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前言

骨骼作為脊椎動(dòng)物身體的基礎(chǔ)，不僅有支撐、保護(hù)、運(yùn)動(dòng)等功能，其極致的形態(tài)和精密的結(jié)構(gòu)中也隱藏著生物的系統(tǒng)發(fā)育、生活方式，乃至生存環(huán)境和生命演化的秘密

借助于3D掃描技術(shù)，完整的動(dòng)物骨骼和骨骼碎片都可以被精確復(fù)制，轉(zhuǎn)化為便于研究、傳輸和展示的3D數(shù)字模型。這一數(shù)字化手段在自然考古、教學(xué)研究、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

本期案例我們將穿越遠(yuǎn)古與現(xiàn)代，跨越陸地與海洋，借智能手持式激光3D掃描儀的雙目視覺(jué)，見(jiàn)證不同骨骼的形態(tài)之美，及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

CASE 01 明星物種化石 | 3D檔案

被譽(yù)為“活化石”的國(guó)寶大熊貓歷經(jīng)數(shù)百萬(wàn)年的滄海桑田生存至今，其真正的骨骼化石也珍貴無(wú)比，為探究生物進(jìn)化及環(huán)境變化等提供了重要證據(jù)。

我們的客戶需要對(duì)一件距今幾十萬(wàn)年的大熊貓頭骨化石進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為其建立數(shù)字檔案。中觀給出了【3D掃描+自動(dòng)貼圖】的解決方案，可以非接觸方式快速獲取化石的高精度3D點(diǎn)云模型，同時(shí)真實(shí)還原表面的紋理色彩。

▲借助桌面標(biāo)志點(diǎn)對(duì)熊貓頭骨化石進(jìn)行掃描，無(wú)需在化石表面粘貼標(biāo)志點(diǎn)。

▲掃描數(shù)據(jù)1:1精確還原化石的完整結(jié)構(gòu)形態(tài)。

▲結(jié)合ArtMapping貼圖軟件，實(shí)現(xiàn)二維影像紋理與三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)配準(zhǔn)、融合，操作智能高效，效果真實(shí)細(xì)膩。

通過(guò)三維掃描技術(shù)獲取的化石3D數(shù)據(jù)，可以永久存檔，為大熊貓骨骼數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和后續(xù)研究保護(hù)工作提供信息保障；也可以用于博物館的數(shù)字化展示，或者結(jié)合3D打印等推出系列科普產(chǎn)品，方便以生動(dòng)多元的手段推動(dòng)古生物科學(xué)的傳播。

CASE 02 動(dòng)物骨骼教學(xué) | 3D展示

動(dòng)物骨骼標(biāo)本可以清晰直觀地展示動(dòng)物身體內(nèi)部的骨骼構(gòu)造，它是研究骨骼形態(tài)結(jié)構(gòu)，以及與其他系統(tǒng)、組織、器官相互關(guān)系的主要材料，在教學(xué)、科研以及科學(xué)傳播領(lǐng)域都有不可替代的作用。

客戶有一批動(dòng)物骨骼，為了改善教學(xué)效果，更好地進(jìn)行展示，希望借助3D掃描儀獲取骨骼的三維數(shù)據(jù)，要求細(xì)節(jié)清晰，數(shù)據(jù)完整，并且能夠適配后期的貼圖需求。中觀給出的解決方案是先整體掃描再拆分掃描，這樣既能保證整體骨架的形態(tài)，又能保證每一塊骨骼的數(shù)據(jù)完整性。

▲首先是對(duì)處于固定狀態(tài)的骨架進(jìn)行整體掃描，獲取骨骼與骨骼間的相對(duì)位置與姿態(tài)。然后將整體骨架進(jìn)行拆分后，再對(duì)每一塊骨骼分別進(jìn)行掃描，獲取單塊骨骼的完整數(shù)據(jù)。

▲整體掃描數(shù)據(jù)，僅關(guān)節(jié)連接處或骨骼間相互遮擋處無(wú)法掃描完全。

▲最后將每一塊骨骼的掃描數(shù)據(jù)，參照整體坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)齊拼合，得到完整的骨架模型。

這樣獲取的動(dòng)物骨骼3D模型，數(shù)據(jù)完整無(wú)缺，高度還原了骨架的完整形態(tài)以及每一處細(xì)節(jié)。在教學(xué)中，可以對(duì)骨骼整體進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)、縮放和平移展示，也可以將每一塊骨頭單獨(dú)拿出來(lái)展示分析，極大地改善了教學(xué)演示的效果，而不必反復(fù)拆解真實(shí)的骨骼標(biāo)本。

CASE 03 海洋生物脊骨 | 3D研究

在不斷深入的研究工作中，全方位空間信息的采集和展示也越來(lái)越重要。針對(duì)某海洋科研院所的一具海洋生物脊骨，我們同樣采用了“先整體后拆分”的掃描方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

▲先對(duì)處于完整狀態(tài)的骨骼進(jìn)行掃描，使骨骼整體處在同一坐標(biāo)系下，同時(shí)還原骨骼本身的完整形態(tài)。

▲將每一節(jié)脊椎骨拆分后，再逐一掃描，獲取單節(jié)脊椎骨的完整3D數(shù)據(jù)。

▲將單節(jié)脊椎骨在整體坐標(biāo)系下進(jìn)行拼接，即可得到完整脊骨的三維數(shù)據(jù)（上圖僅部分拼接示意）。

精確的3D模型能夠真實(shí)再現(xiàn)動(dòng)物骨骼的原貌，可以幫助科研人員高效便捷地開(kāi)展觀察和研究工作，并為學(xué)術(shù)成果的展示分享提供了超越2D照片的豐富信息量。

結(jié)語(yǔ)

人類與環(huán)境共生共存，探尋生命的起源與演化，也是在為人類和地球的未來(lái)尋找預(yù)示與方向。微觀——更高的清晰度與準(zhǔn)確度，宏觀——專業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用，這是當(dāng)前生命科學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì)，而三維激光掃描技術(shù)兼具高精度和數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)，可以為廣大科研/教育工作者提供高效、便利的智能工具。