化石標本的虛擬及現實三維重建研究

劉海艷 陸映峰

摘 要：利用CT掃描以及計算機三維可視化技術可可以實現化石標本的重建，在重建標本內部形態的過程中也可以形成動態的交角三維圖形，并且在此基礎上可以進行解剖和研究。除了技術之外，化石標本本身的質量也會影像3D虛擬解剖的質量。三維可視化技術使用的軟件功能會影響虛擬解剖的效果。

關鍵詞：化石標本；虛擬；三維重建

在信息技術的發展過程中，CT掃描儀以及三維可視化技術的發展推動了古生物學研究的發展，借助先進的技術可以實現對化石標本的無創解剖，為古生物學家研究化石標本提供了更可靠的技術支持，有助于細致研究化石標本的內部形態。在研究化石標本的虛擬和現實三維重建的過程中，提高相關技術的精度和準確度能夠促進對化石的進一步研究。

一、化石標本的虛擬三維解剖

（一）化石標本虛擬3D解剖的步驟

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

（二）系列CT掃描切片的分析

結合標本的大小以及觀察的內容選擇CT掃描儀進行掃描，然后要注意掃描儀配套的設備以及相關的數據會重建成一系列的二維掃描切片圖像。在這一過程中，得到了相應的切片圖像數據即可對其進行形態的分析。在分析的過程中，可以在切片圖像中獲取形態構造。

（三）系列CT掃描切片影像的圖形分割

由于現生骨骼標本缺乏外來物的填充，因此在進行圖形分割的過程中可以使用自動或者是半自動的方式。但是化石標本在搬運之后，會因為軟組織的腐爛填充滿一些空穴，導致標本內部的密度出現較大的變化，結合空穴填充的情況分析，發現物質密度和原本的結構存在差別。為了做好圖形的分割，需要提取不同的器官和組織，完成比較解剖學研究。為了完成分割提取的工作，要結合每個二維切片影響進行分析，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行相關器官的勾畫。如果影像質量低，要在分割之后修改[1]。

二、從化石標本的虛擬到現實三維重建

（一）從平面三維到現實三維

結合CT掃描的數據重建的虛擬標本進行分析，顯示的狀態應該是靜態或者動態的三維圖像。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交角隨著視點的變化出現變化的情況，為了將視覺上的現實三維變為現實，就要突破平面的表達。目前有一些廠家研發出來的三維打印成型機可以利用CT掃描數據來重建虛擬三維標本數據，按照需要的比例最終可以打印出現實三維的雕塑標本。

（二）現實三維仿真標本的解剖

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

（三）化石標本虛擬和現實三維重建的前景

使用化石標本的CT掃描以及三維可視化的技術具有明顯的優勢，主要是可以讓古生物學家在計算機上進行珍稀化石標本的解剖，通過對化石標本更加細致的研究和分析，結合其內部形態研究演化的過程等。除此以外，人們也可以利用三維打印成型機按照不同的比例來復制虛擬標本的仿真模型，在研究的同時，古生物學家可以利用這一仿真模型來進行具體的研究，有助于促進研究的進一步發展。隨著CT掃描儀的不斷研究和發展，將不斷提高其分辨率和質量。三維可視化技術也在不斷進步，利用三維打印成型機可以提高打印的精度。隨著使用成本的不斷降低，可以擴大技術的使用范圍，建立三位虛擬標本數據庫，在互聯網上就可以實現標本的傳真，因此便于更多不同地區的人參與研究[3]。

三、結論

化石標本的虛擬和現實三維的重建是一個復雜的過程，但是基于目前已經具備的技術來看，未來的三維可視化技術以及CT掃描儀的發展可以為人們帶來更多的便利，這要求相關的技術人員不斷努力，從而為古生物學家研究化學提供更有力的技術支持。

參考文獻：

[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本三維數字化與虛擬展示[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[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 掃描與腦形態特征[J].科學通報，2008，53（13）：1570-1575.