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(xué)家從現(xiàn)場(chǎng)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(xiàng)目過程：在考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)，研究人員使用Space Spider掃描儀，對(duì)頭骨碎片及周圍沉積物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描，用數(shù)字化方式精準(zhǔn)記錄每塊碎片的相對(duì)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(jìn)行3D打印，應(yīng)用于后續(xù)教學(xué)與科研場(chǎng)景。

#1“人類搖籃”考古現(xiàn)場(chǎng)再傳重磅發(fā)現(xiàn)

△南非德里墨倫考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)。

2018年，南非約翰斯內(nèi)堡北部的德里墨倫考古現(xiàn)場(chǎng)，一個(gè)進(jìn)行實(shí)地田野考察的學(xué)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(xué)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(tuán)隊(duì)，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(shí)證明，研究團(tuán)隊(duì)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(hào)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(tuán)隊(duì)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(huì)發(fā)生微進(jìn)化以應(yīng)對(duì)環(huán)境氣候的改變。相關(guān)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(duì)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(zhǔn)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(xì)10倍的勁兒來。

在南非德里墨倫考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)，莉絲花了好幾天時(shí)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(chǎng)了。馬丁先得給沉積物涂上一層文物修復(fù)膠，這是為了防止沉積物突然分崩離析。然后，馬丁會(huì)使用小木棍等工具，將每一塊頭骨碎片從沉積物中小心謹(jǐn)慎地取出。

接下來，馬丁需要使用丙酮反復(fù)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(shí)間窗口內(nèi)，他會(huì)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(shí)會(huì)用吸管吸掉沉積物。反復(fù)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(huì)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(shí)，我們總是面臨兩難的處境。因?yàn)槲覀儽仨氁�清理每一塊化石碎片，并將其保存起來。但當(dāng)我們將化石碎片從沉積層中取出來時(shí)，碎片在沉積層中的原始姿態(tài)和碎片之間的相對(duì)位置信息就已經(jīng)被破壞了，這對(duì)我們的拼裝還原工作構(gòu)成了很大的難題�！彼�繼續(xù)說道，“現(xiàn)在有了Space Spider掃描儀，我們會(huì)對(duì)每一個(gè)化石沉積層進(jìn)行掃描，獲得精準(zhǔn)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(zhǎng)達(dá)300多個(gè)小時(shí)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(yùn)行Artec Studio軟件，以便隨時(shí)加載Space Spider的掃描數(shù)據(jù)組。一旦需要確認(rèn)某塊化石碎片在沉積層中的姿態(tài)或位置，只需輕點(diǎn)幾下鼠標(biāo)，即可調(diào)用相應(yīng)的掃描數(shù)據(jù)，得到所需的信息。

在對(duì)化石等地下發(fā)掘物進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)，考古學(xué)界通常有兩種傳統(tǒng)手段：游標(biāo)卡尺測(cè)量法和攝影測(cè)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(biāo)卡尺極易在化石表面造成劃痕；攝影測(cè)量法則需要在化石表面粘貼并隨后取下標(biāo)記點(diǎn)，同樣容易對(duì)化石造成破壞。

然而，Artec 3D掃描技術(shù)是100%無接觸的測(cè)量技術(shù)。使用Artec Space Spider進(jìn)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(dá)0.05mm的測(cè)量結(jié)果。即便對(duì)同一件化石碎片掃描上千次，也不會(huì)對(duì)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(tái)上，開始采集第一組數(shù)據(jù)。將掃描儀對(duì)準(zhǔn)化石，一邊轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，一邊緩緩地上下移動(dòng)掃描儀。第一組數(shù)據(jù)采集完畢后，我會(huì)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(duì)齊。接下來，他會(huì)進(jìn)行整體配準(zhǔn)，并刪除離群噪點(diǎn)，最后進(jìn)行尖銳融合。他這樣解釋道：“在我們研究人類頭骨時(shí)，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(shè)為0.1mm。這樣我才能清楚地觀察每一處細(xì)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(duì)模型一鍵貼圖，然后將掃描數(shù)據(jù)以WRL格式導(dǎo)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?yàn)槲蚁胍獙⒓y理數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)分開保存�？脊叛芯空呓�(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(rèn)為，有一點(diǎn)至關(guān)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(dāng)研究人員仔細(xì)觀察不帶顏色的幾何數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)直觀的例子，幾年前我們用Space Spider掃描過另一個(gè)古人類頭骨。該頭骨化石來自約200萬年前的一個(gè)2~3歲的嬰兒。在嬰幼兒期，人類的顱骨通常較軟，此時(shí)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(huì)對(duì)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(xùn)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(zhǎng)時(shí)留下的神奇印跡，就像在看一份CT掃描報(bào)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(zhǎng)痕跡。我們可以觀察到諸多細(xì)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(duì)一顆200萬年前的大腦展開了研究，而這一切都要?dú)w功于Space Spider捕獲到了顱骨內(nèi)側(cè)大腦生長(zhǎng)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(xì)節(jié)�！�

#4 三維掃描數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)制品。即便是見多識(shí)廣的研究者，在見到這一還原度極高的3D打印模型時(shí)，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(xì)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(duì)接�！�