化石标本的虚拟及现实三维重建研究

刘海艳 陆映峰

摘 要：利用CT扫描以及计算机三维可视化技术可可以实现化石标本的重建，在重建标本内部形态的过程中也可以形成动态的交角三维图形，并且在此基础上可以进行解剖和研究。除了技术之外，化石标本本身的质量也会影像3D虚拟解剖的质量。三维可视化技术使用的软件功能会影响虚拟解剖的效果。

关键词：化石标本；虚拟；三维重建

在信息技术的发展过程中，CT扫描仪以及三维可视化技术的发展推动了古生物学研究的发展，借助先进的技术可以实现对化石标本的无创解剖，为古生物学家研究化石标本提供了更可靠的技术支持，有助于细致研究化石标本的内部形态。在研究化石标本的虚拟和现实三维重建的过程中，提高相关技术的精度和准确度能够促进对化石的进一步研究。

一、化石标本的虚拟三维解剖

（一）化石标本虚拟3D解剖的步骤

首先要进行化石标本的CT扫描工作，即系列CT扫描切片影像的重建，对扫描的影像进行分析并且进行图形的分割，完成系列分割图形的3D重建，然后将虚拟3D标本的测量以及形态的观察进行比较。

（二）系列CT扫描切片的分析

结合标本的大小以及观察的内容选择CT扫描仪进行扫描，然后要注意扫描仪配套的设备以及相关的数据会重建成一系列的二维扫描切片图像。在这一过程中，得到了相应的切片图像数据即可对其进行形态的分析。在分析的过程中，可以在切片图像中获取形态构造。

（三）系列CT扫描切片影像的图形分割

由于现生骨骼标本缺乏外来物的填充，因此在进行图形分割的过程中可以使用自动或者是半自动的方式。但是化石标本在搬运之后，会因为软组织的腐烂填充满一些空穴，导致标本内部的密度出现较大的变化，结合空穴填充的情况分析，发现物质密度和原本的结构存在差别。为了做好图形的分割，需要提取不同的器官和组织，完成比较解剖学研究。为了完成分割提取的工作，要结合每个二维切片影响进行分析，注意影像的像素越高其分辨率也越高，也更容易鉴别。在影像质量较高的前提下，分割工作比较容易完成，利用定义勾画器官的首位两个切片即可进行相关器官的勾画。如果影像质量低，要在分割之后修改[1]。

二、从化石标本的虚拟到现实三维重建

（一）從平面三维到现实三维

结合CT扫描的数据重建的虚拟标本进行分析，显示的状态应该是静态或者动态的三维图像。在使用了视差处理的方式后，使用偏振投影仪投于屏幕可以形成交角三维图像，这种图像有明显的透视立体感，而且还具备两眼实现交角随着视点的变化出现变化的情况，为了将视觉上的现实三维变为现实，就要突破平面的表达。目前有一些厂家研发出来的三维打印成型机可以利用CT扫描数据来重建虚拟三维标本数据，按照需要的比例最终可以打印出现实三维的雕塑标本。

（二）现实三维仿真标本的解剖

可以利用计算机重建标本，得到的是一个三维的虚拟影像，所以这种解剖和实体的标本没有太大的关系，如果将标本做CT扫描获取数据也不会破坏标本。所以利用这一技术对标本进行解剖时，可以称之为无创解剖。结合CT扫描数据重建的现实三维标本并不是标本的本文，只能是一个复制品，但是可以实现实体解剖的目标。现实三维仿真的标本和这种复制的标本几乎一致，但是仍然存在较大的区别。这种形式的标本在细微的形态上无法达到标本直复制的模型要求，主要是因为CT扫描仪等不具备足够高的精度。不过在使用现实三维仿真标本的过程中，可以根据扫描的数据将包在骨骼内的形态给打印出来，这种技术则是标本直接复制无法达到的。因此结合虚拟三维解剖的标本再次打印成型，就是解剖之后的现实三维仿真标本，可以直接利用[2]。

（三）化石标本虚拟和现实三维重建的前景

使用化石标本的CT扫描以及三维可视化的技术具有明显的优势，主要是可以让古生物学家在计算机上进行珍稀化石标本的解剖，通过对化石标本更加细致的研究和分析，结合其内部形态研究演化的过程等。除此以外，人们也可以利用三维打印成型机按照不同的比例来复制虚拟标本的仿真模型，在研究的同时，古生物学家可以利用这一仿真模型来进行具体的研究，有助于促进研究的进一步发展。随着CT扫描仪的不断研究和发展，将不断提高其分辨率和质量。三维可视化技术也在不断进步，利用三维打印成型机可以提高打印的精度。随着使用成本的不断降低，可以扩大技术的使用范围，建立三位虚拟标本数据库，在互联网上就可以实现标本的传真，因此便于更多不同地区的人参与研究[3]。

三、结论

化石标本的虚拟和现实三维的重建是一个复杂的过程，但是基于目前已经具备的技术来看，未来的三维可视化技术以及CT扫描仪的发展可以为人们带来更多的便利，这要求相关的技术人员不断努力，从而为古生物学家研究化学提供更有力的技术支持。

参考文献：

[1]郭思莹，张潺，郝晓飞，王向东，吕翰林，邱兆文.黑龙江省森林博物馆动物标本三维数字化与虚拟展示[J].黑龙江科技信息，2016，（17）：88.

[2]韩秀梅，赵庆英，贺金鑫，王玉芬. 实景虚拟地球演化综合实验室的建设[J].实验室研究与探索，2011，30（03）：163-165.

[3]吴秀杰，刘武，董为，等.柳江人头骨化石的CT 扫描与脑形态特征[J].科学通报，2008，53（13）：1570-1575.