Scanner en 3D dans le désert africain: les réussites d’une débutante

24/11/2016

Une étudiante en paléontologie avec une connaissance basique du scan 3D s’est aventurée dans une expédition sur un site de fouille au Kenya pour numériser les découvertes mises à jour par des paléontologues de renommée mondiale.

Le bassin du Lac Turkana dans le nord du Kenya est une région légendaire avec de nombreux sites archéologiques où des découvertes révolutionnaires ont été faites par la famille Leakey et son équipe, qui y ont travaillé depuis le milieu du 20ème siècle. Certaines des découvertes les plus connues faites à cet endroit incluent le Garçon du Turkana, qui est le squelette quasi complet d’un Homo Erectus, un enfant de 10 ans daté d’il y a 1.5 à 1.6 millions d’années et l’Homo Habilis, un représentant ancien du genre humain, Homo, dont on pense qu’il a utilisé des outils il y a aussi longtemps qu’il y a 2 millions d’années. En fait, ce sont les Leakey qui ont donné à l’hominidé le nom Homo Habilis, ou « homme habile » qui est connu dans le monde entier.

Création d’une copie numérique d’un échantillon avec le scanner 3D Artec Space Spider au Turkana Bassin Institute

Après des décennies de travail au Lac Turkana, les Leakeys ont établi l’Institut du Bassin de Turkana (Turkana Basin Institute ou TBI), qui facilite de nouvelles recherches dans la région. Durant l’été 2014, le TBI a acquis l’Artec Eva, un scanner 3D précis pour les gros objets, et un Artec Spider, un scanner 3D HD pour les objets plus petits, et reçu une formation de la part de Denis Baev de chez Artec. L’équipe dirigée par Louise Leakey a numérisé en 3D des échantillons fossilisés de l’importante collection du TBI.

Une installation du TBI

Une pièce de stockage du TBI

Ossements de la collection du TBI

Louise Leakey avec ses collègues

Le TBI accueille des chercheurs qui aident sur le site de fouilles et dans le laboratoire, scannant les os d’animaux préhistoriques et d’hominidés. Une de ces chercheurs est Natalya Prilepskaya, une post-doctorante en paléontologie de l’Université d’Etat de Moscou, qui s’est rendue au Lac Turkana pour scanner des fossiles en utilisant les scanners 3D Artec Eva et Space Spider.

Natalya Prilepskaya, à gauche, avec Louise Leakey

Natalya a gentiment accepté de partager ses impressions avec nous :

« Ma mission au TBI était de scanner des échantillons paléontologiques avec le nouveau scanner Artec, le Space Spider, et l’Artec Eva. Le problème était que je n’ai pas eu le temps d’apprendre à scanner en 3D. Je n’ai en fait eu que quelques jours de théorie et de pratique avant mon voyage. J’aimerais remercier Olga Skvortsova, Denis Baev, Yaroslava Laptinskaya et mon mari, Sergey Sukhovey, pour les connaissances précieuses que j’ai acquises en un temps très réduit ! »

Au TBI, la difficulté était de tirer le meilleur parti de mes compétences. Ce n’était pas une tâche facile, mais rien n’est impossible.

Natalya dans l’entrepôt des fossiles du TBI

La plus grande partie de ma pratique d’apprentissage est survenue dans des « conditions de terrain ». Le scan 3D ressemblait à un travail sur la roue d’un potier, ce qui était agréable parce que j’ai toujours adoré faire des céramiques. Le scanner non seulement collectait des informations sur l’objet, il le « touchait et le sentait » également. Le résultat que vous obteniez était une forme 3D « vivante », comme si elle était modelée dans de l’argile.

Natalya utilisant le Space Spider pour scanner un échantillon

Mais pour vraiment obtenir un modèle 3D, j’ai dû tout d’abord apprendre à faire fonctionner le scanner pour qu’il ne perde pas la détection. Pour faire cela, je devais garder les yeux sur l’écran, pas l’objet. J’ai donc dû m’habituer à travailler de cette manière. Au début, mes yeux allaient de l’écran à l’objet et inversement de temps en temps. Quand je regardais l’objet, ma main faisait souvent un mauvais mouvement, et la zone de scan disparaissait du champ vert [dans Artec Studio].

La vitesse de scan était également importante. Avec le Space Spider, vous devriez aller doucement et de manière continue, sans faire de mouvement brusque. C’est un peu différent de la manière dont on fait des scans rapides autour de l’objet avec Eva. Pour scanner avec le Space Spider, une table tournante fonctionnerait bien, mais il n’y en avait pas au TBI.

Une autre chose à apprendre était de s’arrêter lorsque le scanner a collecté assez de données. Je faisais parfois des répétitions inutiles, repassant sur la même zone de nouveau. En conséquence, le projet est devenu trop gros, et le traitement prenait trop longtemps, à cause de la quantité de données trop importante.

Lors de mon premier jour de travail au TBI, j’ai eu à scanner mon premier échantillon paléontologique – le crâne d’un babouin (Papio Anubis) daté à 1.8 millions d’années de maintenant. J’ai eu la chance de travailler aux côtés de Timothy Gichunge et Robert Ngechu, membres de l’institut, de qui j’ai appris beaucoup. C’était très pratique de travailler dans le même laboratoire, j’ai souvent pu me tourner vers eux pour un avis. Ils étaient toujours heureux de m’aider.

Travail sur un site de fouilles

J’ai demandé à Timothy de faire un cours de maître pour moi pour que je puisse voir comment il scanne. Ceci s’est avéré une idée fantastique ! C’était très utile de non seulement s’entraîner seule, mais aussi de voir un professionnel le faire. Timothy faisait bouger le Spider autour d’un objet tout en douceur, sans faire un seul mauvais mouvement – minimalisme suffisant. Et la qualité de ses projets finaux était simplement superbe. Je voulais apprendre comment scanner aussi efficacement.

Timothy a trouvé un substitut simple à la table tournante – il a place des objets plus petits sur une pochette et les a tournés, en tenant le bord de la pochette. C’était en fait une excellente solution grâce à la transparence du matériau : Space Spider ne voyait pas le fond transparent et donc ne le scannait pas. Ceci réduisait le temps passé à nettoyer le modèle de toutes les données non souhaitées et à enlever la table.

Utilisation d’une plate-forme de fortune pour scanner un échantillon

Après quelques sessions d’entraînement, j’ai commencé à travailler au perfectionnement de ma technique. Je demandais parfois à Timothy et Robert de me regarder scanner et de me corriger si je faisais quelque chose de la mauvaise manière. Cela s’est avéré extrêmement utile.

Natalya scannant un échantillon

J’étais heureuse d’apprendre à Timothy une astuce que mon mari Sergey m’avait montrée une fois. Lorsque je scannais les cornes recourbées d’une antilope, le Space Spider pouvait perdre la détection sur les pointes des cornes, car elles étaient fines et “pendaient” dans les airs. Si vous placez un morceau de papier avec du texte ou des images sur la pointe d’une corne, le scanner l’utilisait comme ancrage pour maintenir une détection continue. Lorsqu’on édite le projet, le papier est effacé.

Le crane d’une antilope avec cornes

Le climat a aussi joué un rôle dans mon apprentissage. Il faisait très chaud sur le site. Malgré le fait que la pièce où je scannais était bien aérée, les ordinateurs surchauffaient souvent. Pour les faire travailler plus longtemps, nous les avons mis sur des bidons en plastique avec de la glace, en remplaçant ceux où la glace avait fondu.

Une journée de canicule sur un site de fouilles

Un autre facteur à considérer était le vent fort. Il soufflait tout le temps, apportant de grandes quantités de poussière et de sable, qui pénétrait dans chaque orifice et fente de notre matériel. Le Dr Meave Leakey utilise une coque transparente protectrice pour couvrir son ordinateur portable et le protéger.

J’ai été très chanceuse de n’avoir presque aucun insecte autour de moi lorsque je travaillais. Habituellement à cette époque de l’année il y a des hordes d’insectes dans la zone, rendant impossible de travailler le soir, parce qu’ils sont attirés par les écrans brillant dans la nuit. Le problème est résolu en utilisant un logiciel spécial qui change la couleur de l’écran. Pour Mac, par exemple, c’est Black Light.

Travailler dans le noir

Durant son séjour au TBI, Natalya a scanné un total de sept crânes de mammifères qui vivaient dans la zone du Lac Turkana au Pleistocène – Holocène (d’il y a 2.6 millions d’années jusqu’à nos jours). Les modèles 3D terminés ont été postés sur le site web AfricanFossils.org dans la section impression 3D, où tout utilisateur inscrit peut télécharger et imprimer le modèle dont ils ont besoin.

L’importance de créer une collection de modèles 3D d’hominidés et animaux est difficile à surestimer.

Tout d’abord, la technologie de scan 3D permet au chercheur d’obtenir des données précises sur la géométrie d’un échantillon paléontologique. On peut utiliser une règle et un compas pour mesurer les échantillons, bien sûr, mais de telles mesures ne sont ni assez complètes ni assez précises. De même, les photos et dessins ne reflètent pas toujours précisément la forme de l’objet.

La diversité des crânes avec des cornes dans la collection du TBI

Ensuite, le scan 3D aide à préserver les informations sur la forme de l’échantillon. Même des fossiles qui semblent solides peuvent se désagréger, surtout s’ils sont exposés à la lumière du soleil, à la pluie, au vent et aux températures changeantes sur le terrain. Et même si un objet est entreposé dans un musée, il peut toujours s’abimer à cause de l’humidité, de températures défavorables et d’autres conditions destructrices.

Un facteur négatif courant affectant les fossiles est la maladie de la pyrite qui cause l’effritement et le pourrissement des fossiles. La maladie commence dans des environnements riches en oxygène, avec de la moisissure, des changements de température, de la pression et une activité bactérienne contribuant à son développement.

Le scan 3D de précision vous permet de préserver une image 3D précise d’un objet en couleurs naturelles. Le modèle obtenu contient toutes les informations nécessaires sur l’objet, y compris ses mesures, ce qui permet aux chercheurs de travailler avec l’objet sans contact direct avec lui.

Les os sont sensibles à la détérioration dans des conditions défavorables

Troisièmement, la création de collections de modèles 3D facilite des échanges plus larges d’informations sur les échantillons : les scientifiques ne doivent plus passer du temps et dépenser de l’argent pour un voyage vers un site de fouilles ou un musée pour voir un échantillon. Plusieurs laboratoires peuvent travailler ensemble, partageant les données 3D sur la morphologie de spécimens, ce qui augmente l’efficacité et la qualité de leur collaboration.

Au TBI, un des grands spécimens scannés le plus récemment était un énorme crâne d’éléphant qui devait être étudié en détail et est très difficile à déplacer ou retourner. « Etre capable de scanner le spécimen et ensuite utiliser le modèle détaillé a été très excitant, » a déclaré Louise Leakey. L’échantillon a été scanné avec l’Artec Eva, et les données traitées dans le logiciel d’objets 3D Artec Studio 11, qui réduit le temps minimum nécessaire pour créer le modèle 3D précis d’un objet.

Timothy scannant l’énorme crâne fossilisé d’un éléphant avec l’Artec Eva

Scans 3D de crânes d’éléphant fossilisés capturés avec les Artec Eva et Spider

Enfin, le scan 3D favorise l’éducation, car les modèles 3D sont souvent utilisés comme aides visuelles en classe. Les modèles 3D peuvent être étudiés non seulement sur un ordinateur mais aussi imprimés sur une imprimante 3D, qui devient de plus en plus répandue.

Le scan 3D a ouvert un nouveau chapitre pour la paléontologie, mettant un outil merveilleux dans les mains de chercheurs pour préserver leurs découvertes précieuses et fragiles, impliquer un cercle plus large de collègues dans l’étude d’échantillons encore plus approfondie qu’auparavant, et inspirer les plus jeunes générations à poursuivre la recherche de réponses à des questions fondamentales sur les origines de l’homme.

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