Artec Micro與Space Spider攜手共建VR人類骨科課程

挑戰(zhàn)：一位有名法醫(yī)人類學(xué)家需要捕獲幾百塊人類骨骼，并制成符合解剖學(xué)要求的精準(zhǔn)3D模型，并用于虛擬現(xiàn)實(shí)VR課程，他立刻想到了三維掃描技術(shù)。

解決方案：Artec Micro, Artec Space Spider, Artec Studio

效果：在接下來的幾周，團(tuán)隊(duì)通過桌面式Artec Micro和手持式Artec Space Spider，幾分鐘內(nèi)，就完成了每塊骨骼的掃描。隨后，通過Artec Studio處理，并將高分辨率3D模型導(dǎo)出，用于VR課程。

加利福尼亞北部一條河流中發(fā)現(xiàn)了一條半腐爛的腿，沒過幾小時(shí)，當(dāng)?shù)鼐賯兙脱杆傩袆恿似饋?。他們很快將遺骸送給三位專家，分別是醫(yī)療病理學(xué)家、考古學(xué)家和獸醫(yī)。前兩位專家認(rèn)為這是一條人腿，而獸醫(yī)意見相左。

骨骼上的刀痕表明這條腿是被強(qiáng)行鋸斷的?？紤]到這點(diǎn)，大家認(rèn)為它更有可能來自人類。于是，搜救隊(duì)立刻成立，探員和警官也參與其中。然而，系統(tǒng)摸排了附近河岸和周邊地區(qū)整整三天后，他們一無所獲。這時(shí)，一名法醫(yī)人類學(xué)家提出了第四種觀點(diǎn)。他確定，這條腿來自美洲黑熊，很有可能是某個(gè)獵人鋸斷后在上游丟棄的。

這件事再次突顯了官員執(zhí)法的重要性，而且，他們需要真正了解人類骨骼的專家一同合作。如果一開始就咨詢法醫(yī)人類學(xué)家，或其他懂行的專家，那么他們就能避免浪費(fèi)幾百小時(shí)的人力和幾千美元的開銷。然而，這種情況在美國和世界各地，每年都會發(fā)生無數(shù)次。 

以往，深入了解人類骨骼的好辦法就是去高校，參加人類骨科課程，進(jìn)教室和實(shí)驗(yàn)室上一學(xué)期課，研究真實(shí)的人類骨骼。但這種方式有時(shí)不太現(xiàn)實(shí)。即便有課，如今高校收藏的人骨也不適合學(xué)習(xí)研究，學(xué)生使用的往往是塑料模型。

一位世界頂尖的法醫(yī)人類學(xué)家認(rèn)識到這一缺口，于是開始采用前沿三維掃描科技和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），來改變現(xiàn)狀。Dennis C. Dirkmaat博士是認(rèn)證法醫(yī)人類學(xué)家，自1991年開始，就在賓夕法尼亞州伊利市的梅西赫斯特大學(xué)（Mercyhurst University）開設(shè)世界一*的法醫(yī)人類學(xué)課程。

他親自為全國近100名驗(yàn)尸官、法醫(yī)、執(zhí)法機(jī)構(gòu)和官員，依靠人類法醫(yī)學(xué)解決了近1000個(gè)案件。最近，他在這一學(xué)科領(lǐng)域獲得了兩個(gè)重大獎(jiǎng)項(xiàng)，一是首*獲得杰出導(dǎo)師獎(jiǎng)，二是因法醫(yī)人類學(xué)終身成就而獲得了T. Dale Stewart獎(jiǎng)。

Dirkmaat博士參與過的案件需要他分析地面發(fā)現(xiàn)的人類遺骸、被埋的部分尸塊、致命火災(zāi)現(xiàn)場以及大規(guī)模災(zāi)難現(xiàn)場，其中包括2001年9月賓夕法尼亞州索美塞德郡發(fā)生的聯(lián)航93號襲擊，以及2009年水牛城科爾根航空空難。

他還需要對法醫(yī)現(xiàn)場進(jìn)行大規(guī)模搜索，確定受害者身份，進(jìn)行骨骼創(chuàng)傷分析。Dirkmaat曾作為專家證人出庭28次。他教過的很多學(xué)生已成為法醫(yī)死亡調(diào)查員和專業(yè)的法醫(yī)人類學(xué)家，活躍在全國和全球各地。

有了Dirkmaat的VR人體骨骼課程，無論身處何地，人人都能有機(jī)會全面深入地了解人類骨骼，且學(xué)習(xí)進(jìn)度自由控制，不受任何干擾。

課程打造歷時(shí)兩年，絲毫不比Dirkmaat在高校親授15周的效果差，足以培養(yǎng)未來的生物人類學(xué)家。每節(jié)課上及課后精心安排的測試，能幫助學(xué)生牢牢掌握所學(xué)知識。

借助Oculus Go或Oculus Quest II VR頭盔，就能和人體206塊骨骼進(jìn)行沉浸式交互，高分辨率的彩色3D模型，給你身臨其境般的體驗(yàn)。每節(jié)課都以科學(xué)的方式加深你對骨骼的認(rèn)識與理解：首先，學(xué)習(xí)骨骼名稱，包括拼寫和發(fā)音，再學(xué)習(xí)每塊骨骼在人體中的位置，隨后學(xué)習(xí)骨骼的解剖方位。

在余下的課程中，你可以在虛擬環(huán)境下親自拿起骨骼，放大、縮小，多角度觀察，根據(jù)自身進(jìn)度，學(xué)習(xí)每塊骨骼的特別特征。

在Dirkmaat看來，“這門課程不僅對法醫(yī)領(lǐng)域從業(yè)者有極大幫助，同時(shí)，對考慮從事醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生、運(yùn)動醫(yī)學(xué)、解剖學(xué)、生物學(xué)等行業(yè)的人而言，也大有裨益。掌握人類骨科知識，對包括這些領(lǐng)域的許多行業(yè)而言都至關(guān)重要。”

VR人類骨科課程中所使用的3D模型全部根據(jù)真實(shí)人骨制作而成，精度達(dá)亞毫米級，非常逼真。擔(dān)任骨骼掃描的兩臺計(jì)量級專業(yè)三維掃描儀分別為手持式Artec Space Spider和桌面式Artec Micro。

Space Spider只需要幾分鐘即可捕獲每塊骨骼，主要負(fù)責(zé)為大型骨骼建模，比如頭骨、手臂和腿骨，Micro善于捕獲小型物體，精度達(dá)10微米，主要捕獲小塊骨骼，包括手骨、足骨、椎骨、牙齒等等。

梅西赫斯特大學(xué)人類學(xué)碩士研究生Anthony Lanfranchi是課程設(shè)計(jì)人之一，他表示，“幾年前，我第一次使用Space Spider，這是我人生第一次使用三維掃描儀。但學(xué)起來非?？?。過去，我們用攝影法記錄骨骼，需要從各個(gè)角度拍攝骨骼照片，保存骨骼特征，甚至還得為一些特別的特征制作牙科石膏模型。測量骨骼尺寸，用的是卡尺和卷尺。”

Lanfranchi繼續(xù)說道，“但照片無法每次都如實(shí)反應(yīng)骨骼特征，有些印記、色彩或重要特征很容易丟失。手動測量骨骼時(shí)，想要結(jié)果滿意，還要多次反復(fù)測量，非常耗時(shí)。你會說這么仔細(xì)一定不會出錯(cuò)。但事實(shí)是，遇到彎曲的自然結(jié)構(gòu)或骨骼表面，我們利用傳統(tǒng)方式就束手無策了，肯定得不到精確值。”“但埃太科三維掃描儀可以捕獲，無論是股骨又長又寬的表面，還是頭骨上密密麻麻的接縫和凹陷部位，亦或是手骨和足骨上的小骨頭，都沒問題。只要幾分鐘，新手學(xué)生就能完成任何一塊骨骼或解剖結(jié)構(gòu)的掃描，獲得亞毫米級精度的骨骼數(shù)據(jù)。即便需要測量多個(gè)曲面，也不成問題。手動測量的結(jié)果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到埃太科三維掃描的水準(zhǔn)，” Lanfranchi對此作出了強(qiáng)調(diào)。

Lanfranchi以高分辨率掃描了各種骨骼，隨后在Artec Studio軟件中進(jìn)行處理。工作流相當(dāng)簡單：首先點(diǎn)擊套索工具，刪除噪點(diǎn)，再使用尖銳融合，并添加紋理。這些掃描還支持不同格式的導(dǎo)出。在過去，這得花上不少時(shí)間。

用Lanfranchi的話說，“為大型掃描添加紋理這件事，通常要等我起床后，干了一小時(shí)別的事兒，回來導(dǎo)出掃描時(shí)才能搞定。但現(xiàn)在Artec Studio 15只要30分鐘，就能把掃描和處理全部完成。實(shí)在太棒了！”

Lanfranchi在2020年上半年開始使用Artec Micro。他發(fā)現(xiàn)這款全自動桌面式掃描儀操作簡單，易于理解。“只要幾個(gè)小時(shí)，就能摸索出采集小骨骼和牙齒的設(shè)置。花了幾周時(shí)間，我們就掃描了400多塊骨骼，包括小型人骨、動物骨骼、一套人類牙齒。”

除了用于人體骨科課程，這些Micro和Space Spider的掃描還能用于醫(yī)學(xué)、牙醫(yī)學(xué)生、法醫(yī)與生物人類學(xué)家的培訓(xùn)課程建設(shè)。

這個(gè)時(shí)機(jī)再好不過了。Lanfranchi表示，“今年來看，這項(xiàng)技術(shù)格外有幫助，疫情之下，我們根本無法靠近收藏的人類骨骼。如果沒有Artec Micro和Space Spider的快速掃描能力，以及Artec Studio 15的快速處理能力，那在制作虛擬人骨藏品的過程中，我們絕對沒有底氣能快速完成大量骨骼的3D模型制作，并用于VR。”

Dirkmaat和他的團(tuán)隊(duì)還在開發(fā)一系列應(yīng)用程序，這些程序也將利用Space Spider和Micro制作的3D模型。其中包括一個(gè)服務(wù)于執(zhí)法人員的應(yīng)用程序，能幫助現(xiàn)場警官避免混淆人類與動物骨骼。這款應(yīng)用程序會利用逼真的人體骨骼3D模型，同時(shí)還會將動物骨骼（包括鹿、熊、浣熊、牛、豬等）的3D模型縮放后，與人類骨骼進(jìn)行并列比較。

Lanfranchi說道，“在美國，每天都有警*咨詢法醫(yī)人類學(xué)專家，了解他們找到的遺骸是否來自人類。答案往往是否定的，同時(shí)還要評估一下最有可能來自哪種動物。但只要警官們有了這款A(yù)PP，很快就能親自查詢到想要的結(jié)果。”

今年上半年，大學(xué)逐漸開始遠(yuǎn)程教學(xué)，Lanfranchi和團(tuán)隊(duì)也必須轉(zhuǎn)戰(zhàn)虛擬課堂。也就是說，實(shí)驗(yàn)室的課程，只能通過骨骼照片來學(xué)習(xí)了。Lanfranchi回想起這段痛苦的回憶，表示，“這段日子對我們而言太艱難了，對有些學(xué)生而言，很難把虛擬課堂學(xué)到的知識應(yīng)用起來，回到線下實(shí)驗(yàn)室，面對真實(shí)骨骼，他們依然很茫然。”

Lanfranchi再次強(qiáng)調(diào)了三維掃描在法醫(yī)教育領(lǐng)域的重要性，他表示，“在全國許多法醫(yī)課程中，即便在非疫情期間，學(xué)生也接觸不到真實(shí)的骨骼，只能通過教科書上的骨骼照片學(xué)習(xí)。我堅(jiān)信，Space Spider和Micro制作的三維掃描，作為學(xué)科教具，要比書本上的平面圖強(qiáng)多了。而且，我認(rèn)為參加這樣的VR課程，效果不會比利用真實(shí)骨骼學(xué)習(xí)來的差。通過VR學(xué)習(xí)，你不用受到實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間的限制。還能根據(jù)自己的節(jié)奏，想學(xué)多久學(xué)多久。”

Lanfranchi繼續(xù)說道，“有了VR課程，就等于有了一套全天候供你使用學(xué)習(xí)的骨骼，想怎么學(xué)就怎么學(xué)。骨骼也沒有被損壞的可能。而且你的老師還是一位碩士畢業(yè)生，知道教授人類骨科學(xué)的方式。Dirkmaat博士也將課程順序按照科學(xué)合理的方式進(jìn)行了排列。光這點(diǎn)就非常難得。”