Interaktywne Muzeum Czaszki: dzięki skanerom 3D

Interaktywne Muzeum Czaszki: ciekawe spojrzenie na studium skamieniałości

Zwykły człowiek nie pomyślałby nawet, że oglądanie czaszki martwego zwierzęcia może być ciekawe, jednak zespół z wydziału Laboratorium Wizualizacji z Uniwersytetu St. Cloud w Minnesocie sprawił, że teraz możemy zweryfikować nasze preferencje. Oglądając ten film, stanowiący dowód zrealizowanej koncepcji Interaktywnego Muzeum Czaszki, trzeba przyznać, że pomysł wizualizacji kolekcji czaszek pochodzących z muzeum uniwersyteckiego okazał się miłym zaskoczeniem.

Niesamowity efekt

Ten fascynujący efekt można również przypisać niezwykle szczegółowym obrazom 3D czaszki. Podziękowania należą się firmie produkującej skaner 3D Spider i oprogramowanie Artec Studio 10.

„Tak naprawdę to skaner Spider służy zupełnie innym celom.” – opowiada inżynier Mark Gill, szef Laboratorium Wizualizacji.

Program Artec Studio 10 okazał się doskonałym narzędziem do oczyszczenia i przedstawienia danych ze skanującego mikroskopu elektronowego. Dane to to np. powierzchnia kryształu o kilku mikrometrach średnicy, lub organizmy jednokomórkowe. Dane te zazwyczaj przychodzą z pewną ilością zakłóceń i dodatkowych informacji. Funkcje do edycji Artec Studio 10 umożliwiają oczyszczenie z niepotrzebnych zakłóceń i łączenie siatki.

Misja Laboratorium

Muzeum Czaszki jest zaledwie jednym z kilku projektów, które powstają w Laboratorium. Jego misją jest tworzenie wizualizacji, doświadczalnych i multimedialnych rozwiązań dla złożonych potrzeb społeczności uniwersyteckiej. Polega ona na dostarczaniu specjalnego oprogramowania, trudno dostępnego na rynku, na zajęcia jako wsparcia badań i eksperymentów laboratoryjnych, nawet tych najtrudniejszych.

„Współpracujemy z pracownikami Wydziału Biologii, aby umożliwić im przeprowadzenie dokładnie doświadczeń laboratoryjnych zgodnie z ich potrzebami.” – opowiada Mark. Studenci, którzy pracują w laboratorium przy tworzeniu oprogramowania mogą zrealizować koncepcje i projekty, które w ramach zwykłego programu nauczania byłyby nieosiągalne.

Skanery 3D – Spider i Eva

Niedawno Laboratorium zakupiło dwa skanery 3D marki Artec, mały skaner 3D Eva i skaner Spider, dzięki którym Interaktywne Muzeum Czaszki stało się rzeczywistością.

„Zanim kupiliśmy skanery 3D, po prostu nie byliśmy w stanie pracować tak dużo jak teraz” –  zapewnia Mark Gill. „Mieliśmy narzędzia do modelowania, takie jak 3DS Max, i większość naszych modeli budowaliśmy ręcznie, ale dokładne odwzorowanie rzeczywistych obiektów było niezwykle trudne do realizacji, a efekty nie były zadawalające. Używaliśmy również innych skanerów typowych  do zwykłego zastosowania, które wprawdzie spełniały nasze oczekiwania, ale tylko w przypadku bardzo dużych obiektów. Wypróbowaliśmy także niektóre opcje fotogrametryczne, ale z różnym skutkiem.

Skaner Spider wypełnia niszę, która istniała od jakiegoś czasu, umożliwiając m.in. pracę w naszym Laboratorium zauważyło ostał w laboratorium brakuje jakiegoś czasu, co umożliwia przykładowo  odtwarzanie starych części maszyn w inżynierii odwrotnej i tworzenie modeli 3D ekspozytów archeologicznych, takich jak groty strzał czy fragmenty cennej ceramiki. Zespół Laboratorium może teraz tworzyć duplikaty cennych artefaktów i innych eksponatów, drukować 3D i tworzyć elektroniczne archiwa zasobów muzealnych do wypożyczania naukowcom.

„Szczegółowe skany 3D uzyskane przy pomocy skanera Spider są na tyle dobre, że zaczynamy analizę geometryczną skanowanych powierzchni” – relacjonuje Mark.

Jego zdaniem Wydział Sztuki jest zainteresowany możliwością skanowania 3D rzeźb, gdyż może je potem włączyć do projektów multimedialnych. Dysponując takimi narzędziami jak skaner Spider pozwala na szybką integrację nośników fizycznych w przestrzeni wirtualnej. Planują też rozpocząć skanowanie użytkowników w celu wykorzystania fizycznego wyglądu prawdziwej osoby jak ich avatara w wirtualnym środowisku.

Artec Studio 10

Wydział Laboratorium uaktualnił swoje oprogramowanie Artec Studio 10, co daje powody do zadowolenia wszystkim jego pracownikom.

„To najlepsze narzędzie jakie znalazłem do naprawy błędów na siatce przeznaczonej do druku 3D,” deklaruje Mark. „Mogę zaimportować model utworzony w niemal każdym formacie i szybko przygotować go do fizycznego prototypowania, zazwyczaj po prostu przebudowuję siatkę  modelu, lub stosuję ostre połączenie do zbioru oddzielnych siatek.”

Program Artec Studio 10 okazał się doskonałym narzędziem do oczyszczenia i przedstawienia danych ze skanującego mikroskopu elektronowego, takich jak powierzchnia kryształu o kilku mikrometrach średnicy, lub organizmów jednokomórkowych. Dane te zazwyczaj przychodzą z pewną ilością zakłóceń i dodatkowych danych. Funkcje do edycji Artec Studio 10 umożliwiają oczyszczenie z niepotrzebnych danych oraz zakłóceń i złączenie siatki.

Teraz przyjrzyjmy się z bliska jak program Artec Studio 10 i skaner 3D Spider były wykorzystywane dla potrzeb tego użytecznego projektu: Muzeum Czaszki. Interaktywne Muzeum prezentuje kolekcję czaszek ssaków pochodzących z Muzeum SCSU, najmniejszą czaszkę myszy oraz największą krowy. Interaktywne eksponaty w zależności od rodzaju ssaków mają różne rozmiary, tekstury i powierzchnie Mniejsze okazy, takie jak czaszka oposa i lisa są bardzo błyszczące i niemal przezroczyste. Projekt obejmuje również zeskanowania kolekcji czaszek hominidów należących do muzeum. Mark już rozpoczął kolejne prace.

 

Program biologii na Uniwersytecie

 To muzeum miało swój debiut  podczas  ćwiczeń w laboratorium grupy studentów Wydziału Biologii badających cechy przekazywane przez wspólnych filogenetycznych przodków. Projekt miał zaspokoić  konkretne potrzeby programu biologii na Uniwersytecie.

Aby móc zeskanować niemal wszystkie szczątki, Mark posłużył się obrotnicą do skanowania, umieszczając na niej losowo wybrane znaczniki, aby ułatwić rejestrowanie skanów 3D. Niektóre fragmenty posiadały nawet teksturę,  więc nie potrzebował rejestracji, jednak inne nie były w tak dobrym stanie.

Skanowanie i przetwarzanie skanów większości mniejszych elementów zajęło mu około godziny. Czaszkę i szczękę dla każdej próbki uchwycił w oddzielnych skanach. Czaszki są dość skomplikowane i mają złożone struktury organiczne, więc Mark musiał wykonać ok. 8 skanów każdego elementu, aby upewnić się, że uchwycił odpowiednie cechy, tj. zęby z każdej strony.

Brak markerów pozycjonujących

„Eksponaty były wypożyczone z muzeum, więc nie chciałem umieszczać żadnych dodatkowych znaków na próbkach (markerów pozycjonujących) ani też używać proszku podczas skanowania, skoro mogłem się bez tego obejść”  – opowiada Mark. „Ustawiłem tylko wyższą czułość Spidera, aby zeskanować niektóre trudniejsze do odczytania powierzchnie.”

 Największym wyzwaniem była czaszka jelenia. Gill wykonał skan 3D czaszki i poroża jako jeden projekt oraz skan szczęki jako odrębny projekt. Sama czaszka jelenia wymagała zrobienia 23 różnych skanów zajmującą ok. 12 GB danych powstałych ze skanowania. Proces powstawania ostatecznej siatki trójkątów zaczął się przez ostre połączenie całej czaszki w rozdzielczości 1 mm. Jego rezultatem było uzyskanie siatek różnej wielkości: powstał  niespełna milion w przypadku czaszki myszy, a około 4 mln dla jelenia.

Mark zduplikował siatkę trójkątów powstałą ze skanów czaszki jelenia, zanim zastosował  funkcje uproszczenia jej i nałożenia faktury, z uwagi na fakt, że potrzebował różnych wersji tej siatki dla różnych części.

„Uproszczenie siatki trójkątów w programie Artec Studio 10 dało najlepszy efekt, jaki kiedykolwiek widziałem” – twierdzi Mark. „Inne programy pozwalają jej nadać pewne parametry, jednak ostateczna ilość skanów jest tak niespójna, że ze względu na ich jakość siatka faktycznie rozpada się.  W programie Artec Studio 10 mogę wpisać dokładną liczbę, jaką chcę uzyskać w siatce i uzyskuję dokładnie taką ilość. I wygląda o wiele lepiej niż wyniki uzyskane z innego oprogramowania.”

Mark przygotował zatem render tekstury o rozmiarze 4096 x 4096 i wyeksportował bardzo uproszczoną siatkę trójkątów w postaci mocno uproszczonych plików z obiektami.

Następnie przeniósł model do 3D Studio Max 2016 w celu połączenia w całość kości czaszki i szczęki. Przy jego pomocy Mark wyrównał elementy połączenia i zresetował od początku obydwa modele do tego samego punktu i wyrównania. W ten sposób czaszka ze szczęką mogą poruszać się razem, ale mogą także łączyć się przegubowo oddzielnie.

 Po zespoleniu modeli w całość Mark eksportował je, zachowując jednak siatki szczęki i czaszki jako oddzielne obiekty jako pliki Autodesk .FBX na nośnikach.

Efekt końcowy

W efekcie Interaktywne Muzeum Czaszki działa w oparciu o mechanizm Unity 5 Game. Unity pozwala na szybkie prototypowanie większości rodzajów interaktywnych aplikacji 3D. Korzysta z C # jako języka skryptowego w taki sposób, że można zaprogramować dokładne zachowanie czaszek; kontrolować ich ruch  i umożliwiać otwieranie i zamykanie szczęk. Unity posiada również narzędzia i formanty do łatwej kontroli oświetlenia i tworzenia innych efektów wizualnych.

„Teraz, gdy projekt aplikacji jest już gotowy, udostępnimy go na Wydziale Biologii, aby sprawdzić czy spełnia ich wymagania” – wyjaśnia Mark. „W konsekwencji umożliwi to studentom pracę nad tymi próbkami i porównanie ich z innymi wzorami, bez obaw o ich właściwą obsługę.”

 Oto jakie eksponaty można podziwiać w Interaktywnym Muzeum Czaszki.