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挑戰(zhàn)：某英國著名面部人類學家被要求為一位古代戰(zhàn)士頭骨進行數(shù)字重建，為其精心打造人臉模型，以模擬其真實容貌，這是辛辛那提大學長期支持的考古發(fā)掘項目的一部分。
解決方案：Artec Spider, Artec Studio, Geomagic Freeform, Abrosoft FantaMorph
效果：掃描每片顱骨碎片及其他碎片組塊，并在Artec Studio中完成頭骨數(shù)字重建。隨后，將細節(jié)豐富的3D模型導出至Geomagic Freeform作為參考模型，以制作最終的面部近似模型，成品可在線使用，也可用于科研和3D打印。
格里芬戰(zhàn)士的數(shù)字臉部模型（供圖：Tobias Houlton博士）
3500年來，這位戰(zhàn)士的尸體一直安放在一片橄欖樹林下的墳墓中，距離希臘南部的涅斯托耳王宮只有一小段路。在他周圍，擺放了2000多件青銅時代的物品，包括金杯、戒指、項鏈、數(shù)百顆珍貴寶石、一把裝飾華美的寶劍，還有皮洛斯的爭戰(zhàn)瑪瑙，展現(xiàn)了精湛的雕刻技藝，讓人嘆為觀止。
金柄匕首，原本放在格里芬戰(zhàn)士胸前。（供圖：辛辛那提大學古典學系涅斯托耳王宮發(fā)掘項目）
由于在這位戰(zhàn)士身上發(fā)現(xiàn)了一塊刻有“格里芬戰(zhàn)士”的象牙牌，他因此得名，但這位古邁錫尼貴族的真實身份依然是個謎。
格里芬戰(zhàn)士墓發(fā)掘現(xiàn)場的Sharon Stocker。（供圖：辛辛那提大學古典學系涅斯托耳王宮發(fā)掘項目）
辛辛那提大學的考古學家Jack Davis和Sharon Stocker博士花了六個月的時間完成了墓地的考古挖掘。不過，他們發(fā)現(xiàn)了格里芬戰(zhàn)士一具完整度高的骨架，便立刻求助法醫(yī)面部技術(shù)，希望能還原這位戰(zhàn)士的真實容貌。
格里芬戰(zhàn)士墓發(fā)掘平面圖。（供圖：辛辛那提大學古典學系涅斯托耳王宮發(fā)掘項目）
兩位博士找到了生物人類學家Lynne Schepartz教授和面部人類學家Tobias Houlton博士，來協(xié)助這項任務，這個過程包含多個步驟，并不簡單。Schepartz教授指導頭骨碎片的挖掘，Houlton則負責頭骨重建和格里芬戰(zhàn)士的面部預測。
Houlton是蘇格蘭鄧迪大學法醫(yī)藝術(shù)和面部成像碩士課程的負責人和講師，也是法醫(yī)藝術(shù)家和該領域的專家，他曾與國際刑警組織、英國和南非的多家警署合作，通過面部近似法識別受害者身份，協(xié)助破案。
Houlton博士的工作已得到了《國家地理雜志》、史密森尼頻道、英國廣播公司第四電臺等多家媒體的認可。
欲善事，先利器
Houlton在動身前往希臘、準備開始格里芬戰(zhàn)士的重建工作時，帶上了一臺Artec Spider掃描儀。
Artec Spider現(xiàn)場完成的格里芬戰(zhàn)士頭骨。（供圖：Tobias Houlton博士）
Spider可以用無創(chuàng)的方式采集形狀各異的復雜物體，精度達亞毫米級，顱骨縫隙、薄的骨片等高難度物體也能輕松捕獲，因而成為全球法醫(yī)專家和科研人員青睞的一款三維掃描儀。
Houlton說：“我相信Spider可以融入我的工作流程。許多其他解決方案都需要我們來調(diào)整適應技術(shù)設備，而現(xiàn)在，我們每一步都不開Spider。”
Artec Studio中數(shù)字重建后的格里芬戰(zhàn)士頭骨。（供圖：Tobias Houlton博士）
“從沉積物中取出頭顱骨碎片前，我會先掃描這一層，精準記錄這些碎片在沉積物中的位置和朝向?！?
他補充道：“挖出后，我還會再次掃描每一塊碎片，暫時把它們粘在一起，再掃描一次。這樣一來，等到頭骨數(shù)字重建時，Spider的掃描就能提供準確的頭骨碎片副本，而那些挖掘現(xiàn)場的掃描數(shù)據(jù)，從考古角度而言，更是價值連城?！?
穿透古代土壤的CT掃描
但在過去，研究者們只能把沉積物塊從考古現(xiàn)場帶到實驗室。然后借助CT掃描儀，試圖把骨骼碎片分離出來。
不過，CT掃描儀無法將骨骼和沉積物區(qū)分開來，但卻可以提供物體方位示意圖，在后期提取格里芬戰(zhàn)士骸骨時十分有用。
Houlton的掃描直接在Artec Studio中完成，每次掃描約一分鐘，即可完整捕獲每一塊顱骨碎片和沉積層。
隨后，這些掃描被加工制作成3D模型。值得一提的是，當時Houlton 沒有Geomagic Freeform軟件，因此，格里芬戰(zhàn)士頭骨是完全依靠Artec Studio完成的。
Houlton博士表示：“使用Artec Studio對齊工具，可以很輕松地選中特定碎片，旋轉(zhuǎn)并對齊至其他碎片。拼接碎片到最后為格里芬戰(zhàn)士頭骨完成數(shù)字重建，并沒有耗費太久時間?！?
傳統(tǒng)鑄模風險大，“數(shù)字鑄模”來幫忙
談起用傳統(tǒng)鑄模方式記錄骨骸時，Houlton說道：“就說格里芬戰(zhàn)士吧，許多頭骨碎片都很脆弱，在過去，是沒有辦法安全鑄模的。”
他繼續(xù)解釋道：“但是Artec Spider的‘數(shù)字鑄模法’掃描碎片只要幾秒鐘，還能保護3D副本，不再有傷害原物的可能，也不會對原物造成任何風險。”
回到辦公室，Houlton把格里芬戰(zhàn)士頭骨的數(shù)字副本從Artec Studio導出至Geomagic Freeform，進行面部近似。
Freeform：數(shù)字頭骨重建和面部近似的首選
在Freeform中，重建人員可通過觸控筆界面，直接感受到3D物體，無論對于學生還是資深從業(yè)者而言，這都是一款很優(yōu)秀的工具。
Geomagic Freeform截圖：即將用于面部近似的格里芬戰(zhàn)士頭骨。（供圖：Tobias Houlton博士）
和傳統(tǒng)的黏土面部近似法相比，F(xiàn)reeform可以在短短幾秒鐘內(nèi)，與機構(gòu)、數(shù)字藝術(shù)家完整地分享面部近似作品，無論他們身在何方。
更重要的是，和黏土法相比，數(shù)字近似法能完全避免損壞或遺失原物的風險。
Houlton對此進一步解釋道：“現(xiàn)在，我們在Freeform完成面部近似后，如果原始頭骨遺失或破損，如果人們對于預測面部存疑，可以隨時能找回Spider的頭骨掃描查看。”
Geomagic Freeform截圖：格里芬戰(zhàn)士面部近似進行時。（供圖：Tobias Houlton博士）
“只要幾秒鐘，你就能核實頭骨重建是否準確，不會有絲毫存疑。畢竟，看到Spider的掃描，就好比看到了真實頭骨，”他說道。
Houlton和鄧迪大學的學生分享了他們內(nèi)部所有的Freeform工作流程使用技巧。
所以，無論他們是以面部近似專家的身份和警方、情報機構(gòu)合作，還是作為CGI專家專攻電影、電視、電子游戲制作，都掌握了技術(shù)基礎，可以把埃太科三維掃描轉(zhuǎn)變?yōu)殍蜩蛉缟拿娌拷谱髌贰?
Freeform重建格里芬戰(zhàn)士容貌
隨著時間的推移，墳墓中的酸性土壤使格里芬戰(zhàn)士幾塊薄面骨缺失，特別是鼻周附近，但Houlton用自己的方式填補了這些空缺。
他根據(jù)50張年齡與身材相仿的希臘人面部圖像，構(gòu)建了一個平均臉模板，并在Abrosoft FantaMorph中合并。平均臉體現(xiàn)了面部特征中的穩(wěn)定趨勢，幫助Houlton修復了個別細節(jié)無法確定的面部近似部分。
Geomagic Freeform – 使用組織深度標記重建格里芬戰(zhàn)士容貌。（供圖：Tobias Houlton博士）
在近似過程中，Houlton先插入眼部，隨后是所有的組織深度標記（最多36處），最后插入肌肉和皮膚。在Freeform中，用戶可以將這些面部特征作為獨立對象來組織和標記，并保存在各自的文件夾中，對于面部近似而言，這項功能很有幫助。
格里芬戰(zhàn)士容貌再現(xiàn)：從數(shù)字重建頭骨到面部近似。（供圖：Tobias Houlton博士）
此外，軟件還能“看透”模型，“穿透”皮膚表層，確保軟硬組織位置得當，免去了手動建模師經(jīng)常要做的工作——切開黏土/模型蠟，檢查內(nèi)部的頭骨鑄模位置。
為何2D相片法不盡人意
當被問到2D相片和3D掃描在面部近似處理上的差異時，Houlton說道：“2D相片是無奈之舉。為何這么說呢，因為這種方法很難衡量犬齒區(qū)附近的深度，而這個深度一定程度上可以提示鼻唇溝的形態(tài)?！?
他繼續(xù)說道：“通常來說，三維掃描在精度和真實性兩個方面完勝2D相片。”
事實上，Spider掃描覆蓋的精準數(shù)據(jù)范圍很廣泛，工作人員完全可以直接根據(jù)掃描完成重建，無需將原始頭骨作為參考模型。
Tobias Houlton博士在鄧迪大學用Artec Space Spider掃描顱骨碎片。（供圖：Tobias Houlton博士）
多年來，在多項國際項目中，Houlton正是這么做的。“依靠如此精準的三維掃描，我們可以足不出戶，完成面部近似。”
如需制作面部近似的真實模型，無論是用于調(diào)查、法務還是其他目的，都能輕松導出近似作品，完成3D打印。
在實操過程中，完成面部近似后，還能和客戶分享3D模型，即便是遠在地球另一端，也能在幾秒后到達。3D打印時，還能在屏幕上查看，幾小時后，就能正常使用。
3D掃描與3D打印在人體解剖教育中的應用
鄧迪大學的數(shù)字制造設備中，有28臺不同的三維掃描儀，Houlton和他的學生常常會將Spider的掃描3D打印出來，當然，還有鄧迪大學其他幾款埃太科掃描儀Eva和Space Spider的掃描。
Space Spider是Spider的替代品，它具有老款的全部功能，同時，還采用高級電子元件，新增了強大的溫度穩(wěn)定功能。
Artec Space Spider
幾年前，經(jīng)埃太科三維金牌合作商Patrick Thorn的引薦，鄧迪大學法醫(yī)藝術(shù)和面部成像碩士項目就啟用了埃太科掃描儀，作為課程的一部分。
在教育、文化遺產(chǎn)、法醫(yī)、醫(yī)療等領域，Thorn具有豐富的三維掃描經(jīng)驗，致力于理解客戶真實需求，幫他們盡可能集成解決方案。他還在英國各地為客戶舉行工作坊，足跡從康沃爾郡最南端一直到蘇格蘭北部。
讓3D打印的逼真頭骨、骨骼進課堂
3D打印對于在鄧迪大學教授人體解剖學有多重要？Houlton這樣回答：“我們經(jīng)常使用3D打印的頭骨和其他骨骼，因為這種模型處理方式對學習過程而好處多多。在這方面，埃太科掃描儀又立了大功?！?
他繼續(xù)補充道：“打個比方，如果我們把Spider掃描的顱骨解剖結(jié)構(gòu)3D打印出來，再和其他掃描儀完成的模型并排擺放，就會看到在細節(jié)、準確度、真實度等方面差異巨大。”
在過去一項案例分享中，鄧迪大學就表態(tài)，他們會在每個學期不斷加大3D掃描和打印的操作比重。
對于該校的醫(yī)學和法醫(yī)藝術(shù)學生而言，待到畢業(yè)時，他們就能熟練操作埃太科三維掃描儀，用短短幾分鐘，掃描人體206塊骨骼，并轉(zhuǎn)換成逼真的3D模型，直接用于AR、VR、3D打印，或在Freemform中進行面部近似。
無限可能：臉部分解、記載萬人坑
最近一項項目中，Houlton需要和威特沃特斯蘭德大學一起前往南非。屆時，他需要和博士生、學術(shù)團隊一起研究人體分解對于人臉的影響，找出死亡后尸體變化的程度，并確定這種變化對人臉識別有何影響。
此外，Houlton還希望能和奧尼克考古研究中心一起開展項目，在當?shù)睾头侵薏煌瑖液偷貐^(qū)，為萬人坑遺址做好真實的記載工作。
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