Scansioni Artec 3D senza marcatori per un museo interattivo del teschio umano

Potreste pensare che, normalmente, guardare il cranio di un animale morto non è una cosa divertente da fare, ma il team del San Cloud State University Visualization Lab in Minnesota vi fa riconsiderare le vostre preferenze estetiche. Guardando questo video, che illustra la filosofia del museo interattivo dei teschi, non si può fare a meno di ammettere che l'idea di visualizzare una collezione di crani provenienti dal museo dell'Università è stranamente accattivante.

Questo risultato affascinante può essere attribuito alle immagini dei teschi in 3D incredibilmente dettagliate e per questo dovremmo ringraziare Artec Spider e Artec Studio 10.

"In realtà, non si tratta di ciò che facciamo quando utilizziamo Spider in altre circostanze," dice l'ingegnere per la visualizzazione Mark Gill, capo del VizLab.

Il museo dei teschi è uno dei pochi progetti sui quali VizLab ha lavorato. Il suo obiettivo è quello di sviluppare la visualizzazione e le soluzioni multimediali ed esperienziali per le complesse esigenze della comunità universitaria. Ciò include la fornitura di software per il supporto in classe, la ricerca e le attività di laboratorio, assieme alle esigenze che non possono essere facilmente soddisfatte con il software attualmente disponibile in commercio.

"Lavoriamo con i membri della Facoltà per fornire esattamente le esperienze di laboratorio che essi richiedono," spiega Mark. Gli studenti che lavorano nel laboratorio cercano di creare software e tecnologie che usualmente non fanno parte di un normale curriculum.

Il laboratorio ha recentemente acquistato due  scanner 3D Artec, Eva e Spider, grazie ai quali il museo interattivo dei teschi è diventato una realtà.

"Prima di acquistare i nostri scanner, Spider ed Eva, non avevamo fatto molto lavoro come questo", afferma Mark Gill. "Avevamo strumenti per la modellazione come 3DS Max e costruivamo la maggior parte dei nostri modelli a mano, ma l'acquisizione accurata di oggetti dal mondo reale era qualcosa che non potevamo fare bene. Avevamo utilizzato scanner di altro livello, che potevano soddisfare le nostre esigenze riguardo a oggetti di dimensioni molto grandi. Abbiamo anche esaminato alcune opzioni di fotogrammetria ma abbiamo ottenuto risultati contrastanti".

Spider riempie una nicchia che, per un certo periodo di tempo, è mancata al laboratorio, rendendo possibile, ad esempio, l'ingegnerizzazione inversa delle parti della vecchia macchina e la creazione di modelli 3D di reperti archeologici come, ad esempio, frecce o cocci rotti. Il laboratorio del nostro team può ora stampare duplicati 3D di artefatti inestimabili e comporre archivi elettronici di pezzi da museo in prestito. "I dettagli delle scansioni che otteniamo da Spider sono decisamente buoni e stiamo iniziando a esplorare l'analisi geometrica delle superfici di scansione," spiega Mark.

Secondo lui, il reparto arte è interessato alla possibilità di eseguire la scansione 3D delle sculture per includerle in progetti multimediali. Uno strumento come Spider permette una rapida integrazione di supporti fisici nello spazio virtuale. Hanno anche in programma di avviare la scansione degli utenti al fine di utilizzare l'aspetto fisico di una persona reale come avatar in un ambiente virtuale.

Il Lab è aggiornato ad Artec Studio 10 e il personale sembra più che soddisfatto.

"È lo strumento migliore che ho trovato per la correzione degli errori in una maglia destinata alla stampa 3D", afferma Mark. "Posso importare un modello creato in qualsiasi formato e prepararlo rapidamente per la prototipazione; di solito semplicemente con un remeshing del modello, o applicando la fusione nitida di un insieme di maglie separate."

AS 10 ha dimostrato di essere un ottimo strumento per ripulire e presentare dati provenienti da un microscopio elettronico a scansione, come nel caso di una superficie di cristallo di pochi micron, o di organismi unicellulari. Questi dati spesso arrivano con una certa ridondanza di informazione extra. Con gli strumenti di editing di AS 10, tale ridondanza può essere eliminata e una maglia può essere fusa assieme.

Ora diamo uno sguardo più da vicino a come AS 10 e Spider sono stati utilizzati per il progetto considerato, il museo interattivo dei teschi. Il museo espone una collezione di teschi di mammifero provenienti dal museo SCSU; il più piccolo è delle dimensioni di un topo e il più grande come quelle di una mucca. Essi presentano una vasta gamma di superfici, texture e dimensioni. Esemplari più piccoli, come gli opossum e la volpe rossa, sono abbastanza lucenti e traslucidi. Esiste un programma di digitalizzazione della raccolta di  teschi di ominide dell'Università, sul quale Mark ha iniziato a lavorare.

Questo museo è iniziato con un esercizio del laboratorio scolastico per gli studenti di biologia che studiano le caratteristiche tramandate dai comuni antenati filogenetici. Il progetto è finalizzato a soddisfare i bisogni specifici del programma di biologia dell'Università.

Per eseguire la scansione di quasi tutti i pezzi, Mark ha utilizzato una piattaforma girevole di scansione, ponendo segni casuali su di essa, per agevolare la registrazione. Alcuni dei pezzi avevano sufficiente consistenza, in modo che non è stato necessario ricorrere ad aiuti durante la registrazione, ma per gli altri è stato più dificile.

La maggior parte degli esemplari più piccoli ha richiesto circa un'ora per eseguire la scansione e l'intero processo. Il cranio e la mascella di ciascun campione sono state salvate in scansioni distinte. I teschi sono piuttosto complessi e hanno strutture organiche complicate, in modo che Mark ha realizzato circa otto scansioni di ogni pezzo per assicurarsi di aver catturato caratteristiche come i denti da ogni angolatura.

"Poiché i pezzi sono presi in prestito dal museo non volevo mettere eventuali segni extra sui provini stessi, o applicare qualche polvere che mi potesse aiutare," spiega Mark. "Ho impostato una sensibilità maggiore su Spider per gestire alcune delle superfici più difficili da interpretare."

Il più impegnativo è stato il cranio di cervo. Gill si è occupato del cranio e dei palchi in due diversi progetti e la mascella in altri due progetti distinti. Il teschio di cervo da solo ha prodotto 23 diverse scansioni, per un totale di circa 12 GB di dati da scansione.

Il processo di creazione della maglia finale è iniziato con una fusione nitida di tutto il cranio a 1 mm di risoluzione. Ciò ha portato a maglie di dimensioni variabili di poco meno di un milione di facce per il topo e di circa 4 milioni di facce per il cervo. Tutto il resto stava nel mezzo.

Mark ha duplicato la maglia del cranio di cervo prima di semplificarla e applicare alcune texture, dal momento che aveva bisogno di differenti versioni della maglia per parti diverse.

"La semplificazione delle maglie in AS 10 è la migliore che abbia mai visto," spiega Mark. "Altri pacchetti consentono di inserire alcuni parametri, ma il conteggio finale delle facce è qualcosa di azzardato e la qualità, se si assottiglia la maglia, è davvero pessima. Con AS 10 posso digitare il numero esatto di facce che desidero abbia la maglia e ne ottengo una con quell'esatto numero. E così i risultati che ottengo sembrano migliori rispetto ad altri software".

Mark poi ha renderizzato le texture a 4096x4096 e ha esportato una maglia molto semplificata come file .obj con i materiali.

Da questi, Mark ha spostato il modello in 3D Studio Max 2016 per accoppiare il cranio e l'osso della mascella. Li ha allineati nel modo in cui dovrebbero combaciare tra loro e ha reimpostato l'origine, per entrambi i modelli, sullo stesso punto di allineamento. In questo modo possono muoversi assieme, ma possono anche essere articolati separatamente.

Dopo la fusione dei modelli Mark li ha esportati, mantenendo sempre la mascella e il cranio come oggetti distinti come file .FBX Autodesk con mezzi integrati.

L'attuale museo dei teschi è integrato con il motore Unit 5 Game. "Sto personalizzando alcune grandi tabelle multi-touch che abbiamo, così sto utilizzando uno strumento chiamato Gestureworks che consente di gestire il tocco durante la manipolazione," spiega Mark. L'unità permette la prototipazione rapida della maggior parte dei tipi di applicazioni interattive 3D. Esso utilizza C# come linguaggio di script, in modo che io possa programmare il comportamento esatto dei teschi; controllare il modo in cui essi si muovono nel motore di gioco, come renderli nella giusta scala o come far aprire loro le mascelle. L'unità ha anche gli strumenti e i comandi per un facile controllo dell'illuminazione e di altri effetti visivi.

"Ora che il prototipo dell'applicazione è realizzato vi mostreremo la possibilità dal Dipartimento di biologia di vedere come si abbina alle loro esigenze", afferma Mark. "Infine, questo permetterà agli studenti di gestire i campioni e di confrontarli con gli altri esemplari senza doversi preoccupare del loro effettivo movimento".