這顆顱骨碎成了250多片,，在地下埋藏了200萬年

挑戰(zhàn)：在素有“人類搖籃”之稱的南非，考古學家從現(xiàn)場發(fā)掘出250多片古人類頭骨碎片,，需要將其拼接還原,。

解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio

項目過程：在考古發(fā)掘現(xiàn)場，研究人員使用Space Spider掃描儀,，對頭骨碎片及周圍沉積物進行現(xiàn)場掃描,，用數(shù)字化方式精準記錄每塊碎片的相對位置，從而為頭骨的拼接還原提供參照,。頭骨拼接還原后,，研究人員繼續(xù)使用Space Spider為頭骨制作高分辨率3D模型，并進行3D打印,，應用于后續(xù)教學與科研場景,。

#1“人類搖籃”考古現(xiàn)場再傳重磅發(fā)現(xiàn)

△南非德里墨倫考古發(fā)掘現(xiàn)場。

2018年,，南非約翰斯內(nèi)堡北部的德里墨倫考古現(xiàn)場,，一個進行實地田野考察的學生在地層中發(fā)現(xiàn)了大量頭骨碎片和牙齒化石。

得知消息后,，澳大利亞樂卓博大學的研究員杰西·馬丁和安吉麗娜·莉絲,，以及安迪·赫里斯教授立刻召集團隊，收拾行李,，從墨爾本飛往南非,。他們的其中一件手提行李，就是Artec Space Spider掃描儀,。

事實證明,，研究團隊的直覺非常敏銳。本次發(fā)掘出的250余片碎片,，最終拼裝還原成了編號為DNH155的古人類頭骨,。這是全世界迄今為止發(fā)掘出的最早、保存最完好的羅百氏傍人頭骨,。羅百氏傍人是人類祖先的近親,，擁有突出的顴骨,、大牙齒和小腦袋，生活在距今120萬年至200萬年前,。并且研究團隊還在該頭骨上發(fā)現(xiàn)了令人信服的證據(jù),，證明了古人類族譜中的物種會發(fā)生微進化以應對環(huán)境氣候的改變。相關論文于2020年11月9日發(fā)表于《Nature Ecology & Evolution》期刊,。

△DNH155頭骨,。

#2 考古是繡花活，三維掃描就是繡花針

盡管DNH155的數(shù)百件碎片在地層中的空間分布相對比較集中,，但拼化石可不是拼樂高,，有明確的圖紙指引。要想將250多片雜亂無章的碎片準確無誤地拼到一起,，研究人員得拿出比新娘子繡花還要精細10倍的勁兒來,。

在南非德里墨倫考古發(fā)掘現(xiàn)場，莉絲花了好幾天時間,，才小心翼翼地從地層中切割下了包含著化石的大塊沉積物,。這一步完成后，下一步就該馬丁登場了,。馬丁先得給沉積物涂上一層文物修復膠,，這是為了防止沉積物突然分崩離析,。然后,，馬丁會使用小木棍等工具，將每一塊頭骨碎片從沉積物中小心謹慎地取出,。

接下來,，馬丁需要使用丙酮反復擦拭沉積物表面，使膠水軟化,。在膠水重新凝固之前,，也就是在這短暫的時間窗口內(nèi)，他會使用工具輕輕刷去化石上的沉積物,，每一下只能刷掉幾毫米的沉積物,，甚至有時會用吸管吸掉沉積物。反復執(zhí)行上述步驟,，直到這塊化石碎片的輪廓清晰可辨,，馬丁就會拿起Space Spider掃描儀，將這塊化石碎片連同包裹著它的沉積物一起掃描下來,。

△清理化石碎片上的沉積物,。

馬丁表示：“之前尚未引入三維掃描技術(shù)時，我們總是面臨兩難的處境,。因為我們必須要清理每一塊化石碎片,，并將其保存起來,。但當我們將化石碎片從沉積層中取出來時，碎片在沉積層中的原始姿態(tài)和碎片之間的相對位置信息就已經(jīng)被破壞了,，這對我們的拼裝還原工作構(gòu)成了很大的難題,。”他繼續(xù)說道,，“現(xiàn)在有了Space Spider掃描儀,，我們會對每一個化石沉積層進行掃描，獲得精準的3D數(shù)據(jù)記錄,，為之后的頭骨化石拼裝提供精確參考,。”

在長達300多個小時的頭骨化石拼裝過程中,，馬丁和莉絲始終在一旁的電腦上運行Artec Studio軟件,，以便隨時加載Space Spider的掃描數(shù)據(jù)組。一旦需要確認某塊化石碎片在沉積層中的姿態(tài)或位置,，只需輕點幾下鼠標,，即可調(diào)用相應的掃描數(shù)據(jù)，得到所需的信息,。

在對化石等地下發(fā)掘物進行尺寸測量時,，考古學界通常有兩種傳統(tǒng)手段：游標卡尺測量法和攝影測量法。但這兩種手段都不可避免地需要與化石產(chǎn)生直接接觸,。其中,，游標卡尺極易在化石表面造成劃痕；攝影測量法則需要在化石表面粘貼并隨后取下標記點,，同樣容易對化石造成破壞,。

然而，Artec 3D掃描技術(shù)是100%無接觸的測量技術(shù),。使用Artec Space Spider進行3D掃描,，無需接觸化石，即可在短短幾分鐘內(nèi)輸出精度高達0.05mm的測量結(jié)果,。即便對同一件化石碎片掃描上千次,，也不會對其造成任何損害。

#3 Space Spider的具體操作流程

馬丁描述了他使用Space Spider掃描儀的正常工作流程：“首先,，將化石放置在旋轉(zhuǎn)臺上,，開始采集第一組數(shù)據(jù)。將掃描儀對準化石,，一邊轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺,，一邊緩緩地上下移動掃描儀。第一組數(shù)據(jù)采集完畢后,，我會把化石翻過來,，繼續(xù)采集背面的數(shù)據(jù),。短短幾分鐘的掃描之后，我就能獲得足夠的表面數(shù)據(jù)和重合面積,，通過后處理即可生成這塊碎片的完整模型,。”

隨后在Artec Studio軟件中,，馬丁使用橡皮擦工具移除基底,，并將多組掃描數(shù)據(jù)對齊。接下來,，他會進行整體配準,，并刪除離群噪點，最后進行尖銳融合,。他這樣解釋道：“在我們研究人類頭骨時,，我們希望清晰地看到頭骨上的所有質(zhì)量性狀，所以我將分辨率設為0.1mm,。這樣我才能清楚地觀察每一處細節(jié),，比如顳線、顱縫,、小孔等等,。”

在制作出水密3D模型后,，馬丁對模型一鍵貼圖,，然后將掃描數(shù)據(jù)以WRL格式導出�,！拔抑�所以選擇WRL格式,，并不僅僅是出于這是一種通用格式,，更多的還是因為我想要將紋理數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)分開保存,。考古研究者經(jīng)常需要將模型上的顏色隱去,，這樣我們就能專心致志地研究模型上的質(zhì)量性狀,，這才是我們最看重的部分�,！�

△DNH155頭骨3D模型（帶紋理顏色）

馬丁認為,，有一點至關重要——研究人員非常需要純粹的幾何數(shù)據(jù)。他表示：“在Artec Studio中一鍵即可隱去模型顏色,。當研究人員仔細觀察不帶顏色的幾何數(shù)據(jù)時,，他們能夠get到海量的信息，甚至比用肉眼直接觀察化石本身得到的信息量還要大,�,！�

△DNH155頭骨3D模型（不帶紋理顏色）

馬丁繼續(xù)道,，“舉一個直觀的例子，幾年前我們用Space Spider掃描過另一個古人類頭骨,。該頭骨化石來自約200萬年前的一個2~3歲的嬰兒,。在嬰幼兒期，人類的顱骨通常較軟,，此時顱骨尚未完全閉合,。但是嬰幼兒的大腦處于快速發(fā)育期，會對內(nèi)側(cè)柔軟的頭骨產(chǎn)生擠壓,，留下痕跡,。”

“但是這些痕跡通常是肉眼不可見的,，即便是訓練有素的研究人員,，也基本不可能只憑肉眼在化石上觀察到這些痕跡。肉眼看見的,，無非是一些看似沒有規(guī)律的隆起和抓痕,。但是只要在Artec Studio中隱去模型的顏色，我們就可以在顱骨內(nèi)側(cè)看到,，這顆200萬年前的大腦在生長時留下的神奇印跡,，就像在看一份CT掃描報告似的�,！�

馬丁的話匣子打開了,，滔滔不絕地說了下去：“這顆大腦在顱骨內(nèi)側(cè)留下了異常清晰的生長痕跡。我們可以觀察到諸多細節(jié),，比如腦膜中血管,、腦溝以及腦回留下的痕跡。憑借這些信息,，我們可以清晰辨別出大腦的不同區(qū)域,。你們想想看，我們對一顆200萬年前的大腦展開了研究,，而這一切都要歸功于Space Spider捕獲到了顱骨內(nèi)側(cè)大腦生長的痕跡,。只要在Artec Studio軟件中一鍵隱去模型顏色，你就能清楚地觀察到每一處細節(jié),�,！�

#4 三維掃描數(shù)據(jù)進一步用于3D打印

△研究員杰西·馬丁和安吉麗娜·莉絲正在觀看DNH155頭骨的3D打印模型。

基于Space Spider采集到的掃描數(shù)據(jù),，研究人員通過3D打印為DNH155頭骨制作了一份1：1還原的復制品,。即便是見多識廣的研究者，在見到這一還原度極高的3D打印模型時，也都大感震撼,。

馬丁還提到,，Space Spider的掃描數(shù)據(jù)具備極高的精度和細節(jié)度，為3D打印提供了高質(zhì)量的數(shù)模,�,！拔覀�3D打印出的每一塊碎片，都能與原始化石完美拼接起來,，所有縫隙和邊緣都能無縫對接,。”