挑戰：某英國著(zhù)名面部人類(lèi)學(xué)家被要求為一位古代戰士頭骨進(jìn)行數字重建，為其精心打造人臉模型，以模擬其真實(shí)容貌，這是辛辛那提大學(xué)長(cháng)期支持的考古發(fā)掘項目的一部分。

解決方案：Artec Spider, Artec Studio, Geomagic Freeform, Abrosoft FantaMorph

效果：掃描每片顱骨碎片及其他碎片組塊，并在Artec Studio中完成頭骨數字重建。隨后，將細節豐富的3D模型導出至Geomagic Freeform作為參考模型，以制作最終的面部近似模型，成品可在線(xiàn)使用，也可用于科研和3D打印。

格里芬戰士的數字臉部模型（供圖：Tobias Houlton博士）

3500年來(lái)，這位戰士的尸體一直安放在一片橄欖樹(shù)林下的墳墓中，距離希臘南部的涅斯托耳王宮只有一小段路。在他周?chē)?，擺放了2000多件青銅時(shí)代的物品，包括金杯、戒指、項鏈、數百顆珍貴寶石、一把裝飾華美的寶劍，還有皮洛斯的爭戰瑪瑙，展現了精湛的雕刻技藝，讓人嘆為觀(guān)止。

金柄匕首，原本放在格里芬戰士胸前。（供圖：辛辛那提大學(xué)古典學(xué)系涅斯托耳王宮發(fā)掘項目）

由于在這位戰士身上發(fā)現了一塊刻有“格里芬戰士”的象牙牌，他因此得名，但這位古邁錫尼貴族的真實(shí)身份依然是個(gè)謎。

格里芬戰士墓發(fā)掘現場(chǎng)的Sharon Stocker。（供圖：辛辛那提大學(xué)古典學(xué)系涅斯托耳王宮發(fā)掘項目）

辛辛那提大學(xué)的考古學(xué)家Jack Davis和Sharon Stocker博士花了六個(gè)月的時(shí)間完成了墓地的考古挖掘。不過(guò)，他們發(fā)現了格里芬戰士一具完整度高的骨架，便立刻求助法醫面部技術(shù)，希望能還原這位戰士的真實(shí)容貌。

格里芬戰士墓發(fā)掘平面圖。（供圖：辛辛那提大學(xué)古典學(xué)系涅斯托耳王宮發(fā)掘項目）

兩位博士找到了生物人類(lèi)學(xué)家Lynne Schepartz教授和面部人類(lèi)學(xué)家Tobias Houlton博士，來(lái)協(xié)助這項任務(wù)，這個(gè)過(guò)程包含多個(gè)步驟，并不簡(jiǎn)單。Schepartz教授指導頭骨碎片的挖掘，Houlton則負責頭骨重建和格里芬戰士的面部預測。

Houlton是蘇格蘭鄧迪大學(xué)法醫藝術(shù)和面部成像碩士課程的負責人和講師，也是法醫藝術(shù)家和該領(lǐng)域的專(zhuān)家，他曾與國際刑警組織、英國和南非的多家警署合作，通過(guò)面部近似法識別受害者身份，協(xié)助破案。

Houlton博士的工作已得到了《國家地理雜志》、史密森尼頻道、英國廣播公司第四電臺等多家媒體的認可。

欲善事，先利器

Houlton在動(dòng)身前往希臘、準備開(kāi)始格里芬戰士的重建工作時(shí)，帶上了一臺Artec Spider掃描儀。

Artec Spider現場(chǎng)完成的格里芬戰士頭骨。（供圖：Tobias Houlton博士）

Spider可以用無(wú)創(chuàng )的方式采集形狀各異的復雜物體，精度達亞毫米級，顱骨縫隙、薄的骨片等高難度物體也能輕松捕獲，因而成為全球法醫專(zhuān)家和科研人員青睞的一款三維掃描儀。

Houlton說(shuō)：“我相信Spider可以融入我的工作流程。許多其他解決方案都需要我們來(lái)調整適應技術(shù)設備，而現在，我們每一步都不開(kāi)Spider。”

Artec Studio中數字重建后的格里芬戰士頭骨。（供圖：Tobias Houlton博士）

“從沉積物中取出頭顱骨碎片前，我會(huì )先掃描這一層，精準記錄這些碎片在沉積物中的位置和朝向?！?

他補充道：“挖出后，我還會(huì )再次掃描每一塊碎片，暫時(shí)把它們粘在一起，再掃描一次。這樣一來(lái)，等到頭骨數字重建時(shí)，Spider的掃描就能提供準確的頭骨碎片副本，而那些挖掘現場(chǎng)的掃描數據，從考古角度而言，更是價(jià)值連城?！?

穿透古代土壤的CT掃描

但在過(guò)去，研究者們只能把沉積物塊從考古現場(chǎng)帶到實(shí)驗室。然后借助CT掃描儀，試圖把骨骼碎片分離出來(lái)。

不過(guò)，CT掃描儀無(wú)法將骨骼和沉積物區分開(kāi)來(lái)，但卻可以提供物體方位示意圖，在后期提取格里芬戰士骸骨時(shí)十分有用。

Houlton的掃描直接在Artec Studio中完成，每次掃描約一分鐘，即可完整捕獲每一塊顱骨碎片和沉積層。

隨后，這些掃描被加工制作成3D模型。值得一提的是，當時(shí)Houlton 沒(méi)有Geomagic Freeform軟件，因此，格里芬戰士頭骨是完全依靠Artec Studio完成的。

Houlton博士表示：“使用Artec Studio對齊工具，可以很輕松地選中特定碎片，旋轉并對齊至其他碎片。拼接碎片到最后為格里芬戰士頭骨完成數字重建，并沒(méi)有耗費太久時(shí)間?！?

傳統鑄模風(fēng)險大，“數字鑄模”來(lái)幫忙

談起用傳統鑄模方式記錄骨骸時(shí)，Houlton說(shuō)道：“就說(shuō)格里芬戰士吧，許多頭骨碎片都很脆弱，在過(guò)去，是沒(méi)有辦法安全鑄模的。”

他繼續解釋道：“但是Artec Spider的‘數字鑄模法’掃描碎片只要幾秒鐘，還能保護3D副本，不再有傷害原物的可能，也不會(huì )對原物造成任何風(fēng)險。”

回到辦公室，Houlton把格里芬戰士頭骨的數字副本從Artec Studio導出至Geomagic Freeform，進(jìn)行面部近似。

Freeform：數字頭骨重建和面部近似的首選

在Freeform中，重建人員可通過(guò)觸控筆界面，直接感受到3D物體，無(wú)論對于學(xué)生還是資深從業(yè)者而言，這都是一款很優(yōu)秀的工具。

Geomagic Freeform截圖：即將用于面部近似的格里芬戰士頭骨。（供圖：Tobias Houlton博士）

和傳統的黏土面部近似法相比，Freeform可以在短短幾秒鐘內，與機構、數字藝術(shù)家完整地分享面部近似作品，無(wú)論他們身在何方。

更重要的是，和黏土法相比，數字近似法能完全避免損壞或遺失原物的風(fēng)險。

Houlton對此進(jìn)一步解釋道：“現在，我們在Freeform完成面部近似后，如果原始頭骨遺失或破損，如果人們對于預測面部存疑，可以隨時(shí)能找回Spider的頭骨掃描查看。”

Geomagic Freeform截圖：格里芬戰士面部近似進(jìn)行時(shí)。（供圖：Tobias Houlton博士）

“只要幾秒鐘，你就能核實(shí)頭骨重建是否準確，不會(huì )有絲毫存疑。畢竟，看到Spider的掃描，就好比看到了真實(shí)頭骨，”他說(shuō)道。

Houlton和鄧迪大學(xué)的學(xué)生分享了他們內部所有的Freeform工作流程使用技巧。

所以，無(wú)論他們是以面部近似專(zhuān)家的身份和警方、情報機構合作，還是作為CGI專(zhuān)家專(zhuān)攻電影、電視、電子游戲制作，都掌握了技術(shù)基礎，可以把埃太科三維掃描轉變?yōu)殍蜩蛉缟拿娌拷谱髌贰?

Freeform重建格里芬戰士容貌

隨著(zhù)時(shí)間的推移，墳墓中的酸性土壤使格里芬戰士幾塊薄面骨缺失，特別是鼻周附近，但Houlton用自己的方式填補了這些空缺。

他根據50張年齡與身材相仿的希臘人面部圖像，構建了一個(gè)平均臉模板，并在A(yíng)brosoft FantaMorph中合并。平均臉體現了面部特征中的穩定趨勢，幫助Houlton修復了個(gè)別細節無(wú)法確定的面部近似部分。

Geomagic Freeform – 使用組織深度標記重建格里芬戰士容貌。（供圖：Tobias Houlton博士）

在近似過(guò)程中，Houlton先插入眼部，隨后是所有的組織深度標記（最多36處），最后插入肌肉和皮膚。在Freeform中，用戶(hù)可以將這些面部特征作為獨立對象來(lái)組織和標記，并保存在各自的文件夾中，對于面部近似而言，這項功能很有幫助。

格里芬戰士容貌再現：從數字重建頭骨到面部近似。（供圖：Tobias Houlton博士）

此外，軟件還能“看透”模型，“穿透”皮膚表層，確保軟硬組織位置得當，免去了手動(dòng)建模師經(jīng)常要做的工作——切開(kāi)黏土/模型蠟，檢查內部的頭骨鑄模位置。

為何2D相片法不盡人意

當被問(wèn)到2D相片和3D掃描在面部近似處理上的差異時(shí)，Houlton說(shuō)道：“2D相片是無(wú)奈之舉。為何這么說(shuō)呢，因為這種方法很難衡量犬齒區附近的深度，而這個(gè)深度一定程度上可以提示鼻唇溝的形態(tài)?！?

他繼續說(shuō)道：“通常來(lái)說(shuō)，三維掃描在精度和真實(shí)性?xún)蓚€(gè)方面完勝2D相片?！?

事實(shí)上，Spider掃描覆蓋的精準數據范圍很廣泛，工作人員完全可以直接根據掃描完成重建，無(wú)需將原始頭骨作為參考模型。

Tobias Houlton博士在鄧迪大學(xué)用Artec Space Spider掃描顱骨碎片。（供圖：Tobias Houlton博士）

多年來(lái)，在多項國際項目中，Houlton正是這么做的。“依靠如此精準的三維掃描，我們可以足不出戶(hù)，完成面部近似。”

如需制作面部近似的真實(shí)模型，無(wú)論是用于調查、法務(wù)還是其他目的，都能輕松導出近似作品，完成3D打印。

在實(shí)操過(guò)程中，完成面部近似后，還能和客戶(hù)分享3D模型，即便是遠在地球另一端，也能在幾秒后到達。3D打印時(shí)，還能在屏幕上查看，幾小時(shí)后，就能正常使用。

3D掃描與3D打印在人體解剖教育中的應用

鄧迪大學(xué)的數字制造設備中，有28臺不同的三維掃描儀，Houlton和他的學(xué)生常常會(huì )將Spider的掃描3D打印出來(lái)，當然，還有鄧迪大學(xué)其他幾款埃太科掃描儀Eva和Space Spider的掃描。

Space Spider是Spider的替代品，它具有老款的全部功能，同時(shí)，還采用高級電子元件，新增了強大的溫度穩定功能。

Artec Space Spider

幾年前，經(jīng)埃太科三維金牌合作商Patrick Thorn的引薦，鄧迪大學(xué)法醫藝術(shù)和面部成像碩士項目就啟用了埃太科掃描儀，作為課程的一部分。

在教育、文化遺產(chǎn)、法醫、醫療等領(lǐng)域，Thorn具有豐富的三維掃描經(jīng)驗，致力于理解客戶(hù)真實(shí)需求，幫他們盡可能集成解決方案。他還在英國各地為客戶(hù)舉行工作坊，足跡從康沃爾郡最南端一直到蘇格蘭北部。

讓3D打印的逼真頭骨、骨骼進(jìn)課堂

3D打印對于在鄧迪大學(xué)教授人體解剖學(xué)有多重要？Houlton這樣回答：“我們經(jīng)常使用3D打印的頭骨和其他骨骼，因為這種模型處理方式對學(xué)習過(guò)程而好處多多。在這方面，埃太科掃描儀又立了大功?！?

他繼續補充道：“打個(gè)比方，如果我們把Spider掃描的顱骨解剖結構3D打印出來(lái)，再和其他掃描儀完成的模型并排擺放，就會(huì )看到在細節、準確度、真實(shí)度等方面差異巨大。”

在過(guò)去一項案例分享中，鄧迪大學(xué)就表態(tài)，他們會(huì )在每個(gè)學(xué)期不斷加大3D掃描和打印的操作比重。

對于該校的醫學(xué)和法醫藝術(shù)學(xué)生而言，待到畢業(yè)時(shí)，他們就能熟練操作埃太科三維掃描儀，用短短幾分鐘，掃描人體206塊骨骼，并轉換成逼真的3D模型，直接用于A(yíng)R、VR、3D打印，或在Freemform中進(jìn)行面部近似。

無(wú)限可能：臉部分解、記載萬(wàn)人坑

最近一項項目中，Houlton需要和威特沃特斯蘭德大學(xué)一起前往南非。屆時(shí)，他需要和博士生、學(xué)術(shù)團隊一起研究人體分解對于人臉的影響，找出死亡后尸體變化的程度，并確定這種變化對人臉識別有何影響。

此外，Houlton還希望能和奧尼克考古研究中心一起開(kāi)展項目，在當地和非洲不同國家和地區，為萬(wàn)人坑遺址做好真實(shí)的記載工作。