3D掃描儀

· Artec Space Spider

挑戰：為日本長(cháng)崎恐龍博物館一頭6600萬(wàn)年前的霸王龍骨骼制作全新三維形象，追求更高品質(zhì)和更多細節，以替換之前掃描過(guò)的骨骼模型，有些已經(jīng)缺失，有些質(zhì)量較差。

解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio, Autodesk Maya, ZBrush, Geomagic Wrap, Simplify3D和Cura；3D打印機 – Ultimaker, Builder Extreme 1500

效果：重新掃描后完成高分辨率3D骨骼模型，準備進(jìn)行3D打印并組裝成完整骨架。

2014-2016年，第一次為Trix順利完成重建后，Naturalis生物多樣性中心團隊決定購置一臺屬于自己的三維掃描儀。

通過(guò)深入研究，并與荷蘭供應商多次交流，中心研究團隊最終選擇了Artec Space Spider，從準確度、性能和易用性角度來(lái)說(shuō)，這款產(chǎn)品都表現出眾，非常適合研究中心的各類(lèi)任務(wù)。和上次一樣，這次的掃描儀同樣是由埃太科長(cháng)期合作商兼大使4C Creative CAD CAM Consultants提供的。

“對我們來(lái)說(shuō)，可以用Space Spider重建恐龍了，這點(diǎn)很重要。究竟哪種掃描儀對我們而言又好又方便？經(jīng)討論，我們最終選擇了Space Spider，因為它覆蓋了我們大部分需求，”Naturalis恐龍項目主管Hanneke Jacobs說(shuō)道。

“這頭地球上有史以來(lái)體型最大的食肉動(dòng)物，還是離不開(kāi)先進(jìn)的掃描技術(shù)。埃太科再次提供了這樣的服務(wù)！”4C主管Edwin Rappard說(shuō)道。“很自豪Naturalis選擇了Artec Space Spider完成多年前Artec Eva的任務(wù)。埃太科的技術(shù)甚至支持將2016年的Eva數據和Space Spider的新數據結合起來(lái)，提供了解決方案。”

要掃描帶有復雜精密幾何的小型部件，如骨骼和各類(lèi)化石，輕巧而強大的Artec Space Spider是理想之選，分辨率高，精度效果穩定。說(shuō)來(lái)也巧，不久之前，該中心和位于長(cháng)崎的日本恐龍博物館簽署了一項協(xié)議，為Trix制作第一個(gè)復制品，名字很簡(jiǎn)單，就叫“3D Trix”。也就是說(shuō)，著(zhù)名的霸王龍即將和埃太科掃描儀再次相遇。

3D Trix：從三維掃描到組裝骨架

經(jīng)過(guò)Space Spider和Artec Studio軟件的簡(jiǎn)單培訓后，負責霸王龍骨架二次重建工作的3D建模師和Naturalis解剖學(xué)家Pasha van Bijlert開(kāi)始工作了。

在對Space Spider和Artec Studio軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單培訓后，3D建模師van Bijlert開(kāi)工了（供圖：Hanneke Jacobs）。

Trix的骨架由大約320塊骨頭組成。其中大部分已經(jīng)用Artec Eva掃描過(guò)了，包括古老的肋骨、尾巴和椎骨。也就是說(shuō)，Pasha不必重新掃描整個(gè)骨架，只要掃描細節不夠豐富和質(zhì)量欠佳的骨骼即可。例如，腳骨、下巴和頭骨。這為他節省了大量時(shí)間，能更加專(zhuān)注于缺失細節的建模，并補充到最終的3D骨架上。

首先，Pasha借助Autodesk Maya，將所有掃描好的3D模型擺成栩栩如生、令人望而卻步的霸王龍形象，它似乎要一口吞噬眼前的獵物。然后，他開(kāi)始著(zhù)手處理需要重新掃描和修復的骨骼。

3D打印完成的3DTrix上頭骨部分，邊上的是Naturalis生物多樣性中心的原始霸王龍骨架（供圖：Hanneke Jacobs）

Pasha總共只花了幾天時(shí)間，就為所有缺失部位完成了掃描，后來(lái)，又花了幾周時(shí)間進(jìn)行處理，并將它們合并成完整3D模型。

后期處理的步驟，每塊骨骼都不盡相同。Pasha說(shuō)：“如果我能夠從各個(gè)角度掃描一塊骨頭，那只要對齊掃描結果即可，可能要去除地面或周?chē)奈矬w，然后在Artec Studio中進(jìn)行融合，”他說(shuō)這個(gè)項目不需要紋理。關(guān)于Artec Studio中的工作流程，他還表示：“我特別喜歡對齊工具，因為除了單份掃描，你還可以將‘成品’模型對齊到不同的位置。”

對于一些質(zhì)量欠佳的掃描，例如，如果骨頭在完全修復前就完成了掃描，或者是在安裝好后進(jìn)行的掃描，那么就需要同時(shí)使用Artec Studio、Geomagic Wrap和Zbrush進(jìn)行大量后期處理，來(lái)彌補缺失的數據。

他說(shuō)：“在可能的情況下，我會(huì )用鏡像法，或移植其他骨面來(lái)填補平坦的區域。在某些情況下，我不得不根據Trix和其他霸王龍標本的照片，手工雕刻出缺失的區域。”

尾骨修復和全新造型

為了讓全新3D Trix看起來(lái)更逼真，Pasha還做了幾項工作，包括替換Trix從其他標本上拿來(lái)的鑄型骨骼，質(zhì)量欠佳，其中包括一塊尾骨，來(lái)自已被拍賣(mài)的霸王龍Stan。根據長(cháng)崎博物館的要求，Pasha還要為3D Trix制作一個(gè)攻擊造型。

Naturalis重建的霸王龍造型，呈攻擊造型的3D Trix（供圖：Hanneke Jacobs）。

為了得到更逼真的效果，3D建模師還把3D Trix的膝蓋靠攏。Pasha仔細觀(guān)察了恐龍腳印化石，發(fā)現原始Trix和其他霸王龍兩腿分開(kāi)，完全不正確。他還把脊柱骨移得更近，因為根據設計要求，新模型不用像原始骨架那樣被拆散。

準備3D打印

經(jīng)過(guò)后期處理工等藝，Pasha將完整骨骼導入Rhino，為內部鋼架部分建模，這些鋼架從內部支撐著(zhù)高聳的骨架。

3D打印3D Trix的下頜部分（供圖：Hanneke Jacobs）

通過(guò)Simplify3D和Cura對完成的模型切片處理后，終于要為全部骨骼進(jìn)行3D打印和上色處理了！指甲和牙齒等小部件是在幾臺小型Ultimaker打印機上進(jìn)行，使用的是PLA（聚乳酸）生物塑料，這是一種堅固耐用的回收材料，可在特殊條件下生物降解。較大的骨頭是通過(guò)兩臺大型Builder Extreme 1500 3D打印機完成的。

Naturalis生物多樣性中心展覽的3D Trix完整組裝骨架（供圖：Hanneke Jacobs）

最后一步是給骨頭上色，然后根據3D模型，把骨頭一塊一塊穿到提前設計擺放好的框架上。

3D打印和4500萬(wàn)平方毫米的丙烯酸涂料上色，花了近一年時(shí)間，3D Trix的特殊重建工作終于在2020年底完成。事實(shí)上，恐龍骨架的打印和組裝過(guò)程是在Naturalis的“Live Science ”展廳進(jìn)行的，參觀(guān)者可以見(jiàn)證整個(gè)過(guò)程。新的霸王龍將很快被運往日本新家。

在Naturalis內組裝3D Trix

Leo

重建完成后，Naturalis團隊決定在再增加一臺埃太科掃描儀，考慮到恐龍的大小，他們選中了Artec Leo， 這無(wú)疑是個(gè)明智的決定。

“Leo可以輕松掃描大型骨骼，為我們節省了大量時(shí)間，”Hanneke說(shuō)道。“掃描變得更簡(jiǎn)單了。另外，操作體驗也獨具未來(lái)感！”

配合使用兩臺掃描儀，對團隊而言，正是一個(gè)理想的解決方案。“現在，對于較小的骨頭我們用Space Spider掃描小骨骼，用Leo掃描大骨骼。2組數據可以組合”。

有了這兩臺掃描儀，中心其他部門(mén)也來(lái)找Hanneke和她的團隊為他們掃描。“有次，我掃描了一塊巨大的猛犸象髖骨，[現在]已經(jīng)被打印出來(lái)，裝在了一副骨架上。大家知道我們有了掃描儀，找過(guò)來(lái)也很方便。它已經(jīng)是我們工具箱的常駐成員了。”

研究人員說(shuō)，該地區有大量骨骼化石，至少未來(lái)20年，他們都不得消停了。其實(shí)，Naturalis團隊已經(jīng)計劃從懷俄明州一路前往安哥拉。

期待Naturalis團隊的下一件作品！

Naturalis夢(mèng)之隊（從左往右）：Mickel van Leeuwen, Pasha van Bijlert, Donald vd Burg, Hanneke Jacobs, Ashwin van Grevenhof, Wilco de Pineda (供圖：Hanneke Jacobs)

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