挑战：在素有“人类摇篮”之称的南非，考古学家从现场发掘出250多片古人类头骨碎片，需要将其拼接还原。
解决方案：Artec Space Spider, Artec Studio
项目过程：在考古发掘现场，研究人员使用Space Spider扫描仪，对头骨碎片及周围沉积物进行现场扫描，用数字化方式精准记录每块碎片的相对位置，从而为头骨的拼接还原提供参照。头骨拼接还原后，研究人员继续使用Space Spider为头骨制作高分辨率3D模型，并进行3D打印，应用于后续教学与科研场景。
#1“人类摇篮”考古现场再传重磅发现
△南非德里墨伦考古发掘现场。
2018年，南非约翰斯内堡北部的德里墨伦考古现场，一个进行实地田野考察的学生在地层中发现了大量头骨碎片和牙齿化石。
得知消息后，澳大利亚乐卓博大学的研究员杰西·马丁和安吉丽娜·莉丝，以及安迪·赫里斯教授立刻召集团队，收拾行李，从墨尔本飞往南非。他们的其中一件手提行李，就是Artec Space Spider扫描仪。
事实证明，研究团队的直觉非常敏锐。本次发掘出的250余片碎片，最终拼装还原成了编号为DNH155的古人类头骨。这是全世界迄今为止发掘出的最早、保存最完好的罗百氏傍人头骨。罗百氏傍人是人类祖先的近亲，拥有突出的颧骨、大牙齿和小脑袋，生活在距今120万年至200万年前。并且研究团队还在该头骨上发现了令人信服的证据，证明了古人类族谱中的物种会发生微进化以应对环境气候的改变。相关论文于2020年11月9日发表于《Nature Ecology & Evolution》期刊。
△DNH155头骨。
#2 考古是绣花活，三维扫描就是绣花针
尽管DNH155的数百件碎片在地层中的空间分布相对比较集中，但拼化石可不是拼乐高，有明确的图纸指引。要想将250多片杂乱无章的碎片准确无误地拼到一起，研究人员得拿出比新娘子绣花还要精细10倍的劲儿来。
在南非德里墨伦考古发掘现场，莉丝花了好几天时间，才小心翼翼地从地层中切割下了包含着化石的大块沉积物。这一步完成后，下一步就该马丁登场了。马丁先得给沉积物涂上一层文物修复胶，这是为了防止沉积物突然分崩离析。然后，马丁会使用小木棍等工具，将每一块头骨碎片从沉积物中小心谨慎地取出。
接下来，马丁需要使用丙酮反复擦拭沉积物表面，使胶水软化。在胶水重新凝固之前，也就是在这短暂的时间窗口内，他会使用工具轻轻刷去化石上的沉积物，每一下只能刷掉几毫米的沉积物，甚至有时会用吸管吸掉沉积物。反复执行上述步骤，直到这块化石碎片的轮廓清晰可辨，马丁就会拿起Space Spider扫描仪，将这块化石碎片连同包裹着它的沉积物一起扫描下来。
△清理化石碎片上的沉积物。
马丁表示：“之前尚未引入三维扫描技术时，我们总是面临两难的处境。因为我们必须要清理每一块化石碎片，并将其保存起来。但当我们将化石碎片从沉积层中取出来时，碎片在沉积层中的原始姿态和碎片之间的相对位置信息就已经被破坏了，这对我们的拼装还原工作构成了很大的难题。”他继续说道，“现在有了Space Spider扫描仪，我们会对每一个化石沉积层进行扫描，获得精准的3D数据记录，为之后的头骨化石拼装提供精确参考。”
在长达300多个小时的头骨化石拼装过程中，马丁和莉丝始终在一旁的电脑上运行Artec Studio软件，以便随时加载Space Spider的扫描数据组。一旦需要确认某块化石碎片在沉积层中的姿态或位置，只需轻点几下鼠标，即可调用相应的扫描数据，得到所需的信息。
在对化石等地下发掘物进行尺寸测量时，考古学界通常有两种传统手段：游标卡尺测量法和摄影测量法。但这两种手段都不可避免地需要与化石产生直接接触。其中，游标卡尺极易在化石表面造成划痕；摄影测量法则需要在化石表面粘贴并随后取下标记点，同样容易对化石造成破坏。
然而，Artec 3D扫描技术是100%无接触的测量技术。使用Artec Space Spider进行3D扫描，无需接触化石，即可在短短几分钟内输出精度高达0.05mm的测量结果。即便对同一件化石碎片扫描上千次，也不会对其造成任何损害。
#3 Space Spider的具体操作流程
马丁描述了他使用Space Spider扫描仪的正常工作流程：“首先，将化石放置在旋转台上，开始采集第一组数据。将扫描仪对准化石，一边转动旋转台，一边缓缓地上下移动扫描仪。第一组数据采集完毕后，我会把化石翻过来，继续采集背面的数据。短短几分钟的扫描之后，我就能获得足够的表面数据和重合面积，通过后处理即可生成这块碎片的完整模型。”
随后在Artec Studio软件中，马丁使用橡皮擦工具移除基底，并将多组扫描数据对齐。接下来，他会进行整体配准，并删除离群噪点，最后进行尖锐融合。他这样解释道：“在我们研究人类头骨时，我们希望清晰地看到头骨上的所有质量性状，所以我将分辨率设为0.1mm。这样我才能清楚地观察每一处细节，比如颞线、颅缝、小孔等等。”
在制作出水密3D模型后，马丁对模型一键贴图，然后将扫描数据以WRL格式导出。“我之所以选择WRL格式，并不仅仅是出于这是一种通用格式，更多的还是因为我想要将纹理数据和几何数据分开保存。考古研究者经常需要将模型上的颜色隐去，这样我们就能专心致志地研究模型上的质量性状，这才是我们最看重的部分。”
△DNH155头骨3D模型（带纹理颜色）
马丁认为，有一点至关重要——研究人员非常需要纯粹的几何数据。他表示：“在Artec Studio中一键即可隐去模型颜色。当研究人员仔细观察不带颜色的几何数据时，他们能够get到海量的信息，甚至比用肉眼直接观察化石本身得到的信息量还要大。”
△DNH155头骨3D模型（不带纹理颜色）
马丁继续道，“举一个直观的例子，几年前我们用Space Spider扫描过另一个古人类头骨。该头骨化石来自约200万年前的一个2~3岁的婴儿。在婴幼儿期，人类的颅骨通常较软，此时颅骨尚未完全闭合。但是婴幼儿的大脑处于快速发育期，会对内侧柔软的头骨产生挤压，留下痕迹。”
“但是这些痕迹通常是肉眼不可见的，即便是训练有素的研究人员，也基本不可能只凭肉眼在化石上观察到这些痕迹。肉眼看见的，无非是一些看似没有规律的隆起和抓痕。但是只要在Artec Studio中隐去模型的颜色，我们就可以在颅骨内侧看到，这颗200万年前的大脑在生长时留下的神奇印迹，就像在看一份CT扫描报告似的。”
马丁的话匣子打开了，滔滔不绝地说了下去：“这颗大脑在颅骨内侧留下了异常清晰的生长痕迹。我们可以观察到诸多细节，比如脑膜中血管、脑沟以及脑回留下的痕迹。凭借这些信息，我们可以清晰辨别出大脑的不同区域。你们想想看，我们对一颗200万年前的大脑展开了研究，而这一切都要归功于Space Spider捕获到了颅骨内侧大脑生长的痕迹。只要在Artec Studio软件中一键隐去模型颜色，你就能清楚地观察到每一处细节。”
#4 三维扫描数据进一步用于3D打印
△研究员杰西·马丁和安吉丽娜·莉丝正在观看DNH155头骨的3D打印模型。
基于Space Spider采集到的扫描数据，研究人员通过3D打印为DNH155头骨制作了一份1：1还原的复制品。即便是见多识广的研究者，在见到这一还原度极高的3D打印模型时，也都大感震撼。
马丁还提到，Space Spider的扫描数据具备极高的精度和细节度，为3D打印提供了高质量的数模。“我们3D打印出的每一块碎片，都能与原始化石完美拼接起来，所有缝隙和边缘都能无缝对接。”
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