3D,数字技术在博物馆古生物复原展示中的应用——以无牙芙蓉龙为例*

童光辉

湖南省地质博物馆

当前，科学普及工作越来越受到国家和大众的重视，古生物化石作为自然类博物馆的明星展品，知名度较高，多数科普活动都围绕它展开[1]。尽管古生物化石本身能给观众带来无尽的想像，并且是诠释生物起源、演化及与环境演变关系的科学依据，但通过运用新的展示技术栩栩如生地体现出来，是目前博物馆展览展示的一种趋势。因此，如何运用新技术、新手段把化石蕴含的科学信息以高效、直观、多维度、立体化的方式展示出来，是自然类博物馆面临的新课题。3D 数字技术的发展，为博物馆古生物化石的陈列展示提供了全新的展示方式和发展方向，极大地延伸了博物馆服务空间，拓展了博物馆教育功能，成为满足社会大众的多层次多方位需求的有效途径[2-5]。

芙蓉龙（无牙芙蓉龙，Lotosaurus adentus），是一种波波龙科的主龙类爬行动物，生活在距今约2.3亿年前的三叠纪时期[6-9]。主龙类这一类群可以被划分为以假鳄类（Pseudosuchia）为代表的鳄类支系和以鸟蹠类（Avemetatarsalia）为代表的鸟类支系，芙蓉龙即属于其中的假鳄类[10-13]。而鸟蹠类则包括我们熟知的恐龙类、翼龙类以及一些不属于恐龙类但是定义为恐龙形类的原始类群。保存完整而丰富的芙蓉龙化石是研究三叠纪爬行动物性状演化模式的珍贵材料。由于其重要的科学价值，芙蓉龙化石长期以来一直作为湖南省地质博物馆的镇馆之宝，受到广大游客的关注和喜爱，是湖南省重要的自然资源科普载体。应用3D 数字技术复原芙蓉龙及其生活环境，可以更加生动形象地向公众进行展示与科普宣传。

3D 数字技术又称三维技术，是包括计算机图形学、图像处理、智能接口、人工智能以及高度并行实时计算等一系列高新技术的汇集，已广泛应用于建筑、文物保护、军事、医学、影视等众多领域。古生物化石是已经灭绝的生命存在的唯一实物证据，并且具有重建很久以前消失的生物和生态系统的巨大潜力。当前，3D 数字技术在古生物化石相关领域的应用主要集中在化石三维数据采集、古生物形态恢复和重建（古生物复原）等，用于为古生物化石的研究与科普宣传提供高精度的模型。

1.1 化石三维数据采集技术发展现状

目前应用于化石三维数据采集的技术主要是X射线技术及其各种衍生技术和激光扫描技术。其中X 射线技术应用最早也最为广泛。在X 射线于1895年被发现后的几个月内，古生物学家就开始利用它来检查洪斯吕克板岩中黄铁矿化保存的化石等难以修复的材料[14]。20 世纪末，层析成像方法与X 射线技术相结合而成的X 射线计算机断层扫描（CT）提供了化石三维成像的无损手段，这在研究稀有或独特的化石标本时至关重要。

近几十年来，高能量高分辨率的改进型Micro-CT 与Nano-CT 使得X 射线CT 技术在化石三维数据采集中的应用有了显著改善[15-18]。尤其是Micro-CT 技术得到了特别广泛的应用，因为该技术能够实现几微米或更小的分辨率，适用于各种不同尺寸和成分的化石标本。而近些年兴起的X 射线同步加速器辐射断层扫描技术是所有X 射线层析成像方法中最强大的一种，其基本原理是使用循环粒子加速器产生极其明亮的X 射线用于成像。同步加速器辐射断层扫描技术能够以极高的分辨率快速扫描化石标本，同时由于它采用单色光源，与多色光源相比，能够以更高的对比度和更少的伪影实现更好的成像质量。

上述几种X 射线CT 技术的扫描设备形状和尺寸各不相同，在扫描分辨率和可容纳样本大小方面也具有不同的能力。例如，医用CT 扫描仪可以容纳大样本，但对于较小的化石，其结果分辨率可能非常粗糙。许多研究机构和工程公司使用的Micro-CT扫描仪可以提供更高的分辨率，但对于扫描样本的尺寸有限制（通常在20～30 cm 左右）。

其他的化石三维数据采集技术方案还包括激光扫描技术与聚焦离子束层析成像技术（FIB）。激光扫描技术采用非接触式高速激光测量来获取标本的几何图形数据和影像数据，通过后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理分析，最终建立三维数字模型。激光扫描技术具有设备轻量化、扫描速度快（百万点/秒）、扫描精度高（±1mm）的特点，同时由于采集的点云数据包含空间信息、颜色信息及反射率值，因此最终建立的三维数字模型在表面图案上更加接近化石本身。FIB 层析成像可以获取迄今为止最高的成像分辨率，但是需要对化石标本上小范围的研究区域进行原位顺序铣削和成像，因此仅被应用在3D 中分析非常小的化石的微观表面结构[19]。

由于芙蓉龙化石目前以装架形式展出于湖南省地质博物馆，整体尺寸约为2.4×0.8×0.6 m。如果采用CT 技术采集三维数据，则必须对化石骨架进行一次拆装以便逐块扫描，同时还需要将化石搬运至大型扫描设备所在地，整个过程中不可避免对化石造成损伤。采用激光扫描技术则可以将轻量化的设备搬运至博物馆展厅，对化石骨架进行整体扫描，从而有效避免拆装及运输过程中对化石造成的损伤，还可以大幅节省数据采集工作时间，减少对标本陈列展览的影响。

1.2 古生物复原技术发展现状

古生物三维复原最早可以追溯到20 世纪初，当时地质学家威廉·索拉斯（William Sollas）手工研磨围岩中的化石并定期停下来拍摄研磨表面，随后利用获取到的化石的连续切片图像翻制蜡模，从而可视化化石的三维结构[20]。这种原始的化石三维复原技术会彻底地破坏化石本身，而且非常耗时，因此并没有得到大规模的应用。

进入数字时代以来，古生物复原变成了使用计算机软件在化石（通常是古生物的硬体部分）三维数据的基础上，附加上古生物未保存成化石的软体部分（如皮肤、肌肉等软组织部分），并在古生物三维模型内部创建活动关节以使古生物“动起来”。目前主流的复杂三维可视化和动画软件包括Autodesk Maya 和Blender 两种。其中Autodesk Maya 由美国Autodesk 公司出品，不仅包括三维和视觉效果制作功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合，制作效率高，渲染真实感强，是电影级别的高端制作软件。Blender 则是一款免费开源的软件，它支持建模、绑定、动画、模拟、渲染、合成、运动跟踪等整个3D 创作流程以及视频编辑和游戏创建。经过多年的版本更新与技术迭代，上述两款软件在功能实现上已经没有太大区别，均可用于对细节要求较高的古生物复原。

1.3 古生物数字复原技术在博物馆应用现状

2012 年6 月安大略皇家博物馆在“终极恐龙：冈瓦纳巨兽”专题展中首次引入古生物数字复原技术用于复活展出的恐龙化石，并应用增强现实技术（AR）实现观众与展品间的互动，取得了巨大的成功。近年来，国内的大连自然博物馆、贵州龙化石博物馆先后引入数字复原技术用于复原馆藏的朝阳辽西龙、潘氏抓握鸟及胡氏贵州龙等化石，这些古生物三维数字模型借助增强现实技术（AR）、幻影成像、CG 动画和3D 打印等技术应用于博物馆展陈与文创开发工作，取得了良好的社会效应[21-22]。

芙蓉龙科学复原是在系统全面地研究现有芙蓉龙化石的解剖学信息及芙蓉龙化石产地所处地区中三叠世生态学相关资料的基础上，应用3D 数字技术科学准确地复原芙蓉龙及其生活环境，其实质是将科学和艺术这两个各自独立的领域相融合，让科学研究的成果与现代的技术接轨并以艺术形式加以呈现。

2.1 芙蓉龙化石三维数字建模

在对目前常用的三维数据获取技术综合比较之后，本项目创造性地应用无影匀光点云拍摄+高精度转台自动拼接技术，实现了高精度建模的同时对化石无接触零损伤。化石三维数据采集使用的硬件设备为MagicBox 箱式扫描仪，由2 台5 000 万像素专业单反摄影系统、5 面无影匀光面光源箱体和1个高精度转台组成，专业单反摄影系统获取的亿级像素和全彩纹理可以真实表达化石表面的每个细节。在数据采集的同时，使用Ruler 3D 软件对化石骨架各角度的模型数据进行自动拼接，输出完整的模型数据。

芙蓉龙化石骨架三维建模的实现过程包括以下步骤：

（1）化石骨架三维扫描。将芙蓉龙化石骨架整体放置在MagicBox 箱式扫描仪的高精度转台上，通过专业单反摄影系统和点云相机对其进行360°扫描，并同步获取化石骨架表面高清纹理数据。

（2）使用Ruler 3D 软件的保持结构网格简化算法，在保持网格原始形状的前提下简化化石骨架模型网格；
修复纹理，对扫描过程中漏掉的孔洞进行修补，建立化石骨架白模。

（3）使用曲线裁剪和平面裁剪功能，将化石骨架白模进行拆分，分离出不同材质的部位。

（4）在纹理图片与模型上选择同名点，解算出照片与模型之间的相对位置和姿态，并在场景中进行虚拟拍照，判断姿态的正确性，从而对模型纹理图片进行畸变矫正，消除图片内参误差。

（5）应用平面、柱形、球形和长方体映射方法，使用畸变矫正后的无缝纹理，对化石骨架白模进行UV（纹理贴图坐标）交互式贴图。

（6）检查纹理映射后的化石骨架模型，对个别纹理条纹不齐的区域进行接缝对齐；
导入颜色色板，自动调整模型色调。

2.2 芙蓉龙化石解剖学研究

由于本项目研究的芙蓉龙化石目前以装架状态在湖南省地质博物馆展出，要对化石进行直接接触不仅存在损坏化石的风险，而且对于已装架固定的化石，很难从不同角度进行观察。因此，本项目的芙蓉龙化石解剖学研究主要是通过高精度化石骨架三维数字模型间接开展，辅以对化石骨架和化石产地原位保存化石材料的形态观察。

通过形态观察，发现芙蓉龙解剖学特征如下：芙蓉龙体长约2.4 m，高约0.8 m，尾部长约1.1 m；
头部顶视为长三角形，长约22 cm，顶部宽阔而较平；
上下颌吻端弯曲，咬合时上颌包覆下颌，下颌无牙齿着生；
颈部长约28 cm；
背神经脊骨板拉长，最长者约17 cm；
前肢长约44 cm，后肢略长，约48 cm；
前脚掌长约18 cm，后脚掌长约22 cm，趾骨末端呈背腹扁平的三角状；
耻骨相对较短，并缺乏扩展的远端结节；
腹膜肋长而纤细。

2.3 芙蓉龙数字复原建模

芙蓉龙数字复原建模是在数字化石模型与解剖学研究的基础上，利用三维动画软件对缺失或变形的骨骼化石进行修正和拼接，利用3D 建模、皮毛渲染、骨骼绑定和运动匹配技术相结合制作芙蓉龙的复原模型，模拟其生理机制，让芙蓉龙“活”起来。值得一提的是，由于化石保存在所难免的不完整性，由破损或完全缺失等因素造成的未知就只能通过前人研究和尽量贴近真实的想像来复原。针对化石的缺失信息部分，需要在复原过程中参照亲缘关系较近的其他属种化石或者现生生物，以尽可能保持复原的科学性。

芙蓉龙三维复原使用的主要软件是Autodesk Maya 2018，工作过程包括身体结构比例确定、关节设计与联动、肌肉设计、关节与肌肉和皮肤绑定联动等（见图1）。具体步骤如下。

图1 芙蓉龙数字复原建模过程

（1）分析芙蓉龙化石骨骼结构，以及头骨与身体、身体和四肢等各部位之间的比例关系。

（2）确定最终的比例关系后，进行基础的模型定位，构建基础的多边形。运用Maya 软件判断肌肉力臂、关节活动范围和其他一些关键参数，这些参数可以促进对芙蓉龙姿势与运动的理解，同时参考鳄鱼、河马等现生四足动物骨骼与肌肉的生成规律，对芙蓉龙的基本形态做出合理的搭建。值得注意的是，芙蓉龙短而无牙的头盖骨显示了其食草习性，这为下一步复原芙蓉龙生态环境提供了食性方面的科学依据。

（3）参考现生四足爬行动物的皮肤特征，根据芙蓉龙生活的环境以及当时气候对动植物的影响，推测出芙蓉龙皮肤的相关细节，经过数字渲染出芙蓉龙皮肤褶皱颜色等信息。由于芙蓉龙生存于干旱炎热气候下河流漫滩环境，因此本项目使用现代相似生活环境中河马的皮肤作为原始素材，绘制平面纹理贴图。

（4）根据芙蓉龙体型及骨骼解剖学特征，构建骨架、制作芙蓉龙活动关节，将活动关节与芙蓉龙数字模型绑定，渲染出符合芙蓉龙生理结构特征的行走规律的动画。

为了科学准确地复原芙蓉龙的生活环境，本项目在收集整理芙蓉龙化石产地所处地区中三叠世古生态、古环境和古地理相关文献资料的基础上，对芙蓉龙化石产地开展了野外考察，调查芙蓉龙化石产地中三叠世古生态、古环境和古地理信息，为科学复原芙蓉龙生活环境、建立场景数字模型提供了科学依据。

芙蓉龙化石产地位于欧亚板块东部的扬子板块桑植—石门北东东向褶皱带，桑植—官地坪向斜中部东南翼。芙蓉龙化石产于中三叠统巴东组下段紫红色泥质粉砂岩中，化石层呈透镜体状，平均厚度约30 cm。

3.1 三叠纪古地理

三叠纪始于距今2.52 亿年，结束于距今2.01 亿年前，其开始为二叠纪末生物大灭绝后的残留和复苏阶段，结束则以生物大灭绝事件为标志。在三叠纪开始时，仍然继承着二叠纪末形成的盘古泛大陆，几乎所有的大陆都聚合成C 形的超级大陆。盘古泛大陆覆盖地球表面约四分之一，在经度约为60°的狭窄带中从北纬85°延伸到南纬90°。在东部，巨大的海湾深入盘古大陆，形成古特提斯洋。泛大洋覆盖了地球的其余部分，从北极延伸到南极，覆盖赤道的宽度是当今太平洋的两倍。

芙蓉龙化石产地所处的华南板块在三叠纪时期属于特提斯多岛洋体系的一部分，位于盘古泛大陆东部的赤道低纬度地区[23-24]（见图2）。巴东组地层总体呈向上变浅的序列，其特征是西部为深水浊积岩，东部为较浅的台地碳酸盐岩和潮坪碎屑岩。然而，野外工作发现桑植地区至少有一部分2 段的沉积存在完全大陆性条件，湖北省中部2 段顶部附近也记录了完全冲积相[25]。这些观察结果表明，当第2 段地层被沉积时，华北与华南两个板块已经发生碰撞，并且动物区系交换是可能的。

图2 芙蓉龙化石产地三叠纪古地理复原图

3.2 三叠纪古气候

三叠纪时期的全球气候条件似乎比现在更加均匀。没有极地冰存在，赤道和两极之间的温差没有今天那么悬殊。芙蓉龙化石产地所处的华南板块在三叠纪时期位于赤道附近，意味着芙蓉龙很可能生活在干燥炎热的古气候条件下。而野外沉积学研究也证明了这一点。芙蓉龙化石剖面露头有许多沉积构造，包括交错层理、爬坡波纹、上平面层理、凹槽和碎裂碎屑，以及点坝侧向堆积的证据，这些沉积构造均与河流漫滩沉积环境相一致。此外，该剖面还含有丰富的大陆遗迹化石（包括根迹）、泥裂缝和上覆下伏层位的古土壤。某些地层中存在小型碳酸钙结核、弱至中等土层发育、根系、滑面和块状构造，这些都指示了季节性的干旱气候环境[26]。

3.3 芙蓉龙生活环境植被复原

中国三叠纪植物地理分区包含以古昆仑山—古秦岭—古大别山为界的南、北两大植物地理区。芙蓉龙化石发现地属于其中的南方植物地理区，陆地植被特征以裸子植物的兴盛为代表[27]。本项目选取了当时最具代表性的陆地植物桫椤、苏铁、松树和银杏，制作了芙蓉龙生活环境复原场景（见图3）。

图3 芙蓉龙生活环境复原场景

应用终端图像识别技术和终端三维展示技术，芙蓉龙3D 数字复原模型以CG 动画和增强现实互动展项的形式应用于湖南省地质博物馆生命演化厅，以数字模型为载体，搭配AR 识别、娱教游戏、影音讲解等方式，展示芙蓉龙相关科普知识。该展项不仅丰富了实体博物馆的展览展示手段，激发了观众的好奇心，而且借助移动互联网实现了对自然资源科普知识更深入、更广泛、更持久的传播。

古生物化石是生命演化历史的实证材料，是宝贵的不可再生的地质遗迹，是开展环境保护和生态文明科普宣传的重要载体。深入挖掘古生物化石知识，讲好地球故事，同时应用新技术创新科普传播手段，打破地域和时空的限制，拓宽受众面，既是贯彻落实习近平总书记关于科技创新、科学普及是实现创新发展的“两翼”的重要论述精神，也是在新时代努力探索古生物化石保护利用之路的重要举措。