概要： 圣克勞德大學(xué)視覺(jué)化實(shí)驗室（VizLab）決定根據學(xué)校博物館的標本，建立一個(gè)互動(dòng)式虛擬頭骨博物館?？墒褂?D掃描，但必須遵守一條原則：不可使用任何標記或貼紙。
目標：使用Artec 3D手持式掃描儀將博物館易碎藏品放在轉臺上掃描，包括頭骨和其他一些珍貴物品，隨后為其制作高度準確的彩色3D模型。
使用工具：Artec Eva, Spider, Artec Studio

通常你不會(huì )認為觀(guān)察一只死去動(dòng)物的頭骨是一件有意思的事，但是明尼蘇達州立圣克勞德大學(xué)可視化實(shí)驗室團隊卻能讓你懷疑自己的審美偏好。觀(guān)看如下互動(dòng)式頭骨博物館創(chuàng )意視頻，您定會(huì )認為將大學(xué)博物館收藏的系列頭骨進(jìn)行視覺(jué)陳列的想法非常誘人。

這一令人著(zhù)迷的想法背后需要依靠細節豐富的3D頭骨圖像，正因為如此，我們要感謝Artec Spider以及Artec Studio 10.

“除了使用Spider，我們找不到其他實(shí)際可行的方法?！笨梢暬こ處?、可視化實(shí)驗室負責人Mark Gill說(shuō)道。

頭骨博物館僅是可視化實(shí)驗室正在展開(kāi)的數個(gè)項目之一。其使命是為大學(xué)社區的復雜需求開(kāi)發(fā)可視化、體驗式及多媒體解決方案。對于一些商業(yè)軟件無(wú)法滿(mǎn)足的需求，實(shí)驗室可提供軟件支持課堂教學(xué)、科研實(shí)驗室活動(dòng)?！拔覀兣c教職員工合作，提供能完全滿(mǎn)足其需求的實(shí)驗室體驗?！盡ark說(shuō)道。實(shí)驗室制作軟件的學(xué)生也可從中學(xué)習到普通課程中難以獲得的高新科技和知識。

該實(shí)驗室最近剛購置了兩臺Artec 3D掃描儀——Eva和Spider，從而實(shí)現了互動(dòng)式頭骨博物館的設想。

“購置Spider和Eva以前，我們實(shí)驗室沒(méi)有太多類(lèi)似的工作?！盡ark Gill說(shuō)道，“我們使用過(guò)3DS Max之類(lèi)的工具，大多數模型都是手動(dòng)完成，但始終無(wú)法完成實(shí)物的高精度掃描。之前我們使用過(guò)消費者級別的掃描儀，以滿(mǎn)足掃描大型物體的需求。此外，我們還嘗試使用攝影測量法，但效果不一?！?

Spider填補了實(shí)驗室向來(lái)空缺的利基市場(chǎng)，例如，實(shí)現了老舊機械零件逆向工程、制作箭頭、陶片等文物3D模型。實(shí)驗室團隊現在可以對無(wú)價(jià)的文物進(jìn)行3D打印，并為借出的博物館藏品制作電子檔案?！癝pider掃描文件精細優(yōu)質(zhì)，因此我們現在開(kāi)始考慮對于掃描的物體進(jìn)行表面幾何圖案的分析?！盡ark說(shuō)道。

他表示，藝術(shù)學(xué)院也對此產(chǎn)生了興趣，正計劃對雕像進(jìn)行3D掃描以加入多媒體項目。憑借Spider這樣出色的工具，他們可以將實(shí)體媒介迅速融入到虛擬空間。他們還計劃對用戶(hù)進(jìn)行掃描制作虛擬環(huán)境下的擬人頭像。

實(shí)驗室還升級至Artec Studio 10，工作人員對此十分滿(mǎn)意。

“這還是修復3D打印網(wǎng)格錯誤的工具?！盡ark補充道，“我可以導入幾乎所有格式的模型文件，通過(guò)重新劃分網(wǎng)格，或高度整合幾組網(wǎng)格，迅速做好物理樣機處理的準備?！?

在電子顯微鏡掃描數據的清理和呈現方面，例如數微米寬的晶體表面或單細胞微生物，AS 10同樣十分出色。此類(lèi)數據通常帶有一些雜音和多余數據。但通過(guò)AS 10的編輯工具，雜音可以輕松清理，網(wǎng)格也能輕松整合。

現在我們來(lái)進(jìn)一步了解AS 10及Spider是如何為特定項目——互動(dòng)式頭骨博物館工作的。博物館展出了州立圣克勞德大學(xué)收藏的一系列哺乳動(dòng)物頭骨，最小的動(dòng)物是老鼠，最大的是牛。他們擁有不同的表皮、肌理和尺寸。負鼠、赤狐等小型標本光澤度高，幾近透明。項目下一步就是Mark已經(jīng)開(kāi)始著(zhù)手做的類(lèi)人猿頭骨數字化工作。

該博物館起初是生物學(xué)學(xué)生對系統生物祖先特征進(jìn)行研究練習的實(shí)驗室。該項目當時(shí)滿(mǎn)足了學(xué)校生物項目的特定需求。

為掃描每一件頭骨，Mark使用了一款可旋轉掃描儀，并隨機做上標記方便操作。部分頭骨由于肌理豐富，因此無(wú)需標記，而對于其他頭骨來(lái)說(shuō)，這一步至關(guān)重要。

一些小型標本整個(gè)掃描過(guò)程大約需要一小時(shí)。每個(gè)標本的頭骨和下頜均需分開(kāi)掃描。頭骨部分由復雜的有機結構組成，因此Mark為每個(gè)部分進(jìn)行八次掃描，以確保獲得了類(lèi)似牙齒這類(lèi)部位各個(gè)角度下的特征。

“由于這些標本是從博物館借來(lái)的，所以若不是萬(wàn)不得已，我不想做任何標記或涂抹任何粉末，”Mark說(shuō)道，“我把Spider的靈敏度調高，以處理某些難以讀取的表面肌理?！?

挑戰最大的是鹿頭骨。Gill將頭骨、鹿角、下頜作為不同項目分開(kāi)掃描。僅僅鹿頭骨就進(jìn)行了23次掃描，產(chǎn)生了總共約12G的掃描數據。

生成最終網(wǎng)格時(shí)，整個(gè)頭骨首先完成分辨率為1毫米的高度整合過(guò)程。最終，老鼠標本形成近乎100萬(wàn)個(gè)弧面，鹿標本形成約400萬(wàn)個(gè)弧面。其他標本弧面數位于100萬(wàn)-400萬(wàn)之間。

Mark復制鹿頭骨網(wǎng)格后，開(kāi)始進(jìn)行簡(jiǎn)化工作，并為不同部位的網(wǎng)格版本添加所需要的肌理。

“AS10進(jìn)行的網(wǎng)格簡(jiǎn)化是我見(jiàn)過(guò)很棒的?！盡ark說(shuō)道，“其他工具包允許你設置某些參數，但弧面數就像擲篩子一樣毫無(wú)定數，若精度提升十倍，質(zhì)量便會(huì )大幅下降。使用AS10的話(huà)，我可以輸入我想要的網(wǎng)格弧面數，并最終得到一模一樣的弧面數。而且效果好得多?！?

Mark隨后設置了4096x4096的肌理，并以.obj文件格式導出了簡(jiǎn)化后的網(wǎng)格文件。

然后，Mark將3D模型轉移至3D Studio Max 2016，將模型與頭骨/下頜骨進(jìn)行配對整合。他按照原本的樣子將模型拼接起來(lái)，并將兩者模型初始值重設為相同點(diǎn)數和對齊方式，這樣的話(huà)，它們既可以共同操作，又可以單獨展示。

整合完成后，Mark將文件導出，但下頜與頭骨依然以.FBX Autodesk媒體內置的文件單獨保存。

現實(shí)中的頭骨博物館配備了Unity 5游戲引擎?！拔疫€打算應用于多點(diǎn)觸控的平板電腦上，所以目前正在使用一個(gè)叫做Gestureworks的框架來(lái)處理觸控操作，”Mark補充道。Unity可以對大多數種類(lèi)的3D互動(dòng)應用進(jìn)行快速成型操作?！癈#作為編程語(yǔ)言，我可以為頭骨的特定操作行為設計程序；在游戲引擎中控制移動(dòng)軌跡，例如如何操作可以縮放或張嘴?！盪nity還有一系列控制工具可輕易操控燈光和其他視覺(jué)效果。

“目前原型應用已經(jīng)完成，我們會(huì )展示給生物學(xué)院教師看，了解是否滿(mǎn)足他們的需求?！盡ark說(shuō)道，“最后我們還會(huì )讓學(xué)生來(lái)操作這些標本，并與其他標本作比較，而且學(xué)生無(wú)需為操作過(guò)程損傷標本而擔心?！?