化石標(biāo)本的虛擬及現(xiàn)實三維重建研究

劉海艷 陸映峰

摘 要：利用CT掃描以及計算機(jī)三維可視化技術(shù)可可以實現(xiàn)化石標(biāo)本的重建，在重建標(biāo)本內(nèi)部形態(tài)的過程中也可以形成動態(tài)的交角三維圖形，并且在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行解剖和研究。除了技術(shù)之外，化石標(biāo)本本身的質(zhì)量也會影像3D虛擬解剖的質(zhì)量。三維可視化技術(shù)使用的軟件功能會影響虛擬解剖的效果。

關(guān)鍵詞：化石標(biāo)本；虛擬；三維重建

在信息技術(shù)的發(fā)展過程中，CT掃描儀以及三維可視化技術(shù)的發(fā)展推動了古生物學(xué)研究的發(fā)展，借助先進(jìn)的技術(shù)可以實現(xiàn)對化石標(biāo)本的無創(chuàng)解剖，為古生物學(xué)家研究化石標(biāo)本提供了更可靠的技術(shù)支持，有助于細(xì)致研究化石標(biāo)本的內(nèi)部形態(tài)。在研究化石標(biāo)本的虛擬和現(xiàn)實三維重建的過程中，提高相關(guān)技術(shù)的精度和準(zhǔn)確度能夠促進(jìn)對化石的進(jìn)一步研究。

一、化石標(biāo)本的虛擬三維解剖

（一）化石標(biāo)本虛擬3D解剖的步驟

首先要進(jìn)行化石標(biāo)本的CT掃描工作，即系列CT掃描切片影像的重建，對掃描的影像進(jìn)行分析并且進(jìn)行圖形的分割，完成系列分割圖形的3D重建，然后將虛擬3D標(biāo)本的測量以及形態(tài)的觀察進(jìn)行比較。

（二）系列CT掃描切片的分析

結(jié)合標(biāo)本的大小以及觀察的內(nèi)容選擇CT掃描儀進(jìn)行掃描，然后要注意掃描儀配套的設(shè)備以及相關(guān)的數(shù)據(jù)會重建成一系列的二維掃描切片圖像。在這一過程中，得到了相應(yīng)的切片圖像數(shù)據(jù)即可對其進(jìn)行形態(tài)的分析。在分析的過程中，可以在切片圖像中獲取形態(tài)構(gòu)造。

（三）系列CT掃描切片影像的圖形分割

由于現(xiàn)生骨骼標(biāo)本缺乏外來物的填充，因此在進(jìn)行圖形分割的過程中可以使用自動或者是半自動的方式。但是化石標(biāo)本在搬運(yùn)之后，會因為軟組織的腐爛填充滿一些空穴，導(dǎo)致標(biāo)本內(nèi)部的密度出現(xiàn)較大的變化，結(jié)合空穴填充的情況分析，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)密度和原本的結(jié)構(gòu)存在差別。為了做好圖形的分割，需要提取不同的器官和組織，完成比較解剖學(xué)研究。為了完成分割提取的工作，要結(jié)合每個二維切片影響進(jìn)行分析，注意影像的像素越高其分辨率也越高，也更容易鑒別。在影像質(zhì)量較高的前提下，分割工作比較容易完成，利用定義勾畫器官的首位兩個切片即可進(jìn)行相關(guān)器官的勾畫。如果影像質(zhì)量低，要在分割之后修改[1]。

二、從化石標(biāo)本的虛擬到現(xiàn)實三維重建

（一）從平面三維到現(xiàn)實三維

結(jié)合CT掃描的數(shù)據(jù)重建的虛擬標(biāo)本進(jìn)行分析，顯示的狀態(tài)應(yīng)該是靜態(tài)或者動態(tài)的三維圖像。在使用了視差處理的方式后，使用偏振投影儀投于屏幕可以形成交角三維圖像，這種圖像有明顯的透視立體感，而且還具備兩眼實現(xiàn)交角隨著視點的變化出現(xiàn)變化的情況，為了將視覺上的現(xiàn)實三維變?yōu)楝F(xiàn)實，就要突破平面的表達(dá)。目前有一些廠家研發(fā)出來的三維打印成型機(jī)可以利用CT掃描數(shù)據(jù)來重建虛擬三維標(biāo)本數(shù)據(jù)，按照需要的比例最終可以打印出現(xiàn)實三維的雕塑標(biāo)本。

（二）現(xiàn)實三維仿真標(biāo)本的解剖

可以利用計算機(jī)重建標(biāo)本，得到的是一個三維的虛擬影像，所以這種解剖和實體的標(biāo)本沒有太大的關(guān)系，如果將標(biāo)本做CT掃描獲取數(shù)據(jù)也不會破壞標(biāo)本。所以利用這一技術(shù)對標(biāo)本進(jìn)行解剖時，可以稱之為無創(chuàng)解剖。結(jié)合CT掃描數(shù)據(jù)重建的現(xiàn)實三維標(biāo)本并不是標(biāo)本的本文，只能是一個復(fù)制品，但是可以實現(xiàn)實體解剖的目標(biāo)。現(xiàn)實三維仿真的標(biāo)本和這種復(fù)制的標(biāo)本幾乎一致，但是仍然存在較大的區(qū)別。這種形式的標(biāo)本在細(xì)微的形態(tài)上無法達(dá)到標(biāo)本直復(fù)制的模型要求，主要是因為CT掃描儀等不具備足夠高的精度。不過在使用現(xiàn)實三維仿真標(biāo)本的過程中，可以根據(jù)掃描的數(shù)據(jù)將包在骨骼內(nèi)的形態(tài)給打印出來，這種技術(shù)則是標(biāo)本直接復(fù)制無法達(dá)到的。因此結(jié)合虛擬三維解剖的標(biāo)本再次打印成型，就是解剖之后的現(xiàn)實三維仿真標(biāo)本，可以直接利用[2]。

（三）化石標(biāo)本虛擬和現(xiàn)實三維重建的前景

使用化石標(biāo)本的CT掃描以及三維可視化的技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，主要是可以讓古生物學(xué)家在計算機(jī)上進(jìn)行珍稀化石標(biāo)本的解剖，通過對化石標(biāo)本更加細(xì)致的研究和分析，結(jié)合其內(nèi)部形態(tài)研究演化的過程等。除此以外，人們也可以利用三維打印成型機(jī)按照不同的比例來復(fù)制虛擬標(biāo)本的仿真模型，在研究的同時，古生物學(xué)家可以利用這一仿真模型來進(jìn)行具體的研究，有助于促進(jìn)研究的進(jìn)一步發(fā)展。隨著CT掃描儀的不斷研究和發(fā)展，將不斷提高其分辨率和質(zhì)量。三維可視化技術(shù)也在不斷進(jìn)步，利用三維打印成型機(jī)可以提高打印的精度。隨著使用成本的不斷降低，可以擴(kuò)大技術(shù)的使用范圍，建立三位虛擬標(biāo)本數(shù)據(jù)庫，在互聯(lián)網(wǎng)上就可以實現(xiàn)標(biāo)本的傳真，因此便于更多不同地區(qū)的人參與研究[3]。

三、結(jié)論

化石標(biāo)本的虛擬和現(xiàn)實三維的重建是一個復(fù)雜的過程，但是基于目前已經(jīng)具備的技術(shù)來看，未來的三維可視化技術(shù)以及CT掃描儀的發(fā)展可以為人們帶來更多的便利，這要求相關(guān)的技術(shù)人員不斷努力，從而為古生物學(xué)家研究化學(xué)提供更有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭思瑩，張潺，郝曉飛，王向東，呂翰林，邱兆文.黑龍江省森林博物館動物標(biāo)本三維數(shù)字化與虛擬展示[J].黑龍江科技信息，2016，（17）：88.

[2]韓秀梅，趙慶英，賀金鑫，王玉芬. 實景虛擬地球演化綜合實驗室的建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2011，30（03）：163-165.

[3]吳秀杰，劉武，董為，等.柳江人頭骨化石的CT 掃描與腦形態(tài)特征[J].科學(xué)通報，2008，53（13）：1570-1575.