3D掃描儀

· Artec Space Spider

· Artec Leo

挑戰：對幾百塊袋狼骨骼、頭骨、骨架的尺寸進行精準3D數字采集，它們是全球各地博物館保存完整的袋狼剝制模型，并利用這些數據精準測算滅絕物種的體重范圍。

解決方案：Artec Space Spider、Artec Leo、Artec Studio、ZBrush

效果：掃描完幾百塊袋狼標本的高清3D掃描后，科研團隊一塊塊測量了每塊標本，并將完整的袋狼骨架3D掃描數字雕刻成逼真的袋狼3D模型，用于進行數字稱重。研究人員最終準確算出了袋狼體重范圍，發現和以往的測算差距很大。

幾百萬年的進化使袋狼成為野外生存專家。袋狼是自然界中最大的食肉性有袋動物，在進化過程中為自己開辟了一塊專門的棲息地。但很快，一批殖民者出現了。

主要研究員Douglass Rovinsky使用Artec Space Spider在維多利亞女王博物館和藝術館掃描袋狼頭骨

幾十年后，從1830年代早期開始一直到20世紀，幾千頭袋狼，也稱塔斯馬尼亞虎，被農民和獵人大規模獵殺，直到只剩最后一只。

它在野外被捕后關在動物園，度過了生命的最后三年。之后，在某個冬日上午，塔斯馬尼亞所知的最后一只袋狼本杰明，因意外被關獸舍外過夜而死亡。事情發生在1936年9月。而袋狼死亡的59天前，塔斯馬尼亞剛剛為袋狼授予保護動物的地位。

研究員、數字藝術家Damir Martin為袋狼制作的數字形象

最后一只袋狼離世前的許多年，一直流傳著有關袋狼的千奇百怪的傳說，人們認為它們兇猛殘酷，生存能力強，擁有如北歐神話中狂戰士般的頑強體力，能抵御槍林彈雨，甚至還能耗干獵物身上的血液等等。

與此同時，在袋狼還未滅絕，還漫步于塔斯馬尼亞土地上時，科學家未能真正對它們展開研究。直到今天，本杰明離開后不到100年，盡管世人對袋狼更為關注，但還有很多科學家無法解釋的真相和細節。

Damir Martin創作的一對袋狼數字形象

像袋狼的飲食、交配、捕獵、移動習慣、生活習性，甚至體重，我們都不知道。而袋狼的體重是深入研究其他方面的基礎信息。這就涉及到了基礎化學和生理學知識。

袋狼燃燒多少能量？它們儲存熱量嗎？消化食物的速度多快？多久進一次食？它們捕獵哪種動物？自然界中繁殖能力如何？要完全解答這些問題，我們首先要知道袋狼的體重。

各學科之間總是相互依存，也就是說，除非我們徹底搞明白了“概念A”，才會停止對它的誤解，同時解決有賴于“概念A”的其他相關概念。

Damir Martin制作的一對袋狼數字形象

在研究袋狼的幾十年里，多位科學家多次指出缺乏準確體重估算的問題。但之后，并沒人解決這個問題，導致很多人都基于25-29公斤的錯誤估計值進行研究。而且這個估算沒有得到證實。

袋狼研究中另一個需要解決的重要問題就是袋狼是否違背“食肉動物能量消耗”（The costs of carnivory）定律。該定律規定了動物能量分配閾值，14公斤或以下的食肉動物一般會以比自己體形小的獵物為食。

但如果食肉動物體重高達21公斤或以上，如狼和美洲豹，通常會以體型和自己相當或更大的獵物為食。對于體重為14-21公斤的食肉動物而言，比如狐貍和野貓，通常以小型動物為食，但偶爾也會獵食稍大的動物。

Damir Martin制作的袋狼數字形象

不了解袋狼的真實體重，那么這個問題，包括其他一些難題，都無法得到科學可靠的解釋。

莫納什大學PhD學生Douglass Rovinsky和包括Justin W. Adams博士在內的四人研究團隊意識到這一問題的迫切性，開始著手解決。

這一項目的細節發表在Royal Society Proceedings B科學雜志的《Did the thylacine violate the costs of carnivory? Body mass and sexual dimorphism of an iconic Australian marsupial》一文中。

Rovinsky評價了項目的重要性，“像其他滅絕物種一樣，對袋狼了解的越多，就越能幫助我們了解現有物種，了解它們是如何應對環境變化的，目前，世界各地的自然界環境都在發生急速改變?！?

這項研究需要他們前往世界各地，在史密森學會等東西方博物館和研究院內，對現存袋狼標本開展研究。

Rovinsky及其團隊很早就意識到，單純依賴傳統的體重估算方式，即通過測量袋狼牙齒進行線性回歸，這種方式對滅絕動物而言通常錯誤率較高。

為提高準確率，最好有一只和袋狼高度相似的活物。袋狼關系最近的近親是袋食蟻獸，約1磅（0.5公斤）重，身材小巧，身披軟毛，以白蟻為食。這樣即可對兩者進行等比例縮放。

Rovinsky及其團隊決定同時使用多種體重測算方法，包括：牙齒和上臂/大腿骨的線性回歸，圍繞袋狼骨骼3D模型制作凸包，之后根據數碼掃描雕刻栩栩如生的袋狼形象，最后，對掃描后的模型以及雕刻后的袋狼模型（和凸包一樣根據骨架掃描模型制成）進行數字稱重。

上排從左往右：Artec Leo掃描的袋狼骨架和用于數字稱重的骨骼凸包體模型
下排：雕刻后的3D袋狼體模型（帶紋理與不帶紋理版），用于數字稱重

為順利完成這項大工程，在多相全譜分析前，他們需要為幾百件袋狼模型進行3D掃描，并制成高精度3D模型，以便采集絕對準確的測量值。

組織安排是Rovinsky及其團隊所面臨的一大挑戰：所有標本來自全球18家不同的博物館和研究所，包括墨爾本本地博物館、澳大利亞和塔斯馬尼亞的幾家博物館，以及美國、歐洲、英國的幾家博物館。

為方便在這些旅途中完成袋狼標本的數字采集并用于體重分析，Rovinsky和Adams使用了一款精度達亞毫米級的輕質手持式3D掃描儀Artec Space Spider。兩位研究員分頭前往不同博物館和研究所，完成了幾百件標本的掃描：骨骼、頭骨、骨架、剝制袋狼標本、保存完整的袋狼標本。

Justin W. Adams博士在瑞典自然歷史 博物館用Artec Space Spider掃描保存完整的母袋狼標本

項目啟動前，Rovinsky和Adams決定不采用卡尺等傳統測量方式，也不采用GDI和攝影測量法這些現代方式。訪問每家博物館的時間極為有限，而且操作過度也會為標本帶來不必要的傷害。

以往的方式非常耗時，還得每天麻煩博物館工作人員看上幾個小時。但結果又不盡如人意，和Artec Space Spider 3D掃描的效果相去甚遠。

傳統方式的弊端在于，操作人員需要在測量過程中反復擺放標本。但有了Artec Space Spider，數據捕獲準確度高達0.5毫米，比其他方式快了幾十倍，而且操作步驟也可忽略不計。

Justin W. Adams博士在瑞典自然歷史博物館用Artec Space Spider以亞毫米級精度對母袋狼標本進行3D采集

和以往經歷相比，Rovinsky說，博物館工作人員發現掃描時間很短，而且對標本風險極低后，簡直“喜出望外”，因為只要幾分鐘，不會影響他們的正常工作。不過，即使掃描很快，博物館館長和其他工作人員也會出于好奇，選擇留下旁觀Space Spider的掃描過程。

“看到Space Spider操作起來如此迅速簡單，他們都十分驚訝。和其他不使用Space Spider的研究人員不同，我們對環境要求不高。不用很大的場地，不用控制光線，也不需要占用他們太多時間，” Rovinsky說道。

Rovinsky還提到，博物館工作人員在見到Space Spider之前就被震驚了，“工作人員說，這里有12件標本，我們會說，接下來12小時就能搞定，什么時候再給12件？只能說他們總覺得數據采集要很久?！?

Rovinsky在用Space Spider采集動物標本時，也不斷優化工藝。掃描簡單物體時，比如狼或袋狼的前肢骨骼，他說，“這個處理起來相對快捷輕松，每件標本只要幾分鐘。通常每件標本我掃三次。把標本放在小型便攜旋轉臺上，然后掃描幾圈。每次掃描大概采集400幀左右。然后把標本翻一面，重復一遍?！?

主要研究員Douglass Rovinsky在維多利亞女王博物館和美術館用Artec Space Spider掃描袋狼

掃描頭骨時，有些標本很簡單，但有些就很難捕獲完整?！坝绕涫谴笮皖^骨，可能要9份掃描才能采集完整。這種標本的難點在于頭骨內側的掃描，這些部位很難觸及，通常需要多次掃描，才能完整捕獲頜骨、顴骨、眼眶等部位，”Rovinsky說道。

Rovinsky一般都是離開博物館后進行Artec Studio掃描處理的，“所有編輯融合工作都是之后進行的。我已經養成習慣了，盡可能不打擾博物館人員。所以，到館掃描，掃完離開。所有掃描處理都是事后進行的?！?

他繼續補充道，“我只要帶上Space Spider就行，一整個下午，我能完成20-30份標本掃描。所以，出差收集一次數據，過幾個禮拜，我就能帶回幾百份清晰準確的標本掃描，細節豐富，足以完成工作。”

Rovinsky介紹了Artec Studio的處理流程：“首先手動對齊掃描，然后進行幾何全局配準。然后進行尖銳融合，根據物體尺寸選擇分辨率?；旧闲∮诠奉^大小的，選0.1，更大的標本選0.2?！?

他繼續說道，“然后我開始跑一到兩次平滑算法。然后進行快速網格簡化，精簡到60萬個三角形。最后的60萬個三角形在數量上也足夠了。當然，60萬和150萬個三角形頭骨間存在分辨率差異，但這種差異對古生物學而言是否有意義就另說了?！?

項目下一階段，Rovinsky與墨爾本Artec金牌授權經銷商Thinglab 合作，使用Artec Leo完整掃描了塔斯馬尼亞博物館和美術館里的袋狼標本，這是一款搭載內置觸屏的3D掃描儀，100%無線設計。這些掃描采集了博物館幾套袋狼骨架和全身剝制模型。這些數字骨架之后被用來構建凸包，作為數字雕刻的基礎。

Thinglab的Ben Myers在塔斯馬尼亞博物館和美術館用Artec Leo掃描袋狼骨架

Thinglab的3D掃描總監Ben Myers表示，“我們很喜歡Leo，和自己的客戶一樣，我們已經應用于很多項目了。Leo諸多功能也讓Thinglab工作的我們大吃一驚。過去曲面配準的問題不少，但VCSEL光技術大不一樣?！?

在塔斯馬尼亞博物館和美術館用Artec Leo掃描制成的袋狼3D模型

他繼續說道，“追蹤功能非常優秀，可以圍繞物體轉動，哪怕物體幾何復雜也無妨，可以輕松捕獲每個曲面。當然，無線設計加上內置顯示屏也使掃描流程變得尤為簡單高效。”

Thinglab的Ben Myers在塔斯馬尼亞博物館和美術館用Artec Leo掃描袋狼剝制標本

項目最后階段，Rovinsky找到團隊成員，數字藝術家Damir Martin。Martin非常善于描繪古世界，很快便開始創作栩栩如生的袋狼3D形象。

值得注意的是，進行本項目前，Martin早已深入研究過袋狼，已經創作了很多以塔斯馬尼亞自然界為背景的袋狼形象，效果不錯。

Martin的創作以骨架和剝制標本的Leo掃描形象為基礎。加上自己對袋狼的深刻認識和Rovinsky、Adam的幫助，他在ZBrush中一步步為每只袋狼的肌肉組織和外貌進行數字雕塑。形象創作完成后，進行數字稱重，這些測量數據會和其他體重估算值一起用于其他研究。

Damir Martin創作的袋狼3D形象，達到解剖學級別準確度

Martin這樣評價自己的工作：“我一直對滅絕動物很感興趣。袋狼在很多方面都很特別，它們的樣子就獨特且神秘。遺憾的是，很多對袋狼的形象修復，從藝術角度而言，沒有表現出這種生物外貌的微妙之處?！?

“但事實上，我們依靠一些罕見的照片和錄像，得知了袋狼的真實外形。所以這個極具挑戰性的項目對我來說很有吸引力?！?

借助體重估測（由93頭袋狼的207份掃描計算得出），Rovinsky及其團隊斷定公袋狼實際體重約為19公斤（41.9磅），母袋狼為14公斤（30.9磅）。也就是說，公袋狼比母袋狼重30%。

對比過去幾十年來對袋狼體重的錯誤估計，Rovinsky研究團隊得出的公母袋狼體重大概只有過去的55%。所以，很顯然，袋狼沒有違反“食肉動物消耗”定律，它們屬于中型食肉動物，約為14-31公斤（30.9-46.3磅），通常以小型動物為食，偶爾捕殺大型動物。

該項目只是袋狼進化生物學研究的一小部分，不僅包括這項針對袋狼體重的研究，還包括使用全球采集的3D數據樣本，對袋狼飲食結構、運動能力和袋狼生物特征展開調查研究。

Adam談及3D掃描對這類研究的重要性時，他表示：“古生物學家終于開始認識到三維模型可以推算出更準確的體重，哪怕只是在電腦上進行電子測算，我們仍然可以測量物體外形，和以往通過回歸線繪制變量的方式不同?！?

“3D科技徹底改變了我們對滅絕動物體型測算的認知。我認為，未來這樣的應用實踐會越來越多。而且Artec Space Spider和Leo操作簡單便捷，可精準捕獲這類數據，其潛力不可低估?！?

Rovinsky評價了數據在其中的關鍵作用?！把芯康碾y點在于，我們需要充足的數據才能生成生物體的完整3D形象，而對很多古生物學家而言，這是不可能的?！?

“如果只有幾份標本，也沒有完整骨架的話，是無法實現這樣的準確度的。大多數古生物學家甚至沒有一塊完整的骨骼，更不用說完整骨架了。即便如此，我們依然可以使用Artec掃描儀輕松采集我們需要的海量標本數據。”

Rovinsky還談到了本項目的深遠意義，“我們當然希望能盡可能了解袋狼的真實情況，因為畢竟所有數據、觀察結果和我們得出的結論，都是二手的，很遺憾，我們再也接觸不到活生生的袋狼了?！?

他繼續補充道，“所有研究數據都要符合我們的觀察結果、理論解釋和測量值等等。這也反應出對袋狼體重的認知有多重要。這一看似微不足道的數值，會影響大量有賴于這一數據的其他研究?！?