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概要： 圣克勞德大學(xué)視覺(jué)化實(shí)驗(yàn)室（VizLab）決定根據(jù)學(xué)校博物館的標(biāo)本，建立一個(gè)互動(dòng)式虛擬頭骨博物館?？墒褂?D掃描，但必須遵守一條原則：不可使用任何標(biāo)記或貼紙。
目標(biāo)：使用Artec 3D手持式掃描儀將博物館易碎藏品放在轉(zhuǎn)臺(tái)上掃描，包括頭骨和其他一些珍貴物品，隨后為其制作高度準(zhǔn)確的彩色3D模型。
使用工具：Artec Eva, Spider, Artec Studio

通常你不會(huì)認(rèn)為觀(guān)察一只死去動(dòng)物的頭骨是一件有意思的事，但是明尼蘇達(dá)州立圣克勞德大學(xué)可視化實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)卻能讓你懷疑自己的審美偏好。觀(guān)看如下互動(dòng)式頭骨博物館創(chuàng)意視頻，您定會(huì)認(rèn)為將大學(xué)博物館收藏的系列頭骨進(jìn)行視覺(jué)陳列的想法非常誘人。

這一令人著迷的想法背后需要依靠細(xì)節(jié)豐富的3D頭骨圖像，正因?yàn)槿绱耍覀円兄xArtec Spider以及Artec Studio 10.

“除了使用Spider，我們找不到其他實(shí)際可行的方法?！笨梢暬こ處煛⒖梢暬瘜?shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Mark Gill說(shuō)道。

頭骨博物館僅是可視化實(shí)驗(yàn)室正在展開(kāi)的數(shù)個(gè)項(xiàng)目之一。其使命是為大學(xué)社區(qū)的復(fù)雜需求開(kāi)發(fā)可視化、體驗(yàn)式及多媒體解決方案。對(duì)于一些商業(yè)軟件無(wú)法滿(mǎn)足的需求，實(shí)驗(yàn)室可提供軟件支持課堂教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)?！拔覀兣c教職員工合作，提供能完全滿(mǎn)足其需求的實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn)?！盡ark說(shuō)道。實(shí)驗(yàn)室制作軟件的學(xué)生也可從中學(xué)習(xí)到普通課程中難以獲得的高新科技和知識(shí)。

該實(shí)驗(yàn)室最近剛購(gòu)置了兩臺(tái)Artec 3D掃描儀——Eva和Spider，從而實(shí)現(xiàn)了互動(dòng)式頭骨博物館的設(shè)想。

“購(gòu)置Spider和Eva以前，我們實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有太多類(lèi)似的工作?！盡ark Gill說(shuō)道，“我們使用過(guò)3DS Max之類(lèi)的工具，大多數(shù)模型都是手動(dòng)完成，但始終無(wú)法完成實(shí)物的高精度掃描。之前我們使用過(guò)消費(fèi)者級(jí)別的掃描儀，以滿(mǎn)足掃描大型物體的需求。此外，我們還嘗試使用攝影測(cè)量法，但效果不一?！?

Spider填補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室向來(lái)空缺的利基市場(chǎng)，例如，實(shí)現(xiàn)了老舊機(jī)械零件逆向工程、制作箭頭、陶片等文物3D模型。實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以對(duì)無(wú)價(jià)的文物進(jìn)行3D打印，并為借出的博物館藏品制作電子檔案?！癝pider掃描文件精細(xì)優(yōu)質(zhì)，因此我們現(xiàn)在開(kāi)始考慮對(duì)于掃描的物體進(jìn)行表面幾何圖案的分析?！盡ark說(shuō)道。

他表示，藝術(shù)學(xué)院也對(duì)此產(chǎn)生了興趣，正計(jì)劃對(duì)雕像進(jìn)行3D掃描以加入多媒體項(xiàng)目。憑借Spider這樣出色的工具，他們可以將實(shí)體媒介迅速融入到虛擬空間。他們還計(jì)劃對(duì)用戶(hù)進(jìn)行掃描制作虛擬環(huán)境下的擬人頭像。

實(shí)驗(yàn)室還升級(jí)至Artec Studio 10，工作人員對(duì)此十分滿(mǎn)意。

“這還是修復(fù)3D打印網(wǎng)格錯(cuò)誤的工具。”Mark補(bǔ)充道，“我可以導(dǎo)入幾乎所有格式的模型文件，通過(guò)重新劃分網(wǎng)格，或高度整合幾組網(wǎng)格，迅速做好物理樣機(jī)處理的準(zhǔn)備?！?

在電子顯微鏡掃描數(shù)據(jù)的清理和呈現(xiàn)方面，例如數(shù)微米寬的晶體表面或單細(xì)胞微生物，AS 10同樣十分出色。此類(lèi)數(shù)據(jù)通常帶有一些雜音和多余數(shù)據(jù)。但通過(guò)AS 10的編輯工具，雜音可以輕松清理，網(wǎng)格也能輕松整合。

現(xiàn)在我們來(lái)進(jìn)一步了解AS 10及Spider是如何為特定項(xiàng)目——互動(dòng)式頭骨博物館工作的。博物館展出了州立圣克勞德大學(xué)收藏的一系列哺乳動(dòng)物頭骨，最小的動(dòng)物是老鼠，最大的是牛。他們擁有不同的表皮、肌理和尺寸。負(fù)鼠、赤狐等小型標(biāo)本光澤度高，幾近透明。項(xiàng)目下一步就是Mark已經(jīng)開(kāi)始著手做的類(lèi)人猿頭骨數(shù)字化工作。

該博物館起初是生物學(xué)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)生物祖先特征進(jìn)行研究練習(xí)的實(shí)驗(yàn)室。該項(xiàng)目當(dāng)時(shí)滿(mǎn)足了學(xué)校生物項(xiàng)目的特定需求。

為掃描每一件頭骨，Mark使用了一款可旋轉(zhuǎn)掃描儀，并隨機(jī)做上標(biāo)記方便操作。部分頭骨由于肌理豐富，因此無(wú)需標(biāo)記，而對(duì)于其他頭骨來(lái)說(shuō)，這一步至關(guān)重要。

一些小型標(biāo)本整個(gè)掃描過(guò)程大約需要一小時(shí)。每個(gè)標(biāo)本的頭骨和下頜均需分開(kāi)掃描。頭骨部分由復(fù)雜的有機(jī)結(jié)構(gòu)組成，因此Mark為每個(gè)部分進(jìn)行八次掃描，以確保獲得了類(lèi)似牙齒這類(lèi)部位各個(gè)角度下的特征。

“由于這些標(biāo)本是從博物館借來(lái)的，所以若不是萬(wàn)不得已，我不想做任何標(biāo)記或涂抹任何粉末，”Mark說(shuō)道，“我把Spider的靈敏度調(diào)高，以處理某些難以讀取的表面肌理?！?

挑戰(zhàn)最大的是鹿頭骨。Gill將頭骨、鹿角、下頜作為不同項(xiàng)目分開(kāi)掃描。僅僅鹿頭骨就進(jìn)行了23次掃描，產(chǎn)生了總共約12G的掃描數(shù)據(jù)。

生成最終網(wǎng)格時(shí)，整個(gè)頭骨首先完成分辨率為1毫米的高度整合過(guò)程。最終，老鼠標(biāo)本形成近乎100萬(wàn)個(gè)弧面，鹿標(biāo)本形成約400萬(wàn)個(gè)弧面。其他標(biāo)本弧面數(shù)位于100萬(wàn)-400萬(wàn)之間。

Mark復(fù)制鹿頭骨網(wǎng)格后，開(kāi)始進(jìn)行簡(jiǎn)化工作，并為不同部位的網(wǎng)格版本添加所需要的肌理。

“AS10進(jìn)行的網(wǎng)格簡(jiǎn)化是我見(jiàn)過(guò)很棒的?！盡ark說(shuō)道，“其他工具包允許你設(shè)置某些參數(shù)，但弧面數(shù)就像擲篩子一樣毫無(wú)定數(shù)，若精度提升十倍，質(zhì)量便會(huì)大幅下降。使用AS10的話(huà)，我可以輸入我想要的網(wǎng)格弧面數(shù)，并最終得到一模一樣的弧面數(shù)。而且效果好得多?！?

Mark隨后設(shè)置了4096x4096的肌理，并以.obj文件格式導(dǎo)出了簡(jiǎn)化后的網(wǎng)格文件。

然后，Mark將3D模型轉(zhuǎn)移至3D Studio Max 2016，將模型與頭骨/下頜骨進(jìn)行配對(duì)整合。他按照原本的樣子將模型拼接起來(lái)，并將兩者模型初始值重設(shè)為相同點(diǎn)數(shù)和對(duì)齊方式，這樣的話(huà)，它們既可以共同操作，又可以單獨(dú)展示。

整合完成后，Mark將文件導(dǎo)出，但下頜與頭骨依然以.FBX Autodesk媒體內(nèi)置的文件單獨(dú)保存。

現(xiàn)實(shí)中的頭骨博物館配備了Unity 5游戲引擎?！拔疫€打算應(yīng)用于多點(diǎn)觸控的平板電腦上，所以目前正在使用一個(gè)叫做Gestureworks的框架來(lái)處理觸控操作，”Mark補(bǔ)充道。Unity可以對(duì)大多數(shù)種類(lèi)的3D互動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行快速成型操作?！癈#作為編程語(yǔ)言，我可以為頭骨的特定操作行為設(shè)計(jì)程序；在游戲引擎中控制移動(dòng)軌跡，例如如何操作可以縮放或張嘴。”Unity還有一系列控制工具可輕易操控?zé)艄夂推渌曈X(jué)效果。

“目前原型應(yīng)用已經(jīng)完成，我們會(huì)展示給生物學(xué)院教師看，了解是否滿(mǎn)足他們的需求?！盡ark說(shuō)道，“最后我們還會(huì)讓學(xué)生來(lái)操作這些標(biāo)本，并與其他標(biāo)本作比較，而且學(xué)生無(wú)需為操作過(guò)程損傷標(biāo)本而擔(dān)心?！?