這顆顱骨碎成了250多片，在地下埋藏了200萬年,如何還原
時間：2022-06-17 16:02 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
挑戰：在素有“人類搖籃”之稱的南非，考古學家從現場發掘出250多片古人類頭骨碎片，需要將其拼接還原。
解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio
項目過程：在考古發掘現場，研究人員使用Space Spider掃描儀，對頭骨碎片及周圍沉積物進行現場掃描，用數字化方式精準記錄每塊碎片的相對位置，從而為頭骨的拼接還原提供參照。頭骨拼接還原后，研究人員繼續使用Space Spider為頭骨制作高分辨率3D模型，并進行3D打印，應用于后續教學與科研場景。
#1“人類搖籃”考古現場再傳重磅發現
2018年，南非約翰斯內堡北部的德里墨倫考古現場，一個進行實地田野考察的學生在地層中發現了大量頭骨碎片和牙齒化石。
得知消息后，澳大利亞樂卓博大學的研究員杰西·馬丁和安吉麗娜·莉絲，以及安迪·赫里斯教授立刻召集團隊，收拾行李，從墨爾本飛往南非。他們的其中一件手提行李，就是Artec Space Spider掃描儀。
事實證明，研究團隊的直覺非常敏銳。本次發掘出的250余片碎片，最終拼裝還原成了編號為DNH155的古人類頭骨。這是全世界迄今為止發掘出的最早、保存最完好的羅百氏傍人頭骨。羅百氏傍人是人類祖先的近親，擁有突出的顴骨、大牙齒和小腦袋，生活在距今120萬年至200萬年前。并且研究團隊還在該頭骨上發現了令人信服的證據，證明了古人類族譜中的物種會發生微進化以應對環境氣候的改變。相關論文于2020年11月9日發表于《Nature Ecology & Evolution》期刊。
#2 考古是繡花活，三維掃描就是繡花針
盡管DNH155的數百件碎片在地層中的空間分布相對比較集中，但拼化石可不是拼樂高，有明確的圖紙指引。要想將250多片雜亂無章的碎片準確無誤地拼到一起，研究人員得拿出比新娘子繡花還要精細10倍的勁兒來。
在南非德里墨倫考古發掘現場，莉絲花了好幾天時間，才小心翼翼地從地層中切割下了包含著化石的大塊沉積物。這一步完成后，下一步就該馬丁登場了。馬丁先得給沉積物涂上一層文物修復膠，這是為了防止沉積物突然分崩離析。然后，馬丁會使用小木棍等工具，將每一塊頭骨碎片從沉積物中小心謹慎地取出。
接下來，馬丁需要使用丙酮反復擦拭沉積物表面，使膠水軟化。在膠水重新凝固之前，也就是在這短暫的時間窗口內，他會使用工具輕輕刷去化石上的沉積物，每一下只能刷掉幾毫米的沉積物，甚至有時會用吸管吸掉沉積物。反復執行上述步驟，直到這塊化石碎片的輪廓清晰可辨，馬丁就會拿起Space Spider掃描儀，將這塊化石碎片連同包裹著它的沉積物一起掃描下來。
馬丁表示：“之前尚未引入三維掃描技術時，我們總是面臨兩難的處境。因為我們必須要清理每一塊化石碎片，并將其保存起來。但當我們將化石碎片從沉積層中取出來時，碎片在沉積層中的原始姿態和碎片之間的相對位置信息就已經被破壞了，這對我們的拼裝還原工作構成了很大的難題。”他繼續說道，“現在有了Space Spider掃描儀，我們會對每一個化石沉積層進行掃描，獲得精準的3D數據記錄，為之后的頭骨化石拼裝提供精確參考。”
在長達300多個小時的頭骨化石拼裝過程中，馬丁和莉絲始終在一旁的電腦上運行Artec Studio軟件，以便隨時加載Space Spider的掃描數據組。一旦需要確認某塊化石碎片在沉積層中的姿態或位置，只需輕點幾下鼠標，即可調用相應的掃描數據，得到所需的信息。
在對化石等地下發掘物進行尺寸測量時，考古學界通常有兩種傳統手段：游標卡尺測量法和攝影測量法。但這兩種手段都不可避免地需要與化石產生直接接觸。其中，游標卡尺極易在化石表面造成劃痕；攝影測量法則需要在化石表面粘貼并隨后取下標記點，同樣容易對化石造成破壞。
然而，Artec 3D掃描技術是100%無接觸的測量技術。使用Artec Space Spider進行3D掃描，無需接觸化石，即可在短短幾分鐘內輸出精度高達0.05mm的測量結果。即便對同一件化石碎片掃描上千次，也不會對其造成任何損害。
#3 Space Spider的具體操作流程
馬丁描述了他使用Space Spider掃描儀的正常工作流程：“首先，將化石放置在旋轉臺上，開始采集第一組數據。將掃描儀對準化石，一邊轉動旋轉臺，一邊緩緩地上下移動掃描儀。第一組數據采集完畢后，我會把化石翻過來，繼續采集背面的數據。短短幾分鐘的掃描之后，我就能獲得足夠的表面數據和重合面積，通過后處理即可生成這塊碎片的完整模型。”
隨后在Artec Studio軟件中，馬丁使用橡皮擦工具移除基底，并將多組掃描數據對齊。接下來，他會進行整體配準，并刪除離群噪點，最后進行尖銳融合。他這樣解釋道：“在我們研究人類頭骨時，我們希望清晰地看到頭骨上的所有質量性狀，所以我將分辨率設為0.1mm。這樣我才能清楚地觀察每一處細節，比如顳線、顱縫、小孔等等。”
在制作出水密3D模型后，馬丁對模型一鍵貼圖，然后將掃描數據以WRL格式導出。“我之所以選擇WRL格式，并不僅僅是出于這是一種通用格式，更多的還是因為我想要將紋理數據和幾何數據分開保存。考古研究者經常需要將模型上的顏色隱去，這樣我們就能專心致志地研究模型上的質量性狀，這才是我們最看重的部分。”
馬丁認為，有一點至關重要——研究人員非常需要純粹的幾何數據。他表示：“在Artec Studio中一鍵即可隱去模型顏色。當研究人員仔細觀察不帶顏色的幾何數據時，他們能夠get到海量的信息，甚至比用肉眼直接觀察化石本身得到的信息量還要大。”
馬丁繼續道，“舉一個直觀的例子，幾年前我們用Space Spider掃描過另一個古人類頭骨。該頭骨化石來自約200萬年前的一個2~3歲的嬰兒。在嬰幼兒期，人類的顱骨通常較軟，此時顱骨尚未完全閉合。但是嬰幼兒的大腦處于快速發育期，會對內側柔軟的頭骨產生擠壓，留下痕跡。”
“但是這些痕跡通常是肉眼不可見的，即便是訓練有素的研究人員，也基本不可能只憑肉眼在化石上觀察到這些痕跡。肉眼看見的，無非是一些看似沒有規律的隆起和抓痕。但是只要在Artec Studio中隱去模型的顏色，我們就可以在顱骨內側看到，這顆200萬年前的大腦在生長時留下的神奇印跡，就像在看一份CT掃描報告似的。”
馬丁的話匣子打開了，滔滔不絕地說了下去：“這顆大腦在顱骨內側留下了異常清晰的生長痕跡。我們可以觀察到諸多細節，比如腦膜中血管、腦溝以及腦回留下的痕跡。憑借這些信息，我們可以清晰辨別出大腦的不同區域。你們想想看，我們對一顆200萬年前的大腦展開了研究，而這一切都要歸功于Space Spider捕獲到了顱骨內側大腦生長的痕跡。只要在Artec Studio軟件中一鍵隱去模型顏色，你就能清楚地觀察到每一處細節。”
#4 三維掃描數據進一步用于3D打印
基于Space Spider采集到的掃描數據，研究人員通過3D打印為DNH155頭骨制作了一份1：1還原的復制品。即便是見多識廣的研究者，在見到這一還原度極高的3D打印模型時，也都大感震撼。
馬丁還提到，Space Spider的掃描數據具備極高的精度和細節度，為3D打印提供了高質量的數模。“我們3D打印出的每一塊碎片，都能與原始化石完美拼接起來，所有縫隙和邊緣都能無縫對接。”
解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio
項目過程：在考古發掘現場，研究人員使用Space Spider掃描儀，對頭骨碎片及周圍沉積物進行現場掃描，用數字化方式精準記錄每塊碎片的相對位置，從而為頭骨的拼接還原提供參照。頭骨拼接還原后，研究人員繼續使用Space Spider為頭骨制作高分辨率3D模型，并進行3D打印，應用于后續教學與科研場景。
#1“人類搖籃”考古現場再傳重磅發現
△南非德里墨倫考古發掘現場。
2018年，南非約翰斯內堡北部的德里墨倫考古現場，一個進行實地田野考察的學生在地層中發現了大量頭骨碎片和牙齒化石。
得知消息后，澳大利亞樂卓博大學的研究員杰西·馬丁和安吉麗娜·莉絲，以及安迪·赫里斯教授立刻召集團隊，收拾行李，從墨爾本飛往南非。他們的其中一件手提行李，就是Artec Space Spider掃描儀。
事實證明，研究團隊的直覺非常敏銳。本次發掘出的250余片碎片，最終拼裝還原成了編號為DNH155的古人類頭骨。這是全世界迄今為止發掘出的最早、保存最完好的羅百氏傍人頭骨。羅百氏傍人是人類祖先的近親，擁有突出的顴骨、大牙齒和小腦袋，生活在距今120萬年至200萬年前。并且研究團隊還在該頭骨上發現了令人信服的證據，證明了古人類族譜中的物種會發生微進化以應對環境氣候的改變。相關論文于2020年11月9日發表于《Nature Ecology & Evolution》期刊。
△DNH155頭骨。
#2 考古是繡花活，三維掃描就是繡花針
盡管DNH155的數百件碎片在地層中的空間分布相對比較集中，但拼化石可不是拼樂高，有明確的圖紙指引。要想將250多片雜亂無章的碎片準確無誤地拼到一起，研究人員得拿出比新娘子繡花還要精細10倍的勁兒來。
在南非德里墨倫考古發掘現場，莉絲花了好幾天時間，才小心翼翼地從地層中切割下了包含著化石的大塊沉積物。這一步完成后，下一步就該馬丁登場了。馬丁先得給沉積物涂上一層文物修復膠，這是為了防止沉積物突然分崩離析。然后，馬丁會使用小木棍等工具，將每一塊頭骨碎片從沉積物中小心謹慎地取出。
接下來，馬丁需要使用丙酮反復擦拭沉積物表面，使膠水軟化。在膠水重新凝固之前，也就是在這短暫的時間窗口內，他會使用工具輕輕刷去化石上的沉積物，每一下只能刷掉幾毫米的沉積物，甚至有時會用吸管吸掉沉積物。反復執行上述步驟，直到這塊化石碎片的輪廓清晰可辨，馬丁就會拿起Space Spider掃描儀，將這塊化石碎片連同包裹著它的沉積物一起掃描下來。
△清理化石碎片上的沉積物。
馬丁表示：“之前尚未引入三維掃描技術時，我們總是面臨兩難的處境。因為我們必須要清理每一塊化石碎片，并將其保存起來。但當我們將化石碎片從沉積層中取出來時，碎片在沉積層中的原始姿態和碎片之間的相對位置信息就已經被破壞了，這對我們的拼裝還原工作構成了很大的難題。”他繼續說道，“現在有了Space Spider掃描儀，我們會對每一個化石沉積層進行掃描，獲得精準的3D數據記錄，為之后的頭骨化石拼裝提供精確參考。”
在長達300多個小時的頭骨化石拼裝過程中，馬丁和莉絲始終在一旁的電腦上運行Artec Studio軟件，以便隨時加載Space Spider的掃描數據組。一旦需要確認某塊化石碎片在沉積層中的姿態或位置，只需輕點幾下鼠標，即可調用相應的掃描數據，得到所需的信息。
在對化石等地下發掘物進行尺寸測量時，考古學界通常有兩種傳統手段：游標卡尺測量法和攝影測量法。但這兩種手段都不可避免地需要與化石產生直接接觸。其中，游標卡尺極易在化石表面造成劃痕；攝影測量法則需要在化石表面粘貼并隨后取下標記點，同樣容易對化石造成破壞。
然而，Artec 3D掃描技術是100%無接觸的測量技術。使用Artec Space Spider進行3D掃描，無需接觸化石，即可在短短幾分鐘內輸出精度高達0.05mm的測量結果。即便對同一件化石碎片掃描上千次，也不會對其造成任何損害。
#3 Space Spider的具體操作流程
馬丁描述了他使用Space Spider掃描儀的正常工作流程：“首先，將化石放置在旋轉臺上，開始采集第一組數據。將掃描儀對準化石，一邊轉動旋轉臺，一邊緩緩地上下移動掃描儀。第一組數據采集完畢后，我會把化石翻過來，繼續采集背面的數據。短短幾分鐘的掃描之后，我就能獲得足夠的表面數據和重合面積，通過后處理即可生成這塊碎片的完整模型。”
隨后在Artec Studio軟件中，馬丁使用橡皮擦工具移除基底，并將多組掃描數據對齊。接下來，他會進行整體配準，并刪除離群噪點，最后進行尖銳融合。他這樣解釋道：“在我們研究人類頭骨時，我們希望清晰地看到頭骨上的所有質量性狀，所以我將分辨率設為0.1mm。這樣我才能清楚地觀察每一處細節，比如顳線、顱縫、小孔等等。”
在制作出水密3D模型后，馬丁對模型一鍵貼圖，然后將掃描數據以WRL格式導出。“我之所以選擇WRL格式，并不僅僅是出于這是一種通用格式，更多的還是因為我想要將紋理數據和幾何數據分開保存。考古研究者經常需要將模型上的顏色隱去，這樣我們就能專心致志地研究模型上的質量性狀，這才是我們最看重的部分。”
△DNH155頭骨3D模型（帶紋理顏色）
馬丁認為，有一點至關重要——研究人員非常需要純粹的幾何數據。他表示：“在Artec Studio中一鍵即可隱去模型顏色。當研究人員仔細觀察不帶顏色的幾何數據時，他們能夠get到海量的信息，甚至比用肉眼直接觀察化石本身得到的信息量還要大。”
△DNH155頭骨3D模型（不帶紋理顏色）
馬丁繼續道，“舉一個直觀的例子，幾年前我們用Space Spider掃描過另一個古人類頭骨。該頭骨化石來自約200萬年前的一個2~3歲的嬰兒。在嬰幼兒期，人類的顱骨通常較軟，此時顱骨尚未完全閉合。但是嬰幼兒的大腦處于快速發育期，會對內側柔軟的頭骨產生擠壓，留下痕跡。”
“但是這些痕跡通常是肉眼不可見的，即便是訓練有素的研究人員，也基本不可能只憑肉眼在化石上觀察到這些痕跡。肉眼看見的，無非是一些看似沒有規律的隆起和抓痕。但是只要在Artec Studio中隱去模型的顏色，我們就可以在顱骨內側看到，這顆200萬年前的大腦在生長時留下的神奇印跡，就像在看一份CT掃描報告似的。”
馬丁的話匣子打開了，滔滔不絕地說了下去：“這顆大腦在顱骨內側留下了異常清晰的生長痕跡。我們可以觀察到諸多細節，比如腦膜中血管、腦溝以及腦回留下的痕跡。憑借這些信息，我們可以清晰辨別出大腦的不同區域。你們想想看，我們對一顆200萬年前的大腦展開了研究，而這一切都要歸功于Space Spider捕獲到了顱骨內側大腦生長的痕跡。只要在Artec Studio軟件中一鍵隱去模型顏色，你就能清楚地觀察到每一處細節。”
#4 三維掃描數據進一步用于3D打印
△研究員杰西·馬丁和安吉麗娜·莉絲正在觀看DNH155頭骨的3D打印模型。
基于Space Spider采集到的掃描數據，研究人員通過3D打印為DNH155頭骨制作了一份1：1還原的復制品。即便是見多識廣的研究者，在見到這一還原度極高的3D打印模型時，也都大感震撼。
馬丁還提到，Space Spider的掃描數據具備極高的精度和細節度，為3D打印提供了高質量的數模。“我們3D打印出的每一塊碎片，都能與原始化石完美拼接起來，所有縫隙和邊緣都能無縫對接。”
(責任編輯：admin)
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