Artec 3D掃描儀在鄧迪大學在醫(yī)療美術(shù)等項目中的應用

挑戰(zhàn)：讓醫(yī)學美術(shù)專業(yè)學生數(shù)字捕獲骨骼、骨架、解剖模型，制作成栩栩如生的3D模型。

解決方案：Artec Eva、Space Spider、Artec Studio、ZBrush

效果：大學醫(yī)學美術(shù)專業(yè)學生需要精準3D模型用于醫(yī)學插畫師的訓練。鄧迪大學教他們?nèi)绾问褂脙煽钕冗M3D掃描儀Artec Eva和Space Spider，輕松制作3D掃描，實現(xiàn)多種應用。

每次看到科普視頻，告訴我們病毒是如何傳播的，以及如何預防病毒鉆進呼吸道，就不得不感謝醫(yī)學插畫師。現(xiàn)代醫(yī)療和保健領(lǐng)域在過去一個世紀已經(jīng)發(fā)展得相當高深。

醫(yī)學插畫師都是幕后工作者，他們把復雜的醫(yī)學內(nèi)容變成簡單易懂的圖片、簡圖、視頻，以及其他生動形象的呈現(xiàn)方式。

鄧迪大學醫(yī)學美術(shù)專業(yè)為該領(lǐng)域培養(yǎng)醫(yī)學插畫師，研究生課程為期12個月，涵蓋內(nèi)容日益豐富的醫(yī)學美術(shù)領(lǐng)域的方方面面。隨著科技和視覺傳達設計的不斷發(fā)展，現(xiàn)在恐怕是投身這一熱門行業(yè)的時機了。

醫(yī)學美術(shù)插畫師通常要接受解剖學培訓，保證他們的作品不僅美觀，而且符合醫(yī)學常識，這是因為作品精確與否，特別是交到醫(yī)生手中的作品，可能關(guān)乎生死。所以，一場正規(guī)的解剖培訓是醫(yī)學美術(shù)專業(yè)的重要組成部分。

醫(yī)學插畫的應用場景可以是一位兒童在父母陪同下，聽醫(yī)生給出診斷，以及各種治療方案。對父母而言都是如此緊張的時刻，在兒童眼里就顯得更加可怕和迷茫了。但醫(yī)學插畫可以協(xié)助改變這樣的處境。

想象這位醫(yī)生，從辦公桌前起身，向孩子走去并坐下，讓自己和孩子一樣高。她溫柔地喚醒iPad，并和孩子父母一起觀看了有關(guān)孩子疾病的一段彩色動畫，以及可選的幾個手術(shù)方案。這時，孩子緊張的肩膀終于放松了，她松了口氣。

其他應用案例還包括虛擬手術(shù)。醫(yī)科大學開始研發(fā)合成不同外科手術(shù)的高仿真AR（增強現(xiàn)實）和VR（虛擬現(xiàn)實）模擬，給醫(yī)學生使用。這樣的模擬離不開現(xiàn)在的醫(yī)學插畫，對解剖精準度的要求嚴苛。

模擬過程中，醫(yī)學生可借助虛擬電鉆等工具打磨自己的精細動作和肌肉記憶。因此，如果虛擬患者的3D模型解剖結(jié)構(gòu)不準確，那未來，這名醫(yī)生可能無法在真實患者身上順利完成手術(shù)。

為提高真實度，除了VR頭盔外，這些模擬程序還會采用觸感設備，要求用戶做出和真實環(huán)境一樣的動作，施加一樣的力，來完成手術(shù)。模擬訓練的效果非常令人滿意。

加州大學洛杉磯分校大衛(wèi)·格芬醫(yī)學院2019年的一項研究表明，參加過VR手術(shù)模擬培訓的學生各方面表現(xiàn)更優(yōu)秀，比經(jīng)過傳統(tǒng)手術(shù)培訓方式的學生高出130%。

醫(yī)學插畫師有幾種不同方式，可以完成3D模型的制作。傳統(tǒng)方式就是3D建模。鄧迪大學的醫(yī)學美術(shù)專業(yè)提供這樣的課程，教授學生這門技術(shù)，訓練扎實的水平，滿足日后工作需要。

但是3D建模通常需要很長的時間，經(jīng)歷繁瑣的步驟，才能創(chuàng)作出3D內(nèi)容。另外，如涉及到自然外形，比如人體骨架或肌肉系統(tǒng)，哪怕是經(jīng)驗豐富的3D建模專家也會選擇更高效的方式，即數(shù)字捕獲。

3D掃描就是其中一種途徑。鄧迪大學發(fā)現(xiàn)手持式3D掃描儀速度快，操作簡單，即便是零經(jīng)驗的學生都能快速上手，幾秒完成物體采集，于是欣然接受了這款產(chǎn)品。最終效果更是無可挑剔：3D模型達到科學級別的精準度，可用于解剖插畫、VR/AR醫(yī)學應用，還有3D打印，博物館訪客也能手握各種無價標本體驗學習，這是從未有過的體驗。

Artec 3D金牌經(jīng)銷商、3D掃描專家Patrick Thorn演示完Artec Eva和Space Spider 3D掃描儀后，鄧迪大學醫(yī)學美術(shù)專業(yè)課程主任Caroline Erolin博士很快做出了決定。

用她的話說，“我們需要用數(shù)字捕獲的方式完成很多天然結(jié)構(gòu)的掃描，包括人體骨骼和動物標本，掃描過程要快速輕松，掃描數(shù)據(jù)到3D模型的步驟要盡量簡單，能隨時用于VR和3D打印，我們的要求一點也不低。” 

鄧迪大學醫(yī)學美術(shù)專業(yè)學生使用Artec Space Spider掃描人類頭骨

她繼續(xù)補充道，“但我們看完P(guān)atrick Thorn安排的*次Artec掃描儀演示后，就意識到我們找到合適的掃描儀了。我們的學生沒有任何掃描或3D建模的經(jīng)驗，但同樣可以幾分鐘就上手掃描。使用體驗很愉快，特別是看到捕獲的物體立刻呈現(xiàn)在屏幕上，3D色彩鮮明，速度飛快。”

鄧迪大學隨后為醫(yī)學美術(shù)專業(yè)購買了一臺Artec Eva和三臺Space Spider，還有幾十份Artec Studio許可，這是非常著名的3D掃描處理軟件。

用Patrick Thorn的話來說，“自打我和Caroline以及鄧迪大學合作那天起，就發(fā)現(xiàn)Artec 3D掃描儀非常適合他們。很快，其他院系也發(fā)現(xiàn)了這些設備，也選擇了Artec 3D掃描儀。這次合作非常成功，很自豪自己能參與其中。”

目前，鄧迪大學醫(yī)學美術(shù)專業(yè)使用Artec Eva和Space Spider的掃描項目如下：

· 人類頭骨，協(xié)助臉部重建——包括法醫(yī)和考古領(lǐng)域

· 動物學與解剖標本對比，面向公眾互動、教學、研究

· 青少年骨學，協(xié)助保存一些易碎藏品，并通過安全無損的方式用于教學

· 成人骨學/骨骼標本，用于教學與科研

· 部分3D模型會被醫(yī)學美術(shù)學生修改整合（在ZBrush/Maya中做肌肉模型），制成解剖學的教學材料

· 教授醫(yī)學美術(shù)和法醫(yī)藝術(shù)學生所有3D掃描和處理技巧

· 掃描用蠟等傳統(tǒng)材料制作的模型——通常為學生作業(yè)

Erolin博士還解釋了這些掃描儀對學生有哪些益處，“學生畢業(yè)的時候，已經(jīng)在Artec Eva和Space Spider上操作了幾十小時了。他們會親自挑選設備，只要幾分鐘就能完成河豚魚到人類頭蓋的數(shù)字捕獲。最后，把這些掃描數(shù)據(jù)一步一步制作成3D模型，用于其他醫(yī)學美術(shù)項目。包括教材插畫、在線動畫、虛擬博物館展等VR環(huán)境，當然還有標本的3D打印，讓研究人員和博物館訪客直接接觸。我們的學生可以通通學到。”

這個在線圖庫展示了鄧迪大學學生的部分醫(yī)學美術(shù)作品。

至于博物館展品的3D掃描是否安全，Erolin表示，“我們要掃描的許多展品都是易碎品，容易受傷，所以我們必須嚴格限制接觸時間。Artec Eva和Space Spider非常適合這類項目。結(jié)構(gòu)光技術(shù)安全無害，不具破壞性，無論是掃描脆弱的動物標本還是古老化石都沒問題。”

Erolin繼續(xù)說道，“考慮到掃描儀捕獲速度很快，哪怕是零經(jīng)驗的學生也能在一個下午安全完成十幾件標本的掃描。對博物館來說，干擾就能降到*低，還能收獲滿滿?，F(xiàn)在都是網(wǎng)絡授課，尤其過去幾個月全球都遇到了不小的挑戰(zhàn)。Artec就成為一把金鑰匙，助我們順利實現(xiàn)展品的數(shù)字化。”

“讓你感受一下在線動物標本展品有多吸引人，達西湯普森動物學博物館只對一小部分展品進行了數(shù)字化，但已經(jīng)吸引了來自世界各地十幾個國家的20000多位訪客，在線訪問了我們的3D模型。參觀人數(shù)還在不斷上升。”

“這么做不僅可以把展品開放給許多無法親自前往蘇格蘭參觀博物館的人，還能提升博物館在國內(nèi)外的名聲。當前世界熙熙攘攘，能收獲世人一份關(guān)注十分難得。”

對學校而言，掃描儀吸引人的地方是學習過程很快，而且Artec Studio掃描處理軟件也很容易掌握，這步操作對3D模型的制作十分重要。

Erolin博士具體說明了使用流程，“掃描流程大致如下：先用Eva或Space Spider掃描物體，根據(jù)不同尺寸大小，捕獲需要的部位。通常我們使用Artec Studio中的默認設置，但遇到高難度物體，比如黑色、反光表面，偶爾也會調(diào)整下敏感度。隨后我們進行粗配準和細配準，再對齊掃描。之后進行全局配準，再用橡皮擦和異常值移除功能清理下數(shù)據(jù)。”

“處理頭骨或需保留大量解剖學細節(jié)的物體時，我們常常使用尖銳融合功能。處理臉部或其他表面光滑的物體時，使用順滑融合更好。小物體過濾和快速網(wǎng)格簡化完成后，用融合掃描制作紋理，并以帶紋理的OBJ文件導出，既可以是JPG，也可以是PNG格式。最后，在ZBrush中進行最終處理。”

“只要你不重新拓撲或切割網(wǎng)格，那ZBrush也支持模型的打磨，同時UV圖不會丟失。你也可以把紋理圖投射到Polypaint上（保證至少分割過一次模型幾何，確保多邊形數(shù)量足夠多）并整理，最后根據(jù)Polypaint制作全新紋理圖。”

Erolin博士分享了自己對職業(yè)和3D掃描的看法：“醫(yī)學美術(shù)和藝術(shù)家的未來非常廣闊。如今能投身這一領(lǐng)域非常令人激動，特別是現(xiàn)在有了像Artec掃描儀這樣的先進科技，我們能把真實世界帶有天然外形的復雜物體變?yōu)?D模型，還比我們想象的更快更輕松。”

“就我個人來說，看到這些標本變成3D形象，非常激動。對各地的醫(yī)學藝術(shù)家和學生來說，包括將來希望學習的學生，3D模型是為醫(yī)學和法醫(yī)領(lǐng)域制作效果準確、簡單易懂的藝術(shù)作品的重要手段。

最近，他們還發(fā)現(xiàn)擁有大量3D模型有另一個意料之外的好處。由于*情，許多課程臨時取消，很多線下課程只能網(wǎng)絡授課。Erolin博士說，鄧迪大學解剖與法醫(yī)人類學中心研究了幾個網(wǎng)絡平臺，想通過平臺和專業(yè)學生共享3D模型，后來他們選擇了Sketchfab。這是因為這個平臺操作簡單，還支持高校使用。

模型可以從3D建模軟件中直接上傳，比如可以通過內(nèi)置功能從ZBrush上傳，也可以用Sketchfab主頁上的上傳鍵。上傳后，可以在“3D設置”標簽修改不少參數(shù)，包括模型定位與視場設置；添加大學定制水印；調(diào)節(jié)光線；設置材料特性，如光澤度和透明度；增加標注；甚至是查看VR模型的設置。

3D模型也能和紋理圖一起上傳，但Sketchfab也可讀取頂點顏色，所以在沒有紋理圖的情況下，這一功能就很有用了。有了Pro賬戶，你還能存放私人模型，如果你有些內(nèi)容敏感的掃描，只希望開放給特定人群，那這個功能就很方便了。另外，在知識共享組織的許可下，Sketchfab上的作品也能輕松流通和分享。存儲到Sketchfab上后，3D模型即可輕松嵌入網(wǎng)站和社交媒體上，也能下載進行3D掃描。

鄧迪大學的3D掃描應用非常成功，他們還經(jīng)常向英國及世界其他高校和教育機構(gòu)推薦Artec 3D掃描儀。Erolin博士作為醫(yī)學插畫研究所（IMI）成員，還邀請Patrick Thorn & Co參加了研究會的常規(guī)活動。最近一次是2019年10月在北愛爾蘭貝爾法斯特舉行的一場2天的會議。

活動期間，Patrick Thorn的工作坊活動引起了不小的轟動，參會人員有機會體驗了三款Artec 3D專業(yè)級手持式掃描儀：Artec Leo、Space Spider、Eva。兩場工作坊分別是：“3D捕獲充實人臉重塑”，以及“3D掃描——助力醫(yī)學攝影實現(xiàn)更多”。

“Caroline和鄧迪大學成功推薦了我們Artec 3D的產(chǎn)品，”Thorn說道，“我們走進了蘇格蘭很多高校和企業(yè)。”