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概要： 圣克勞德大學視覺化實驗室（VizLab）決定根據(jù)學校博物館的標本，建立一個互動式虛擬頭骨博物館?？墒褂?D掃描，但必須遵守一條原則：不可使用任何標記或貼紙。
目標：使用Artec 3D手持式掃描儀將博物館易碎藏品放在轉(zhuǎn)臺上掃描，包括頭骨和其他一些珍貴物品，隨后為其制作高度準確的彩色3D模型。
使用工具：Artec Eva, Spider, Artec Studio
通常你不會認為觀察一只死去動物的頭骨是一件有意思的事，但是明尼蘇達州立圣克勞德大學可視化實驗室團隊卻能讓你懷疑自己的審美偏好。觀看如下互動式頭骨博物館創(chuàng)意視頻，您定會認為將大學博物館收藏的系列頭骨進行視覺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節(jié)豐富的3D頭骨圖像，正因為如此，我們要感謝Artec Spider以及Artec Studio 10.
“除了使用Spider，我們找不到其他實際可行的方法。”可視化工程師、可視化實驗室負責人Mark Gill說道。
頭骨博物館僅是可視化實驗室正在展開的數(shù)個項目之一。其使命是為大學社區(qū)的復雜需求開發(fā)可視化、體驗式及多媒體解決方案。對于一些商業(yè)軟件無法滿足的需求，實驗室可提供軟件支持課堂教學、科研實驗室活動?！拔覀兣c教職員工合作，提供能完全滿足其需求的實驗室體驗?！盡ark說道。實驗室制作軟件的學生也可從中學習到普通課程中難以獲得的高新科技和知識。
該實驗室最近剛購置了兩臺Artec 3D掃描儀——Eva和Spider，從而實現(xiàn)了互動式頭骨博物館的設想。
“購置Spider和Eva以前，我們實驗室沒有太多類似的工作。”Mark Gill說道，“我們使用過3DS Max之類的工具，大多數(shù)模型都是手動完成，但始終無法完成實物的高精度掃描。之前我們使用過消費者級別的掃描儀，以滿足掃描大型物體的需求。此外，我們還嘗試使用攝影測量法，但效果不一?！?
Spider填補了實驗室向來空缺的利基市場，例如，實現(xiàn)了老舊機械零件逆向工程、制作箭頭、陶片等文物3D模型。實驗室團隊現(xiàn)在可以對無價的文物進行3D打印，并為借出的博物館藏品制作電子檔案?！癝pider掃描文件精細優(yōu)質(zhì)，因此我們現(xiàn)在開始考慮對于掃描的物體進行表面幾何圖案的分析。”Mark說道。
他表示，藝術(shù)學院也對此產(chǎn)生了興趣，正計劃對雕像進行3D掃描以加入多媒體項目。憑借Spider這樣出色的工具，他們可以將實體媒介迅速融入到虛擬空間。他們還計劃對用戶進行掃描制作虛擬環(huán)境下的擬人頭像。
實驗室還升級至Artec Studio 10，工作人員對此十分滿意。
“這還是修復3D打印網(wǎng)格錯誤的工具?！盡ark補充道，“我可以導入幾乎所有格式的模型文件，通過重新劃分網(wǎng)格，或高度整合幾組網(wǎng)格，迅速做好物理樣機處理的準備?！?
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胞微生物，AS 10同樣十分出色。此類數(shù)據(jù)通常帶有一些雜音和多余數(shù)據(jù)。但通過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)在我們來進一步了解AS 10及Spider是如何為特定項目——互動式頭骨博物館工作的。博物館展出了州立圣克勞德大學收藏的一系列哺乳動物頭骨，最小的動物是老鼠，最大的是牛。他們擁有不同的表皮、肌理和尺寸。負鼠、赤狐等小型標本光澤度高，幾近透明。項目下一步就是Mark已經(jīng)開始著手做的類人猿頭骨數(shù)字化工作。
該博物館起初是生物學學生對系統(tǒng)生物祖先特征進行研究練習的實驗室。該項目當時滿足了學校生物項目的特定需求。
為掃描每一件頭骨，Mark使用了一款可旋轉(zhuǎn)掃描儀，并隨機做上標記方便操作。部分頭骨由于肌理豐富，因此無需標記，而對于其他頭骨來說，這一步至關重要。
一些小型標本整個掃描過程大約需要一小時。每個標本的頭骨和下頜均需分開掃描。頭骨部分由復雜的有機結(jié)構(gòu)組成，因此Mark為每個部分進行八次掃描，以確保獲得了類似牙齒這類部位各個角度下的特征。
“由于這些標本是從博物館借來的，所以若不是萬不得已，我不想做任何標記或涂抹任何粉末，”Mark說道，“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、下頜作為不同項目分開掃描。僅僅鹿頭骨就進行了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，整個頭骨首先完成分辨率為1毫米的高度整合過程。最終，老鼠標本形成近乎100萬個弧面，鹿標本形成約400萬個弧面。其他標本弧面數(shù)位于100萬-400萬之間。
Mark復制鹿頭骨網(wǎng)格后，開始進行簡化工作，并為不同部位的網(wǎng)格版本添加所需要的肌理。
“AS10進行的網(wǎng)格簡化是我見過很棒的?！盡ark說道，“其他工具包允許你設置某些參數(shù)，但弧面數(shù)就像擲篩子一樣毫無定數(shù)，若精度提升十倍，質(zhì)量便會大幅下降。使用AS10的話，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隨后設置了4096x4096的肌理，并以.obj文件格式導出了簡化后的網(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/下頜骨進行配對整合。他按照原本的樣子將模型拼接起來，并將兩者模型初始值重設為相同點數(shù)和對齊方式，這樣的話，它們既可以共同操作，又可以單獨展示。
整合完成后，Mark將文件導出，但下頜與頭骨依然以.FBX Autodesk媒體內(nèi)置的文件單獨保存。
現(xiàn)實中的頭骨博物館配備了Unity 5游戲引擎?！拔疫€打算應用于多點觸控的平板電腦上，所以目前正在使用一個叫做Gestureworks的框架來處理觸控操作，”Mark補充道。Unity可以對大多數(shù)種類的3D互動應用進行快速成型操作?！癈#作為編程語言，我可以為頭骨的特定操作行為設計程序；在游戲引擎中控制移動軌跡，例如如何操作可以縮放或張嘴?！盪nity還有一系列控制工具可輕易操控燈光和其他視覺效果。
“目前原型應用已經(jīng)完成，我們會展示給生物學院教師看，了解是否滿足他們的需求?！盡ark說道，“最后我們還會讓學生來操作這些標本，并與其他標本作比較，而且學生無需為操作過程損傷標本而擔心?！?
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