No Bones About It——三角恐龙骨骼的再创建过程

史密森国家历史博物馆竭力不再让历史重演。6\\,500万年前，三角食素恐龙（我们称之为'三角恐龙'）灭绝了；如今，它的化石也将面临着同样的命运。世界上第一架三角恐龙的骨骼陈列近100年后，为了不让骨骼进一步受到大气的磨损，博物馆不得不分解骨骼样品，然后用复制品来替换。当着手开始这项重建工程时，为了纠正科学家在1905年创建恐龙骨骼时的不精确性，史密森国家历史博物馆的科学家们用一系列的数码科技，包括3D扫描和立体平版印刷术重写了历史。

通过用一个高分辨率的扫描仪来数字化处理三角恐龙的骨骼，
史密森国家历史博物馆不仅能创建一个精确的物理副本，
还能为恐龙的动作制作精确的动画，以便更好的了解它的行动。

　　举例说明，一架骨骼至少要由15只类似的三角恐龙合成。使用不同个体的骨骼是很好的办法，因为找到一个完全一样的恐龙骨骼几乎是不可能的。因此，在开始建造骨骼时，博物馆的预备人员不得不作好临时准备。由于三角恐龙的足骨很难找到，所以他们用与恐龙的形状相似的其它动物的足骨来代替。当左骼骨和左肩胛骨要与它们的右部相匹配时，工作人员用了一个小头骨和比右部小的左肱骨。
　　在1999年中旬分解骨骼之前，博物馆与Scansite扫描服务队签订了合同来监督化石扫描。在他们用复制品取代骨骼样本之前，这个程序将会提供给科学家们一个样本的数字档案。一旦化石拆下来，工作小组也抓住有利时机对大部分的化石逐个的进行扫描。

对整体骨骼进行扫描后，接下来每个骨骼都要进行高分辨率的扫描。

　　据Scansite的共同创办人Lisa Federici所知，除了拆卸（化石），最重要的一步就是获得3D数据。一旦获得数据，许多免费或付点儿薪金的卖主会提供另外一些数字应用程序。"扫描是联系真实世界和计算机的无形的纽带，"她说，"它特别适合于恐龙化石，很难找到另外的在不损坏样本的情况下就能测量器官形状的方法。"
　　玩具制造厂商Hasbro根据扫描数据用一个3D系统的SLA7000立体平版印刷机器创建了与原化石的比例为1:6的模型。这些塑胶状的模型能让博物馆的古生物学家容易的操作缩小了的骨骼节点来检测有关恐龙的运动范围的理论，并帮助工作人员为新骨骼确定一个更精确自然的姿势。另外一些公司为头骨和一些特定骨骼创建了大小尺寸一样的替代品。

　　将扫描数字化
　　Scansite和它的转包商用一个Steinbichler Optotechnik OptoTrak（光学追踪）扫描系统收集了所有的恐龙数据，在它分解之前，将原骨骼的关键顶点进行数字化处理。通过在骨骼上设置约100个顶点作为标记，工作人员捕捉到了恐龙原有的陈列姿势，这样，250多个骨骼和骨骼碎片的复制品就能重新组装成原来的姿势。
　　当骨骼拆卸下来后，工作人员用高分辨率的扫描仪从挑选出的100多个上等骨骼中搜集数据。 对于大部分的小骨骼，他们用的是Cyberware激光扫描仪，它从一个放置在浅盆状器具上的物体获得顶点数据。对于大骨骼他们用一个Steinbichler Comet扫描仪--一个在三角架上运行的轻便光学扫描仪。
　　将恐龙的6.5英尺长、带有一个后褶皱和复杂的内部孔穴的头骨进行数字化处理是另外一个挑战。因为它的脆弱性和重量（连附在上面的木质和钢的支撑物大约有500至600磅），工作人员不得不在拆卸之前对它进行扫描，为Comet扫描仪造成许多视觉麻烦。
　　三个星期的扫描工作后，工作人员获得了总容量为20GB的将近200个顶点阵数据的文件，然后把它们交给处理顶点阵数据的Virtual Surfaces公司的主席Art Andersen来编辑一只虚拟恐龙。他说："由于头骨很特别，数据中有许多漏洞，所以我必须用镜面反射其它的部位（镜面成像）的方法补充数据，以此来创建一个固体模型。"解决不完整的头骨数据问题后，Andersen得到了Nvision公司的帮助，为了捕捉后褶皱里难以接触的地方的详细资料，Nvision公司使用了附在一个FARO机械臂上的轻便的ModelMaker激光扫描仪。

由于扫描恐龙巨大的头骨时会受到附在化石上的钢质和木质支撑物的阻扰，
因此，在创建数字化模型之前，编辑数据时必须得填充点阵数据中的漏洞。

　　Andersen还删除了一些与附在化石上的钢质支撑物连在一起的扫描顶点，这样，虚拟骨骼就更类似于化石的初始形状。
　　为了使头骨数据有利于制作动画和（恐龙）原形，Andersen用SDRC（Structural Dynamics Research Corporation结构动力学研究公司）的在DEC Alpha工作室运作的Imageware Surfacer软件。史密森国家历史博物馆的Chapman说到："亚采样点阵数据的过程是一个配平行为，Andersen必须要保留足够的顶点为一些特殊的应用软件提供极为精确的数据，但不要保留太多，以致损坏计算机。"
　　利用Surfacer软件，Andersen为每个骨骼多边形化处理了亚采样点阵数据，然后，通过从（骨骼）样本的反面对对称骨骼进行镜面成像来为难以处理的骨骼（左肱骨、髂骨和肩胛骨）创建一个新的、完整版本。接下来，利用从扫描数据中得来的固定顶点，他在虚拟空间里重建了原有的骨骼姿势。
　　为了给肱骨、髂骨和肩胛骨的"配偶"创建原形，Satellite Models公司的经理Kelly Hand用Solid Concept公司的SolidView快速成原形软件来观察Andersen提供的STL（Standard Template Library标准模板库）文件，并创建了对称骨骼的镜面图像。然后，他把文件输进Vero International Software（英国）公司的Visi-Series CAD/CAM软件，为了用CNC五轴碾磨机来制造无数的工具通道，此软件中，每个骨骼平均撰写有40个程序。
　　Hand把（骨骼）碾磨的过程比作开始开凿化石的过程，这两个程序都是用一个大的材料堵塞器来开始运作的，被阻塞过剩下来的材料要经过小型工具的过滤直到最终的"骨骼"显露出来。

　　3英尺长的肱骨和肩胛骨很容易通过一个像泡沫状物质的Renshape阻塞器。相反，包含有许多悬垂和腰部骨的5英尺长的髂骨就很难通过了，需要从CAD图像中把突出的数据切除并单独碾磨它们，然后把它们粘贴成整体并进行整体碾磨。

　　工作进展
　　对于Shared Replicators公司的经理Ron Jones来说，为了数字化处理重建的三角恐龙头部，最棘手的问题就是怎样精确地把7英尺长的头骨和下颚从一个带有不足2英尺的结构膜的3D System（3D系统）的SLA7000立体平版印刷器中输出来。Shared Replicators的工作小组采取的办法是把它们输进3Dsystems的Lightyear软件进行规划和设置之前，用SolidView软件把数据分为35个水平垂直的块。数据文件就会单独的输出来，然后用一个图像绑定程序把它们完整的连接起来。这个程序一般用于汽车航空工业界创建较大的原模型。

史密森博物馆利用数字化的扫描数据制作出了恐龙的胸椎骨（上左图）
和肋骨（上右图）的详细的3D图像。通过扫描，博物馆已经建造出了
一个完全清晰的数字化三角恐龙，这对以后研究动物解剖学很有益处。

　　工作小组面临的一个问题是要保持骨骼的完整性。"当扫描工作基本结束后，复制工作所需的技术问题还没得到解决，"Ron Jones说，"扫描技术人员和编辑数据的Andersen知道扫描数据将有利于建造一个小型模型，并且，多边形文件对于由Jason Dickman（Shared Replicators 公司实验操作室的副经理）在Hasbro（玩具生产厂商）制作出的与原模型比例为1:6的模型也十分有利。但是，当我们把此文件放大来创建全长的头骨时，许多多边形显得太明显。我们创建了许多有圆齿的部分而不是一个平滑的轮廓，这样需要大量的手工操作去磨平和填充。"