DNH 155: Как Artec Space Spider помог реконструировать череп возрастом 2 миллиона лет

28/04/2021

Автор: Мэттью МакМиллион

«Эту часть истории непременно стоит рассказать, — утверждает исследователь из университета Ла Троба и соавтор проекта Джесси Мартин. — Без нашего 3D-сканера и программы Artec реконструкция черепа DNH 155, о котором сейчас столько разговоров, была бы просто невозможна».

Вместе со своими коллегами доктором Анджелин Лис, профессором Энди Херрисом и другими учеными Мартин использовал Artec Space Spider на раскопках в Южной Африке. Портативный 3D-сканер применялся в ходе не только раскопок, но и реконструкции черепа древнего родственника человека. Эта работа проливает свет на механизм внутривидовых микроэволюционных изменений.

Полный текст исследования опубликован 9 ноября 2020 года в журнале Nature Ecology & Evolution.

Отправляясь из австралийского Мельбурна в Южную Африку, команда исследователей вооружилась портативным сканером Space Spider. Его, к слову, при перелете взяли в ручную кладь. Несколько дней спустя этим сканером уже снимали первые обнаруженные фрагменты черепа, который назвали DNH 155. А спустя месяцы изнурительной работы на месте раскопок и в лаборатории, когда были сделаны сотни сканов, Space Spider был использован для 3D-съемки реконструированного черепа, чтобы на основе 3D-модели ученые могли создать изображения для публикации научной работы.

Главный карьер Дримолен, Южная Африка

DNH 155, практически целый череп особи вида Paranthropus robustus, одного из наших дальних родственников, был обнаружен в главном карьере Дримолен к северу от Йоханнесбурга в 2018 году. Автор находки — студентка колледжа Саманта Гуд. В то время как большинство ископаемых экспонатов состоят просто из разрозненных элементов (зубов, костей или частей черепа), сотни фрагментов DNH 155 располагались относительно близко друг к другу. Однако это совсем не означает, что их можно было легко собрать, как пазл.

На месте раскопок в Дримолен вместе со Стефани Бейкер всего за несколько дней Анджелин Лис бережно нарезала и достала из земли большие окаменелые блоки осадочных пород. После этого за дело принялся Джесси Мартин, который деревянными палочками и другими инструментами кропотливо вынимал из грунта фрагменты черепа, один за одним. Чтобы грунт не рассыпался, его пришлось заполнить реставрационным клеем, который удерживал все элементы в изначальном положении.

Чтобы размягчить клей на осадочных отложениях и ископаемых под ними, Мартин постоянно смачивал поверхность блока ацетоном. Затем у него появлялось несколько секунд, чтобы аккуратно убрать или смахнуть кистью миллиметровые слои земли (или даже удалить их соломинкой для питья), после чего клей снова затвердевал. Как только на поверхности появлялись очертания фрагментов, Мартин брал сканер Space Spider и снимал найденный элемент вместе со всей поверхностью блока.

DNH 155 снова увидел свет после 2 миллионов лет в толще земли

По словам Мартина, «В этот момент происходит логический парадокс, поскольку для того, чтобы очистить ископаемое и сохранить его, мне нужно разобрать его на части. Это значит, что мне приходится нарушать оригинальное расположение фрагмента, чтобы иметь возможность точно состыковать его с остальными. Благодаря 3D-сканированию каждого слоя с помощью Space Spider я получаю точные данные, на основе которых впоследствии смогу собрать все фрагменты в том же виде, как они лежали в земле».

Чтобы воплотить эту идею в жизнь, ученым Мартин и Лис потребовалось более 300 часов. В процессе сборки фрагментов они опирались на сканы Space Spider в программе Artec Studio. И каждый раз, когда возникали сомнения относительно положения или места того или иного элемента, несколько простых щелчков мышкой позволяли немедленно получить ответ: на экране появлялся цифровой двойник искомого фрагмента.

Space Spider также очень помог в реконструкции черепа DNH 155 из более 250 фрагментов. «Каждое ископаемое было много раз отсканировано в процессе ручной реконструкции черепа, когда мы собирали его по кусочкам, — поясняет Мартин. — Это позволило нам определить точное 3D-расположение каждого элемента, что и помогло на этапе реконструкции. С помощью Space Spider мы много раз сканировали череп на месте раскопок и в лаборатории Университета Йоханнесбурга».

Далее Мартин описывает весь процесс подробнее: «Поскольку во время реконструкции мы сканируем крупные фрагменты отдельно, мы также располагаем информацией обо всех внутренних особенностях черепа. С этой точки зрения ни один другой традиционный метод не способен заглянуть внутрь черепной коробки (кроме, возможно, КТ-сканирования) после ее окончательной сборки. Но благодаря быстрой работе Space Spider мы легко оцифровываем все отдельные фрагменты перед финальной реконструкцией».

Мартин особенно подчеркивает главные, на его взгляд, преимущества Space Spider: «Оба традиционных метода, которые используются археологами — фотограмметрия и ручные измерения штангенциркулем и линейкой, — предусматривают постоянный контакт с ископаемым. Это означает, что рано или поздно на нем появятся царапины и сколы, причем в лучшем случае только они».

Artec Space Spider

Мартин добавляет: «Я много раз замечал, что со временем на ископаемых экспонатах появляются сколы и зарубки от постоянных измерений штангенциркулями. При использовании сканера Artec такого просто не может произойти».

Он объясняет: «3D-сканирование с помощью Artec Space Spider не требует контакта с поверхностью археологических ценностей, а точные измерения занимают всего несколько минут. Я могу сделать 1000 сканов черепа гоминида, не оставив на нем ни единого повреждения, но если исследователи будут, как и прежде, измерять его штангенциркулем из металла или пластика, то повреждения будут обязательно. Я уже не говорю о том, что различные анатомические измерения штангенциркулем предусматривают такое положение ископаемого, на которое невозможно смотреть без замирания сердца. Подобные манипуляции могут быть очень опасны для экспонатов!»

Далее Мартин описывает свой обычный процесс сканирования с помощью Space Spider: «Сначала я делаю первый проход, аккуратно поднимая и опуская сканер по мере вращения поворотного столика, на котором лежит фрагмент. Затем я переворачиваю объект и делаю то же самое с другой стороны. На это уходит максимум несколько минут. Этих сканов мне достаточно, чтобы получить необходимое количество зон наложения кадров и охватить все поверхности, а затем обработать полученные данные».

В программе Artec Studio Мартин удаляет Ластиком фон, а после этого собирает сканы. Затем он запускает Глобальную регистрацию, чтобы зарегистрировать сканы, после чего удаляет полигональный шум и переходит к Четкой склейке. Вот как он объясняет свой выбор инструментов: «Если я смотрю на череп гоминида, я хочу видеть все его особенности, поэтому устанавливаю настройки точности на уровне 100 микрон. После такой съемки я смогу увидеть всё, что хочу: височные линии, швы черепа, отверстия и т. д.»

Убедившись, что в модели заделаны все отверстия, Мартин накладывает на нее текстуру, а затем экспортирует скан в формате WRL. «Я выбираю WRL не только потому, что это универсальный формат, но также потому что я предпочитаю хранить текстуру отдельно от геометрии объекта. Когда проделывается подобная работа, действительно хочется совсем отказаться от текстуры, чтобы увидеть все особенности, на которые мы ориентируемся в своих исследованиях».

Скриншот Artec Studio: череп DNH 155 с текстурой

Подчеркивая важность работы напрямую с геометрией ископаемого, Мартин объясняет: «Когда исследователи видят сканы без текстуры, что легко сделать в Artec Studio, они могут заметить намного больше деталей, чем предполагали, и, конечно же, намного больше, чем при осмотре самого ископаемого».

Скриншот Artec Studio: череп DNH 155 без текстуры

Мартин продолжает: «Приведу пример. Несколько лет назад мы сканировали с помощью Space Spider череп другого гоминида. Тому экспонату приблизительно 2 миллиона лет, а самой особи на момент смерти было примерно 2‒3 года. В таком возрасте кости черепа относительно мягкие, потому что еще не срослись, а мозг растет очень быстро и давит на внутреннюю сторону мягкого черепа».

«Когда смотришь на череп, этого не видно. Такие подробности ускользают даже от опытных исследователей, поскольку на поверхности заметны только царапины и бугорки. Но стоит открыть скан в программе Artec Studio и удалить с него текстуру, как на внутренней поверхности черепа сразу проявляются удивительные отпечатки. Мне это напоминает современное КТ-сканирование, но только использованное для изучения мозга гоминида, жившего 2 миллиона лет назад».

Мартин продолжает: «Мозг оставил на черепе четкие следы. Можно различить такие детали, как среднюю мозговую артерию, сулькулярное пространство, рельеф извилин и многое другое. Мы можем легко определить, какие части мозга сформированы, а какие — нет. Вы только задумайтесь! У нас появилась возможность изучить мозг особи, жившей 2 миллиона лет назад, только потому, что мы отсканировали следы этого мозга на черепе с помощью Space Spider. Как только со скана удаляется текстура, ученым открывается потрясающие детали».

Исследователи Анджелин Лис и Джесси Мартин с отпечатанной на 3D-принтере копией DNH 155

На основе сканов Space Spider была напечатана 3D-копия черепа DNH 155, и результат оказался просто ошеломительным. Даже опытные исследователи с восхищением смотрят на эти реалистичные 3D-модели ископаемого возрастом 2 миллиона лет.

Мартин подчеркивает, что при реконструкции черепа гоминида крайне важным оказался высочайший уровень детализации. «Мы можем отпечатать на 3D-принтере те фрагменты черепа, которые мы отсканировали, и они будут идеально соответствовать оригиналам. Все швы и края совпадают просто безупречно».

Мартин начал использовать Space Spider в 2015 году после того, как познакомился со сканером и программой Artec Studio с подачи доктора Джастина Адамса из Университета Монаш (Австралия). Чтобы разобраться в принципах работы устройства, Мартину потребовался всего час инструктажа и еще примерно 10 часов самостоятельных 3D-съемок.

«Это не потому, что я какой-то гений сканирования, — признается Мартин. — Скорее, это свидетельство того, что эта технология интуитивно понятна. Но самым приятным является даже не возможности и не простота использования сканера, а его портативность, благодаря чему мы можем брать это устройство на места раскопок».

Рисунок черепа DNH 155, созданный исследователем Джованни Бошианом на основе фотографий и сканов Space Spider

Бен Майерс, директор по 3D-сканированию мельбурнской компании Thinglab, которая является сертифицированным дилером Artec с золотым статусом, комментирует использование 3D-сканеров Artec в археологии и за ее пределами: «Мы гордимся тем, что Джесси Мартин и его коллеги из Университета Ла Троба являются нашими клиентами, и мы всячески поддерживаем их. Мы считаем, что Artec 3D предоставляет исследователям и другим профессионалам лучшие решения для 3D-сканирования: от настольного Artec Micro, портативных Eva, Space Spider и Leo до устанавливаемого на штатив Artec Ray. Этим сканерам по силам абсолютно любые задачи».

Сканирование проводилось при поддержке Университета Йоханнесбурга и благодаря докторской стипендии, выданной Университетом Ла Троба исследователю Джесси Мартину, а также гранту на исследовательский проект (DP170100056), выданному Научным советом Австралии профессору Энди Херрису.