3D 數(shù)字技術(shù)在博物館古生物復(fù)原展示中的應(yīng)用
——以無牙芙蓉龍為例*

童光輝

湖南省地質(zhì)博物館

0 引言

當(dāng)前，科學(xué)普及工作越來越受到國家和大眾的重視，古生物化石作為自然類博物館的明星展品，知名度較高，多數(shù)科普活動都圍繞它展開[1]。盡管古生物化石本身能給觀眾帶來無盡的想像，并且是詮釋生物起源、演化及與環(huán)境演變關(guān)系的科學(xué)依據(jù)，但通過運用新的展示技術(shù)栩栩如生地體現(xiàn)出來，是目前博物館展覽展示的一種趨勢。因此，如何運用新技術(shù)、新手段把化石蘊含的科學(xué)信息以高效、直觀、多維度、立體化的方式展示出來，是自然類博物館面臨的新課題。3D 數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，為博物館古生物化石的陳列展示提供了全新的展示方式和發(fā)展方向，極大地延伸了博物館服務(wù)空間，拓展了博物館教育功能，成為滿足社會大眾的多層次多方位需求的有效途徑[2-5]。

芙蓉龍（無牙芙蓉龍，Lotosaurus adentus），是一種波波龍科的主龍類爬行動物，生活在距今約2.3億年前的三疊紀時期[6-9]。主龍類這一類群可以被劃分為以假鱷類（Pseudosuchia）為代表的鱷類支系和以鳥蹠類（Avemetatarsalia）為代表的鳥類支系，芙蓉龍即屬于其中的假鱷類[10-13]。而鳥蹠類則包括我們熟知的恐龍類、翼龍類以及一些不屬于恐龍類但是定義為恐龍形類的原始類群。保存完整而豐富的芙蓉龍化石是研究三疊紀爬行動物性狀演化模式的珍貴材料。由于其重要的科學(xué)價值，芙蓉龍化石長期以來一直作為湖南省地質(zhì)博物館的鎮(zhèn)館之寶，受到廣大游客的關(guān)注和喜愛，是湖南省重要的自然資源科普載體。應(yīng)用3D 數(shù)字技術(shù)復(fù)原芙蓉龍及其生活環(huán)境，可以更加生動形象地向公眾進行展示與科普宣傳。

1 3D 數(shù)字技術(shù)與古生物復(fù)原

3D 數(shù)字技術(shù)又稱三維技術(shù)，是包括計算機圖形學(xué)、圖像處理、智能接口、人工智能以及高度并行實時計算等一系列高新技術(shù)的匯集，已廣泛應(yīng)用于建筑、文物保護、軍事、醫(yī)學(xué)、影視等眾多領(lǐng)域。古生物化石是已經(jīng)滅絕的生命存在的唯一實物證據(jù)，并且具有重建很久以前消失的生物和生態(tài)系統(tǒng)的巨大潛力。當(dāng)前，3D 數(shù)字技術(shù)在古生物化石相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在化石三維數(shù)據(jù)采集、古生物形態(tài)恢復(fù)和重建（古生物復(fù)原）等，用于為古生物化石的研究與科普宣傳提供高精度的模型。

1.1 化石三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前應(yīng)用于化石三維數(shù)據(jù)采集的技術(shù)主要是X射線技術(shù)及其各種衍生技術(shù)和激光掃描技術(shù)。其中X 射線技術(shù)應(yīng)用最早也最為廣泛。在X 射線于1895年被發(fā)現(xiàn)后的幾個月內(nèi)，古生物學(xué)家就開始利用它來檢查洪斯呂克板巖中黃鐵礦化保存的化石等難以修復(fù)的材料[14]。20 世紀末，層析成像方法與X 射線技術(shù)相結(jié)合而成的X 射線計算機斷層掃描（CT）提供了化石三維成像的無損手段，這在研究稀有或獨特的化石標本時至關(guān)重要。

近幾十年來，高能量高分辨率的改進型Micro-CT 與Nano-CT 使得X 射線CT 技術(shù)在化石三維數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用有了顯著改善[15-18]。尤其是Micro-CT 技術(shù)得到了特別廣泛的應(yīng)用，因為該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)幾微米或更小的分辨率，適用于各種不同尺寸和成分的化石標本。而近些年興起的X 射線同步加速器輻射斷層掃描技術(shù)是所有X 射線層析成像方法中最強大的一種，其基本原理是使用循環(huán)粒子加速器產(chǎn)生極其明亮的X 射線用于成像。同步加速器輻射斷層掃描技術(shù)能夠以極高的分辨率快速掃描化石標本，同時由于它采用單色光源，與多色光源相比，能夠以更高的對比度和更少的偽影實現(xiàn)更好的成像質(zhì)量。

上述幾種X 射線CT 技術(shù)的掃描設(shè)備形狀和尺寸各不相同，在掃描分辨率和可容納樣本大小方面也具有不同的能力。例如，醫(yī)用CT 掃描儀可以容納大樣本，但對于較小的化石，其結(jié)果分辨率可能非常粗糙。許多研究機構(gòu)和工程公司使用的Micro-CT掃描儀可以提供更高的分辨率，但對于掃描樣本的尺寸有限制（通常在20～30 cm 左右）。

其他的化石三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)方案還包括激光掃描技術(shù)與聚焦離子束層析成像技術(shù)（FIB）。激光掃描技術(shù)采用非接觸式高速激光測量來獲取標本的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，通過后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理分析，最終建立三維數(shù)字模型。激光掃描技術(shù)具有設(shè)備輕量化、掃描速度快（百萬點/秒）、掃描精度高（±1mm）的特點，同時由于采集的點云數(shù)據(jù)包含空間信息、顏色信息及反射率值，因此最終建立的三維數(shù)字模型在表面圖案上更加接近化石本身。FIB 層析成像可以獲取迄今為止最高的成像分辨率，但是需要對化石標本上小范圍的研究區(qū)域進行原位順序銑削和成像，因此僅被應(yīng)用在3D 中分析非常小的化石的微觀表面結(jié)構(gòu)[19]。

由于芙蓉龍化石目前以裝架形式展出于湖南省地質(zhì)博物館，整體尺寸約為2.4×0.8×0.6 m。如果采用CT 技術(shù)采集三維數(shù)據(jù)，則必須對化石骨架進行一次拆裝以便逐塊掃描，同時還需要將化石搬運至大型掃描設(shè)備所在地，整個過程中不可避免對化石造成損傷。采用激光掃描技術(shù)則可以將輕量化的設(shè)備搬運至博物館展廳，對化石骨架進行整體掃描，從而有效避免拆裝及運輸過程中對化石造成的損傷，還可以大幅節(jié)省數(shù)據(jù)采集工作時間，減少對標本陳列展覽的影響。

1.2 古生物復(fù)原技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

古生物三維復(fù)原最早可以追溯到20 世紀初，當(dāng)時地質(zhì)學(xué)家威廉·索拉斯（William Sollas）手工研磨圍巖中的化石并定期停下來拍攝研磨表面，隨后利用獲取到的化石的連續(xù)切片圖像翻制蠟?zāi)?，從而可視化化石的三維結(jié)構(gòu)[20]。這種原始的化石三維復(fù)原技術(shù)會徹底地破壞化石本身，而且非常耗時，因此并沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。

進入數(shù)字時代以來，古生物復(fù)原變成了使用計算機軟件在化石（通常是古生物的硬體部分）三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，附加上古生物未保存成化石的軟體部分（如皮膚、肌肉等軟組織部分），并在古生物三維模型內(nèi)部創(chuàng)建活動關(guān)節(jié)以使古生物“動起來”。目前主流的復(fù)雜三維可視化和動畫軟件包括Autodesk Maya 和Blender 兩種。其中Autodesk Maya 由美國Autodesk 公司出品，不僅包括三維和視覺效果制作功能，而且還與最先進的建模、數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運動匹配技術(shù)相結(jié)合，制作效率高，渲染真實感強，是電影級別的高端制作軟件。Blender 則是一款免費開源的軟件，它支持建模、綁定、動畫、模擬、渲染、合成、運動跟蹤等整個3D 創(chuàng)作流程以及視頻編輯和游戲創(chuàng)建。經(jīng)過多年的版本更新與技術(shù)迭代，上述兩款軟件在功能實現(xiàn)上已經(jīng)沒有太大區(qū)別，均可用于對細節(jié)要求較高的古生物復(fù)原。

1.3 古生物數(shù)字復(fù)原技術(shù)在博物館應(yīng)用現(xiàn)狀

2012 年6 月安大略皇家博物館在“終極恐龍：岡瓦納巨獸”專題展中首次引入古生物數(shù)字復(fù)原技術(shù)用于復(fù)活展出的恐龍化石，并應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）實現(xiàn)觀眾與展品間的互動，取得了巨大的成功。近年來，國內(nèi)的大連自然博物館、貴州龍化石博物館先后引入數(shù)字復(fù)原技術(shù)用于復(fù)原館藏的朝陽遼西龍、潘氏抓握鳥及胡氏貴州龍等化石，這些古生物三維數(shù)字模型借助增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）、幻影成像、CG 動畫和3D 打印等技術(shù)應(yīng)用于博物館展陳與文創(chuàng)開發(fā)工作，取得了良好的社會效應(yīng)[21-22]。

2 芙蓉龍科學(xué)復(fù)原

芙蓉龍科學(xué)復(fù)原是在系統(tǒng)全面地研究現(xiàn)有芙蓉龍化石的解剖學(xué)信息及芙蓉龍化石產(chǎn)地所處地區(qū)中三疊世生態(tài)學(xué)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用3D 數(shù)字技術(shù)科學(xué)準確地復(fù)原芙蓉龍及其生活環(huán)境，其實質(zhì)是將科學(xué)和藝術(shù)這兩個各自獨立的領(lǐng)域相融合，讓科學(xué)研究的成果與現(xiàn)代的技術(shù)接軌并以藝術(shù)形式加以呈現(xiàn)。

2.1 芙蓉龍化石三維數(shù)字建模

在對目前常用的三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)綜合比較之后，本項目創(chuàng)造性地應(yīng)用無影勻光點云拍攝+高精度轉(zhuǎn)臺自動拼接技術(shù)，實現(xiàn)了高精度建模的同時對化石無接觸零損傷?；S數(shù)據(jù)采集使用的硬件設(shè)備為MagicBox 箱式掃描儀，由2 臺5 000 萬像素專業(yè)單反攝影系統(tǒng)、5 面無影勻光面光源箱體和1個高精度轉(zhuǎn)臺組成，專業(yè)單反攝影系統(tǒng)獲取的億級像素和全彩紋理可以真實表達化石表面的每個細節(jié)。在數(shù)據(jù)采集的同時，使用Ruler 3D 軟件對化石骨架各角度的模型數(shù)據(jù)進行自動拼接，輸出完整的模型數(shù)據(jù)。

芙蓉龍化石骨架三維建模的實現(xiàn)過程包括以下步驟：

（1）化石骨架三維掃描。將芙蓉龍化石骨架整體放置在MagicBox 箱式掃描儀的高精度轉(zhuǎn)臺上，通過專業(yè)單反攝影系統(tǒng)和點云相機對其進行360°掃描，并同步獲取化石骨架表面高清紋理數(shù)據(jù)。

（2）使用Ruler 3D 軟件的保持結(jié)構(gòu)網(wǎng)格簡化算法，在保持網(wǎng)格原始形狀的前提下簡化化石骨架模型網(wǎng)格；修復(fù)紋理，對掃描過程中漏掉的孔洞進行修補，建立化石骨架白模。

（3）使用曲線裁剪和平面裁剪功能，將化石骨架白模進行拆分，分離出不同材質(zhì)的部位。

（4）在紋理圖片與模型上選擇同名點，解算出照片與模型之間的相對位置和姿態(tài)，并在場景中進行虛擬拍照，判斷姿態(tài)的正確性，從而對模型紋理圖片進行畸變矯正，消除圖片內(nèi)參誤差。

（5）應(yīng)用平面、柱形、球形和長方體映射方法，使用畸變矯正后的無縫紋理，對化石骨架白模進行UV（紋理貼圖坐標）交互式貼圖。

（6）檢查紋理映射后的化石骨架模型，對個別紋理條紋不齊的區(qū)域進行接縫對齊；導(dǎo)入顏色色板，自動調(diào)整模型色調(diào)。

2.2 芙蓉龍化石解剖學(xué)研究

由于本項目研究的芙蓉龍化石目前以裝架狀態(tài)在湖南省地質(zhì)博物館展出，要對化石進行直接接觸不僅存在損壞化石的風(fēng)險，而且對于已裝架固定的化石，很難從不同角度進行觀察。因此，本項目的芙蓉龍化石解剖學(xué)研究主要是通過高精度化石骨架三維數(shù)字模型間接開展，輔以對化石骨架和化石產(chǎn)地原位保存化石材料的形態(tài)觀察。

通過形態(tài)觀察，發(fā)現(xiàn)芙蓉龍解剖學(xué)特征如下：芙蓉龍體長約2.4 m，高約0.8 m，尾部長約1.1 m；頭部頂視為長三角形，長約22 cm，頂部寬闊而較平；上下頜吻端彎曲，咬合時上頜包覆下頜，下頜無牙齒著生；頸部長約28 cm；背神經(jīng)脊骨板拉長，最長者約17 cm；前肢長約44 cm，后肢略長，約48 cm；前腳掌長約18 cm，后腳掌長約22 cm，趾骨末端呈背腹扁平的三角狀；恥骨相對較短，并缺乏擴展的遠端結(jié)節(jié)；腹膜肋長而纖細。

2.3 芙蓉龍數(shù)字復(fù)原建模

芙蓉龍數(shù)字復(fù)原建模是在數(shù)字化石模型與解剖學(xué)研究的基礎(chǔ)上，利用三維動畫軟件對缺失或變形的骨骼化石進行修正和拼接，利用3D 建模、皮毛渲染、骨骼綁定和運動匹配技術(shù)相結(jié)合制作芙蓉龍的復(fù)原模型，模擬其生理機制，讓芙蓉龍“活”起來。值得一提的是，由于化石保存在所難免的不完整性，由破損或完全缺失等因素造成的未知就只能通過前人研究和盡量貼近真實的想像來復(fù)原。針對化石的缺失信息部分，需要在復(fù)原過程中參照親緣關(guān)系較近的其他屬種化石或者現(xiàn)生生物，以盡可能保持復(fù)原的科學(xué)性。

芙蓉龍三維復(fù)原使用的主要軟件是Autodesk Maya 2018，工作過程包括身體結(jié)構(gòu)比例確定、關(guān)節(jié)設(shè)計與聯(lián)動、肌肉設(shè)計、關(guān)節(jié)與肌肉和皮膚綁定聯(lián)動等（見圖1）。具體步驟如下。

圖1 芙蓉龍數(shù)字復(fù)原建模過程

（1）分析芙蓉龍化石骨骼結(jié)構(gòu)，以及頭骨與身體、身體和四肢等各部位之間的比例關(guān)系。

（2）確定最終的比例關(guān)系后，進行基礎(chǔ)的模型定位，構(gòu)建基礎(chǔ)的多邊形。運用Maya 軟件判斷肌肉力臂、關(guān)節(jié)活動范圍和其他一些關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)可以促進對芙蓉龍姿勢與運動的理解，同時參考鱷魚、河馬等現(xiàn)生四足動物骨骼與肌肉的生成規(guī)律，對芙蓉龍的基本形態(tài)做出合理的搭建。值得注意的是，芙蓉龍短而無牙的頭蓋骨顯示了其食草習(xí)性，這為下一步復(fù)原芙蓉龍生態(tài)環(huán)境提供了食性方面的科學(xué)依據(jù)。

（3）參考現(xiàn)生四足爬行動物的皮膚特征，根據(jù)芙蓉龍生活的環(huán)境以及當(dāng)時氣候?qū)又参锏挠绊?，推測出芙蓉龍皮膚的相關(guān)細節(jié)，經(jīng)過數(shù)字渲染出芙蓉龍皮膚褶皺顏色等信息。由于芙蓉龍生存于干旱炎熱氣候下河流漫灘環(huán)境，因此本項目使用現(xiàn)代相似生活環(huán)境中河馬的皮膚作為原始素材，繪制平面紋理貼圖。

（4）根據(jù)芙蓉龍體型及骨骼解剖學(xué)特征，構(gòu)建骨架、制作芙蓉龍活動關(guān)節(jié)，將活動關(guān)節(jié)與芙蓉龍數(shù)字模型綁定，渲染出符合芙蓉龍生理結(jié)構(gòu)特征的行走規(guī)律的動畫。

3 芙蓉龍生活環(huán)境復(fù)原

為了科學(xué)準確地復(fù)原芙蓉龍的生活環(huán)境，本項目在收集整理芙蓉龍化石產(chǎn)地所處地區(qū)中三疊世古生態(tài)、古環(huán)境和古地理相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上，對芙蓉龍化石產(chǎn)地開展了野外考察，調(diào)查芙蓉龍化石產(chǎn)地中三疊世古生態(tài)、古環(huán)境和古地理信息，為科學(xué)復(fù)原芙蓉龍生活環(huán)境、建立場景數(shù)字模型提供了科學(xué)依據(jù)。

芙蓉龍化石產(chǎn)地位于歐亞板塊東部的揚子板塊桑植—石門北東東向褶皺帶，桑植—官地坪向斜中部東南翼。芙蓉龍化石產(chǎn)于中三疊統(tǒng)巴東組下段紫紅色泥質(zhì)粉砂巖中，化石層呈透鏡體狀，平均厚度約30 cm。

3.1 三疊紀古地理

三疊紀始于距今2.52 億年，結(jié)束于距今2.01 億年前，其開始為二疊紀末生物大滅絕后的殘留和復(fù)蘇階段，結(jié)束則以生物大滅絕事件為標志。在三疊紀開始時，仍然繼承著二疊紀末形成的盤古泛大陸，幾乎所有的大陸都聚合成C 形的超級大陸。盤古泛大陸覆蓋地球表面約四分之一，在經(jīng)度約為60°的狹窄帶中從北緯85°延伸到南緯90°。在東部，巨大的海灣深入盤古大陸，形成古特提斯洋。泛大洋覆蓋了地球的其余部分，從北極延伸到南極，覆蓋赤道的寬度是當(dāng)今太平洋的兩倍。

芙蓉龍化石產(chǎn)地所處的華南板塊在三疊紀時期屬于特提斯多島洋體系的一部分，位于盤古泛大陸東部的赤道低緯度地區(qū)[23-24]（見圖2）。巴東組地層總體呈向上變淺的序列，其特征是西部為深水濁積巖，東部為較淺的臺地碳酸鹽巖和潮坪碎屑巖。然而，野外工作發(fā)現(xiàn)桑植地區(qū)至少有一部分2 段的沉積存在完全大陸性條件，湖北省中部2 段頂部附近也記錄了完全沖積相[25]。這些觀察結(jié)果表明，當(dāng)?shù)? 段地層被沉積時，華北與華南兩個板塊已經(jīng)發(fā)生碰撞，并且動物區(qū)系交換是可能的。

圖2 芙蓉龍化石產(chǎn)地三疊紀古地理復(fù)原圖

3.2 三疊紀古氣候

三疊紀時期的全球氣候條件似乎比現(xiàn)在更加均勻。沒有極地冰存在，赤道和兩極之間的溫差沒有今天那么懸殊。芙蓉龍化石產(chǎn)地所處的華南板塊在三疊紀時期位于赤道附近，意味著芙蓉龍很可能生活在干燥炎熱的古氣候條件下。而野外沉積學(xué)研究也證明了這一點。芙蓉龍化石剖面露頭有許多沉積構(gòu)造，包括交錯層理、爬坡波紋、上平面層理、凹槽和碎裂碎屑，以及點壩側(cè)向堆積的證據(jù)，這些沉積構(gòu)造均與河流漫灘沉積環(huán)境相一致。此外，該剖面還含有豐富的大陸遺跡化石（包括根跡）、泥裂縫和上覆下伏層位的古土壤。某些地層中存在小型碳酸鈣結(jié)核、弱至中等土層發(fā)育、根系、滑面和塊狀構(gòu)造，這些都指示了季節(jié)性的干旱氣候環(huán)境[26]。

3.3 芙蓉龍生活環(huán)境植被復(fù)原

中國三疊紀植物地理分區(qū)包含以古昆侖山—古秦嶺—古大別山為界的南、北兩大植物地理區(qū)。芙蓉龍化石發(fā)現(xiàn)地屬于其中的南方植物地理區(qū)，陸地植被特征以裸子植物的興盛為代表[27]。本項目選取了當(dāng)時最具代表性的陸地植物桫欏、蘇鐵、松樹和銀杏，制作了芙蓉龍生活環(huán)境復(fù)原場景（見圖3）。

圖3 芙蓉龍生活環(huán)境復(fù)原場景

4 成果應(yīng)用

應(yīng)用終端圖像識別技術(shù)和終端三維展示技術(shù)，芙蓉龍3D 數(shù)字復(fù)原模型以CG 動畫和增強現(xiàn)實互動展項的形式應(yīng)用于湖南省地質(zhì)博物館生命演化廳，以數(shù)字模型為載體，搭配AR 識別、娛教游戲、影音講解等方式，展示芙蓉龍相關(guān)科普知識。該展項不僅豐富了實體博物館的展覽展示手段，激發(fā)了觀眾的好奇心，而且借助移動互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了對自然資源科普知識更深入、更廣泛、更持久的傳播。

5 結(jié)語

古生物化石是生命演化歷史的實證材料，是寶貴的不可再生的地質(zhì)遺跡，是開展環(huán)境保護和生態(tài)文明科普宣傳的重要載體。深入挖掘古生物化石知識，講好地球故事，同時應(yīng)用新技術(shù)創(chuàng)新科普傳播手段，打破地域和時空的限制，拓寬受眾面，既是貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的“兩翼”的重要論述精神，也是在新時代努力探索古生物化石保護利用之路的重要舉措。