affiche le scan en temps réel. Les zones manquantes sont immédiatement visibles et peuvent être facilement scannées une nouvelle fois. Le spécimen est ensuite retourné et le processus est répété.

Scan 3D de la mâchoire d’un canis dirus avec Artec Space Spider

Le post-traitement se déroule dans Artec Studio et consiste en l’alignement et l’enregistrement des scans en tant que modèle 3D unifié, une « réplique numérique parfaite » ensuite exportée au format OBJ et archivée.

Modèle 3D d’une mâchoire de canis dirus, scannée par Artec Space Spider

Récemment, le musée a testé Artec Micro, un scanner 3D automatisé de bureau de qualité métrologique conçu pour le scan de petits objets avec une précision allant jusqu’à 10 micromètres. Le musée possède une vaste collection de petits spécimens, une variété de plantes et d’animaux, y compris des os d’oiseaux, des escargots d’eau douce, et une large palette de semences. Le processus de scan est simple : le spécimen est placé sur la plateforme de scan de Micro, puis, après quelques clics de souris, le scanner se charge du reste. La plateforme pivote tandis que la lumière bleue structurée et les caméras jumelles de Micro numérisent chaque caractéristique des surfaces du spécimen sous tous les angles possibles.

Comme le montre la photo ci-dessus, les visiteurs du musée peuvent observer Space Spider en action depuis l’autre côté de la vitre, à côté d’un écran affichant le scan 3D du fossile en temps réel (via Artec Studio). En face de la fenêtre de scan 3D se trouve le Fossil Lab du musée, surnommé le « bocal à poissons », un laboratoire semi-circulaire vitré où petits et grands peuvent regarder de près les paléontologues tandis que ceux-ci trient, nettoient et cataloguent une large variété de fossiles.

Le musée s’intéresse aux réflexions et discussions sur la création d’une base de données en ligne de modèles 3D de spécimens pour les chercheurs proches et lointains, ainsi que sur différents types de programmes locaux et virtuels de sensibilisation du public, y compris pour les écoles et les universités.

Actuellement en phase d’exploration et de développement, deux autres projets se serviront de la réalité augmentée pour favoriser l’utilisation par le public des ressources paléontologiques de La Brea Tar Pits via des expositions interactives et immersives. Ce genre de projets tireraient grandement profit des modèles 3D créés avec le Space Spider du musée, ainsi que d’autres technologies numériques, pour enrichir les connaissances scientifiques du public et réduire les idées fausses en sciences à tous les niveaux de la société.