挑戰(zhàn)：對(duì)幾百塊袋狼骨骼、頭骨,、骨架的尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)3D數(shù)字采集,，它們是全球各地博物館保存完整的袋狼剝制模型，并利用這些數(shù)據(jù)精準(zhǔn)測(cè)算滅絕物種的體重范圍,。
解決方案：Artec Space Spider,、Artec Leo、Artec Studio,、ZBrush
效果：掃描完幾百塊袋狼標(biāo)本的高清3D掃描后,，科研團(tuán)隊(duì)一塊塊測(cè)量了每塊標(biāo)本，并將完整的袋狼骨架3D掃描數(shù)字雕刻成逼真的袋狼3D模型,，用于進(jìn)行數(shù)字稱重,。研究人員最終準(zhǔn)確算出了袋狼體重范圍，發(fā)現(xiàn)和以往的測(cè)算差距很大,。
幾百萬年的進(jìn)化使袋狼成為野外生存專家,。袋狼是自然界中*大的食肉性有袋動(dòng)物，在進(jìn)化過程中為自己開辟了一塊專門的棲息地,。但很快,，一批殖民者出現(xiàn)了。
幾十年后,，從1830年代早期開始一直到20世紀(jì),，幾千頭袋狼，也稱塔斯馬尼亞虎,，被農(nóng)民和獵人大規(guī)模獵殺,，直到只剩最后一只。
它在野外被捕后關(guān)在動(dòng)物園,，度過了生命的最后三年。之后,，在某個(gè)冬日上午,，塔斯馬尼亞所知的最后一只袋狼本杰明,，因意外被關(guān)獸舍外過夜而死亡。事情發(fā)生在1936年9月,。而袋狼死亡的59天前,，塔斯馬尼亞剛剛為袋狼授予保護(hù)動(dòng)物的地位。
最后一只袋狼離世前的許多年,，一直流傳著有關(guān)袋狼的千奇百怪的傳說,，人們認(rèn)為它們兇猛殘酷，生存能力強(qiáng),，擁有如北歐神話中狂戰(zhàn)士般的頑強(qiáng)體力,，能抵御槍林彈雨，甚至還能耗干獵物身上的血液等等,。
與此同時(shí),，在袋狼還未滅絕，還漫步于塔斯馬尼亞土地上時(shí),，科學(xué)家未能真正對(duì)它們展開研究,。直到今天，本杰明離開后不到100年,，盡管世人對(duì)袋狼更為關(guān)注,，但還有很多科學(xué)家無法解釋的真相和細(xì)節(jié)。像袋狼的飲食,、交配,、捕獵、移動(dòng)習(xí)慣,、生活習(xí)性,，甚至體重，我們都不知道,。而袋狼的體重是深入研究其他方面的基礎(chǔ)信息,。這就涉及到了基礎(chǔ)化學(xué)和生理學(xué)知識(shí)。
袋狼燃燒多少能量,？它們儲(chǔ)存熱量嗎,？消化食物的速度多快？多久進(jìn)一次食,？它們捕獵哪種動(dòng)物,？自然界中繁殖能力如何？要解答這些問題,，我們首先要知道袋狼的體重,。
各學(xué)科之間總是相互依存，也就是說,，除非我們徹*搞明白了“概念A(yù)”,，才會(huì)停止對(duì)它的誤解,，同時(shí)解決有賴于“概念A(yù)”的其他相關(guān)概念。
在研究袋狼的幾十年里,，多位科學(xué)家多次指出缺乏準(zhǔn)確體重估算的問題,。但之后，并沒人解決這個(gè)問題,，導(dǎo)致很多人都基于25-29公斤的錯(cuò)誤估計(jì)值進(jìn)行研究,。而且這個(gè)估算沒有得到證實(shí)。
袋狼研究中另一個(gè)需要解決的重要問題就是袋狼是否違背“食肉動(dòng)物能量消耗”（The costs of carnivory）定律,。該定律規(guī)定了動(dòng)物能量分配閾值,，14公斤或以下的食肉動(dòng)物一般會(huì)以比自己體形小的獵物為食。
但如果食肉動(dòng)物體重高達(dá)21公斤或以上,，如狼和美洲豹,，通常會(huì)以體型和自己相當(dāng)或更大的獵物為食。對(duì)于體重為14-21公斤的食肉動(dòng)物而言,，比如狐貍和野貓,，通常以小型動(dòng)物為食，但偶爾也會(huì)獵食稍大的動(dòng)物,。不了解袋狼的真實(shí)體重,，那么這個(gè)問題，包括其他一些難題,，都無法得到科學(xué)可靠的解釋,。
莫納什大學(xué)PhD學(xué)生Douglass Rovinsky和包括Justin W. Adams博士在內(nèi)的四人研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到這一問題的迫切性，開始著手解決,。
這一項(xiàng)目的細(xì)節(jié)發(fā)表在Royal Society Proceedings B科學(xué)雜志的《Did the thylacine violate the costs of carnivory? Body mass and sexual dimorphism of an iconic Australian marsupial》一文中,。
Rovinsky評(píng)價(jià)了項(xiàng)目的重要性，“像其他滅絕物種一樣,，對(duì)袋狼了解的越多,，就越能幫助我們了解現(xiàn)有物種，了解它們是如何應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的,，目前,，世界各地的自然界環(huán)境都在發(fā)生急速改變。”
這項(xiàng)研究需要他們前往世界各地,，在史密森學(xué)會(huì)等東西方博物館和研究院內(nèi),，對(duì)現(xiàn)存袋狼標(biāo)本開展研究。
Rovinsky及其團(tuán)隊(duì)很早就意識(shí)到,，單純依賴傳統(tǒng)的體重估算方式,，即通過測(cè)量袋狼牙齒進(jìn)行線性回歸，這種方式對(duì)滅絕動(dòng)物而言通常錯(cuò)誤率較高。
為提高準(zhǔn)確率,，最好有一只和袋狼高度相似的活物,。袋狼關(guān)系最近的近親是袋食蟻獸，約1磅（0.5公斤）重,，身材小巧，身披軟毛,，以白蟻為食,。這樣即可對(duì)兩者進(jìn)行等比例縮放。
Rovinsky及其團(tuán)隊(duì)決定同時(shí)使用多種體重測(cè)算方法,，包括：牙齒和上臂/大腿骨的線性回歸,，圍繞袋狼骨骼3D模型制作凸包，之后根據(jù)數(shù)碼掃描雕刻栩栩如生的袋狼形象,，最后,，對(duì)掃描后的模型以及雕刻后的袋狼模型（和凸包一樣根據(jù)骨架掃描模型制成）進(jìn)行數(shù)字稱重。
下排：雕刻后的3D袋狼體模型（帶紋理與不帶紋理版）,，用于數(shù)字稱重
為順利完成這項(xiàng)大工程,，在多相全譜分析前，他們需要為幾百件袋狼模型進(jìn)行3D掃描,，并制成高精度3D模型,，以便采集絕對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量值。
組織安排是Rovinsky及其團(tuán)隊(duì)所面臨的一大挑戰(zhàn)：所有標(biāo)本來自全球18家不同的博物館和研究所,，包括墨爾本本地博物館,、澳大利亞和塔斯馬尼亞的幾家博物館，以及美國,、歐洲,、英國的幾家博物館。
為方便在這些旅途中完成袋狼標(biāo)本的數(shù)字采集并用于體重分析,，Rovinsky和Adams使用了一款精度達(dá)亞毫米級(jí)的輕質(zhì)手持式3D掃描儀Artec Space Spider,。兩位研究員分頭前往不同博物館和研究所，完成了幾百件標(biāo)本的掃描：骨骼,、頭骨,、骨架、剝制袋狼標(biāo)本,、保存完整的袋狼標(biāo)本,。
項(xiàng)目啟動(dòng)前，Rovinsky和Adams決定不采用卡尺等傳統(tǒng)測(cè)量方式,，也不采用GDI和攝影測(cè)量法這些現(xiàn)代方式,。訪問每家博物館的時(shí)間極為有限，而且操作過度也會(huì)為標(biāo)本帶來不必要的傷害。
以往的方式非常耗時(shí),，還得每天麻煩博物館工作人員看上幾個(gè)小時(shí),。但結(jié)果又不盡如人意，和Artec Space Spider 3D掃描的效果相去甚遠(yuǎn),。
傳統(tǒng)方式的弊端在于,，操作人員需要在測(cè)量過程中反復(fù)擺放標(biāo)本。但有了Artec Space Spider,，數(shù)據(jù)捕獲準(zhǔn)確度高達(dá)0.5毫米,，比其他方式快了幾十倍，而且操作步驟也可忽略不計(jì),。
和以往經(jīng)歷相比,，Rovinsky說，博物館工作人員發(fā)現(xiàn)掃描時(shí)間很短,，而且對(duì)標(biāo)本風(fēng)險(xiǎn)極低后,，簡(jiǎn)直“喜出望外”，因?yàn)橹灰獛追昼?，不?huì)影響他們的正常工作,。不過，即使掃描很快,，博物館館長和其他工作人員也會(huì)出于好奇,，選擇留下旁觀Space Spider的掃描過程。
“看到Space Spider操作起來如此迅速簡(jiǎn)單,，他們都十分驚訝,。和其他不使用Space Spider的研究人員不同，我們對(duì)環(huán)境要求不高,。不用很大的場(chǎng)地,，不用控制光線，也不需要占用他們太多時(shí)間,，” Rovinsky說道,。
Rovinsky還提到，博物館工作人員在見到Space Spider之前就被震驚了,，“工作人員說,，這里有12件標(biāo)本，我們會(huì)說,，接下來12小時(shí)就能搞定,，什么時(shí)候再給12件,？只能說他們總覺得數(shù)據(jù)采集要很久,。”
Rovinsky在用Space Spider采集動(dòng)物標(biāo)本時(shí)，也不斷優(yōu)化工藝,。掃描簡(jiǎn)單物體時(shí)，比如狼或袋狼的前肢骨骼,，他說,，“這個(gè)處理起來相對(duì)快捷輕松，每件標(biāo)本只要幾分鐘,。通常每件標(biāo)本我掃三次,。把標(biāo)本放在小型便攜旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，然后掃描幾圈,。每次掃描大概采集400幀左右,。然后把標(biāo)本翻一面，重復(fù)一遍,。”
掃描頭骨時(shí)，有些標(biāo)本很簡(jiǎn)單,，但有些就很難捕獲完整,。“尤其是大型頭骨，可能要9份掃描才能采集完整,。這種標(biāo)本的難點(diǎn)在于頭骨內(nèi)側(cè)的掃描,，這些部位很難觸及，通常需要多次掃描,，才能完整捕獲頜骨,、顴骨、眼眶等部位,，”Rovinsky說道,。
Rovinsky一般都是離開博物館后進(jìn)行Artec Studio掃描處理的，“所有編輯融合工作都是之后進(jìn)行的,。我已經(jīng)養(yǎng)成習(xí)慣了,，盡可能不打擾博物館人員。所以,，到館掃描,，掃完離開。所有掃描處理都是事后進(jìn)行的,。”
他繼續(xù)補(bǔ)充道,，“我只要帶上Space Spider就行，一整個(gè)下午,，我能完成20-30份標(biāo)本掃描,。所以，出差收集一次數(shù)據(jù),，過幾個(gè)禮拜,，我就能帶回幾百份清晰準(zhǔn)確的標(biāo)本掃描,，細(xì)節(jié)豐富，足以完成工作,。”
Rovinsky介紹了Artec Studio的處理流程：“首先手動(dòng)對(duì)齊掃描,，然后進(jìn)行幾何全局配準(zhǔn)。然后進(jìn)行尖銳融合,，根據(jù)物體尺寸選擇分辨率,。基本上小于狗頭大小的,，選0.1,，更大的標(biāo)本選0.2。”
他繼續(xù)說道,，“然后我開始跑一到兩次平滑算法,。然后進(jìn)行快速網(wǎng)格簡(jiǎn)化，精簡(jiǎn)到60萬個(gè)三角形,。最后的60萬個(gè)三角形在數(shù)量上也足夠了,。當(dāng)然，60萬和150萬個(gè)三角形頭骨間存在分辨率差異,，但這種差異對(duì)古生物學(xué)而言是否有意義就另說了,。”
項(xiàng)目下一階段，Rovinsky與墨爾本Artec金牌授權(quán)經(jīng)銷商Thinglab 合作,，使用Artec Leo完整掃描了塔斯馬尼亞博物館和美術(shù)館里的袋狼標(biāo)本,，這是一款搭載內(nèi)置觸屏的3D掃描儀，100%無線設(shè)計(jì),。這些掃描采集了博物館幾套袋狼骨架和全身剝制模型,。這些數(shù)字骨架之后被用來構(gòu)建凸包，作為數(shù)字雕刻的基礎(chǔ),。Thinglab的3D掃描總監(jiān)Ben Myers表示,，“我們很喜歡Leo，和自己的客戶一樣,，我們已經(jīng)應(yīng)用于很多項(xiàng)目了,。Leo諸多功能也讓Thinglab工作的我們大吃一驚。過去曲面配準(zhǔn)的問題不少,，但VCSEL光技術(shù)大不一樣,。”
他繼續(xù)說道，“追蹤功能非常優(yōu)秀,，可以圍繞物體轉(zhuǎn)動(dòng),，哪怕物體幾何復(fù)雜也無妨，可以輕松捕獲每個(gè)曲面,。當(dāng)然,，無線設(shè)計(jì)加上內(nèi)置顯示屏也使掃描流程變得尤為簡(jiǎn)單高效,。”
項(xiàng)目最后階段，Rovinsky找到團(tuán)隊(duì)成員,，數(shù)字藝術(shù)家Damir Martin,。Martin非常善于描繪古世界，很快便開始創(chuàng)作栩栩如生的袋狼3D形象,。
值得注意的是,，進(jìn)行本項(xiàng)目前，Martin早已深入研究過袋狼,，已經(jīng)創(chuàng)作了很多以塔斯馬尼亞自然界為背景的袋狼形象,，效果不錯(cuò)。
Martin的創(chuàng)作以骨架和剝制標(biāo)本的Leo掃描形象為基礎(chǔ),。加上自己對(duì)袋狼的深刻認(rèn)識(shí)和Rovinsky,、Adam的幫助，他在ZBrush中一步步為每只袋狼的肌肉組織和外貌進(jìn)行數(shù)字雕塑,。形象創(chuàng)作完成后,，進(jìn)行數(shù)字稱重，這些測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)和其他體重估算值一起用于其他研究,。
Martin這樣評(píng)價(jià)自己的工作：“我一直對(duì)滅絕動(dòng)物很感興趣。袋狼在很多方面都很特別,，它們的樣子就特殊且神秘,。遺憾的是，很多對(duì)袋狼的形象修復(fù),，從藝術(shù)角度而言,，沒有表現(xiàn)出這種生物外貌的微妙之處。”
“但事實(shí)上,，我們依靠一些罕見的照片和錄像,，得知了袋狼的真實(shí)外形。所以這個(gè)很具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目對(duì)我來說很有吸引力,。”
借助體重估測(cè)（由93頭袋狼的207份掃描計(jì)算得出）,，Rovinsky及其團(tuán)隊(duì)斷定公袋狼實(shí)際體重約為19公斤（41.9磅），母袋狼為14公斤（30.9磅）,。也就是說,，公袋狼比母袋狼重30%。
對(duì)比過去幾十年來對(duì)袋狼體重的錯(cuò)誤估計(jì),，Rovinsky研究團(tuán)隊(duì)得出的公母袋狼體重大概只有過去的55%,。所以，很顯然,，袋狼沒有違反“食肉動(dòng)物消耗”定律,，它們屬于中型食肉動(dòng)物,，約為14-31公斤（30.9-46.3磅），通常以小型動(dòng)物為食,，偶爾捕殺大型動(dòng)物,。
該項(xiàng)目只是袋狼進(jìn)化生物學(xué)研究的一小部分，不僅包括這項(xiàng)針對(duì)袋狼體重的研究,，還包括使用全球采集的3D數(shù)據(jù)樣本,，對(duì)袋狼飲食結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)能力和袋狼生物特征展開調(diào)查研究,。
Adam談及3D掃描對(duì)這類研究的重要性時(shí),，他表示：“古生物學(xué)家終于開始認(rèn)識(shí)到三維模型可以推算出更準(zhǔn)確的體重，哪怕只是在電腦上進(jìn)行電子測(cè)算,，我們?nèi)匀豢梢詼y(cè)量物體外形,，和以往通過回歸線繪制變量的方式不同。”
“3D科技徹*改變了我們對(duì)滅絕動(dòng)物體型測(cè)算的認(rèn)知,。我認(rèn)為,，未來這樣的應(yīng)用實(shí)踐會(huì)越來越多。而且Artec Space Spider和Leo操作簡(jiǎn)單便捷,，可精準(zhǔn)捕獲這類數(shù)據(jù),，其潛力不可低估。”
Rovinsky評(píng)價(jià)了數(shù)據(jù)在其中的關(guān)鍵作用,。“研究的難點(diǎn)在于,，我們需要充足的數(shù)據(jù)才能生成生物體的完整3D形象，而對(duì)很多古生物學(xué)家而言,，這是不可能的,。”
“如果只有幾份標(biāo)本，也沒有完整骨架的話,，是無法實(shí)現(xiàn)這樣的準(zhǔn)確度的,。大多數(shù)古生物學(xué)家甚至沒有一塊完整的骨骼，更不用說完整骨架了,。即便如此,，我們依然可以使用Artec掃描儀輕松采集我們需要的海量標(biāo)本數(shù)據(jù)。”
Rovinsky還談到了本項(xiàng)目的深遠(yuǎn)意義,，“我們當(dāng)然希望能盡可能了解袋狼的真實(shí)情況,，因?yàn)楫吘顾袛?shù)據(jù)、觀察結(jié)果和我們得出的結(jié)論,，都是二手的,，很遺憾，我們?cè)僖步佑|不到活生生的袋狼了,。”
他繼續(xù)補(bǔ)充道,，“所有研究數(shù)據(jù)都要符合我們的觀察結(jié)果,、理論解釋和測(cè)量值等等。這也反應(yīng)出對(duì)袋狼體重的認(rèn)知有多重要,。這一看似微不足道的數(shù)值,，會(huì)影響大量有賴于這一數(shù)據(jù)的其他研究。”
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