Artec 3D扫描仪在邓迪大学在医疗美术等项目中的应用

19/04/2021

作者Matthew McMillion

每次看到科普视频,告诉我们病毒是如何传播的,以及如何预防病毒钻进呼吸道,就不得不感谢医学插画师。现代医疗和保健领域在过去一个世纪已经发展得相当高深。

邓迪大学医学美术学生使用Artec Space Spider扫描

医学插画师都是幕后工作者,他们把复杂的医学内容变成简单易懂的图片、简图、视频,以及其他生动形象的呈现方式。

邓迪大学内耳多个结构的医学美术插画

邓迪大学医学美术专业为该领域培养医学插画师,研究生课程为期12个月,涵盖内容日益丰富的医学美术领域的方方面面。随着科技和视觉传达设计的不断发展,现在恐怕是投身这一热门行业的最佳时机了。

邓迪大学医学美术3D模型解释肾脏疾病

医学美术插画师通常要接受解剖学培训,保证他们的作品不仅美观,而且符合医学常识,这是因为作品精确与否,特别是交到医生手中的作品,可能关乎生死。所以,一场正规的解剖培训是医学美术专业的重要组成部分。

人体足部3D扫描用于制作这份足部解剖图

医学插画的应用场景可以是一位儿童在父母陪同下,听医生给出诊断,以及各种治疗方案。对父母而言都是如此紧张的时刻,在儿童眼里就显得更加可怕和迷茫了。但医学插画可以协助改变这样的处境。

想象这位医生,从办公桌前起身,向孩子走去并坐下,让自己和孩子一样高。她温柔地唤醒iPad,并和孩子父母一起观看了有关孩子疾病的一段彩色动画,以及可选的几个手术方案。这时,孩子紧张的肩膀终于放松了,她松了口气。

其他应用案例还包括虚拟手术。医科大学开始研发合成不同外科手术的高仿真AR(增强现实)和VR(虚拟现实)模拟,给医学生使用。这样的模拟离不开现在的医学插画,对解剖精准度的要求极为严苛。

邓迪大学学生与VR环境互动

模拟过程中,医学生可借助虚拟手术刀、电钻等工具打磨自己的精细动作和肌肉记忆。因此,如果虚拟患者的3D模型解剖结构不准确,那未来,这名医生可能无法在真实患者身上顺利完成手术。

为提高真实度,除了VR头盔外,这些模拟程序还会采用触感设备,要求用户做出和真实环境一样的动作,施加一样的力,来完成手术。模拟训练的效果非常令人满意。

加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院2019年的一项研究表明,参加过VR手术模拟培训的学生各方面表现更优秀,比经过传统手术培训方式的学生高出130%。

医学插画师有几种不同方式,可以完成3D模型的制作。传统方式就是3D建模。邓迪大学的医学美术专业提供这样的课程,教授学生这门技术,训练扎实的水平,满足日后工作需要。

但是3D建模通常需要很长的时间,经历繁琐的步骤,才能创作出3D内容。另外,如涉及到自然外形,比如人体骨架或肌肉系统,哪怕是经验丰富的3D建模专家也会选择更高效的方式,即数字捕获。

3D扫描就是其中一种途径。邓迪大学发现手持式3D扫描仪速度快,操作简单,即便是零经验的学生都能快速上手,几秒完成物体采集,于是欣然接受了这款产品。最终效果更是无可挑剔:3D模型达到科学级别的精准度,可用于解剖插画、VR/AR医学应用,还有3D打印,博物馆访客也能手握各种无价标本体验学习,这是从未有过的体验。

Artec 3D金牌经销商、3D扫描专家Patrick Thorn演示完Artec Eva和Space Spider 3D扫描仪后,邓迪大学医学美术专业课程主任Caroline Erolin博士很快做出了决定。

用她的话说,“我们需要用数字捕获的方式完成很多天然结构的扫描,包括人体骨骼和动物标本,扫描过程要快速轻松,扫描数据到3D模型的步骤要尽量简单,能随时用于VR和3D打印,我们的要求一点也不低。”

邓迪大学医学美术专业学生使用Artec Space Spider扫描人类头骨

她继续补充道,“但我们看完Patrick Thorn安排的首次Artec扫描仪演示后,就意识到我们找到合适的扫描仪了。我们的学生没有任何扫描或3D建模的经验,但同样可以几分钟就上手扫描。使用体验很愉快,特别是看到捕获的物体立刻呈现在屏幕上,3D色彩鲜明,速度飞快。”

邓迪大学随后为医学美术专业购买了一台Artec Eva和三台Space Spider,还有几十份Artec Studio许可,这是非常著名的3D扫描处理软件

用Patrick Thorn的话来说,“自打我和Caroline以及邓迪大学合作那天起,就发现Artec 3D扫描仪非常适合他们。很快,其他院系也发现了这些设备,也选择了Artec 3D扫描仪。这次合作非常成功,很自豪自己能参与其中。”

邓迪大学医学美术学生使用Artec Eva扫描同学

目前,邓迪大学医学美术专业使用Artec Eva和Space Spider的扫描项目如下:

  • 人类头骨,协助脸部重建——包括法医和考古领域
  • 动物学与解剖标本对比,面向公众互动、教学、研究
  • 青少年骨学,协助保存一些易碎藏品,并通过安全无损的方式用于教学
  • 成人骨学/骨骼标本,用于教学与科研
  • 部分3D模型会被医学美术学生修改整合(在ZBrush/Maya中做肌肉模型),制成解剖学的教学材料
  • 教授医学美术和法医艺术学生所有3D扫描和处理技巧
  • 扫描用蜡等传统材料制作的模型——通常为学生作业

Erolin博士还解释了这些扫描仪对学生有哪些益处,“学生毕业的时候,已经在Artec Eva和Space Spider上操作了几十小时了。他们会亲自挑选设备,只要几分钟就能完成河豚鱼到人类头盖的数字捕获。最后,把这些扫描数据一步一步制作成3D模型,用于其他医学美术项目。包括教材插画、在线动画、虚拟博物馆展等VR环境,当然还有标本的3D打印,让研究人员和博物馆访客直接接触。我们的学生可以通通学到。”

Artec Space Spider扫描的河豚鱼3D模型(Sketchfab)

这个在线图库展示了邓迪大学学生的部分医学美术作品。

至于博物馆展品的3D扫描是否安全,Erolin表示,“我们要扫描的许多展品都是易碎品,容易受伤,所以我们必须严格限制接触时间。Artec Eva和Space Spider非常适合这类项目。结构光技术安全无害,不具破坏性,无论是扫描脆弱的动物标本还是古老化石都没问题。”

邓迪大学使用Artec Space Spider扫描制作的医学美术插画

Erolin继续说道,“考虑到扫描仪捕获速度很快,哪怕是零经验的学生也能在一个下午安全完成十几件标本的扫描。对博物馆来说,干扰就能降到最低,还能收获满满。现在都是网络授课,尤其过去几个月全球都遇到了不小的挑战。Artec就成为一把金钥匙,助我们顺利实现展品的数字化。”

Artec Eva扫描的北非森林象头骨3D模型(Sketchfab)

“让你感受一下在线动物标本展品有多吸引人,达西汤普森动物学博物馆只对一小部分展品进行了数字化,但已经吸引了来自世界各地十几个国家的20000多位访客,在线访问了我们的3D模型。参观人数还在不断上升。”

“这么做不仅可以把展品开放给许多无法亲自前往苏格兰参观博物馆的人,还能提升博物馆在国内外的名声。当前世界熙熙攘攘,能收获世人一份关注十分难得。”

对学校而言,扫描仪最吸引人的地方是学习过程很快,而且Artec Studio扫描处理软件也很容易掌握,这步操作对3D模型的制作十分重要。

邓迪大学医学美术专业学生使用Artec Space Spider扫描人类下颌骨

Erolin博士具体说明了使用流程,“扫描流程大致如下:先用Eva或Space Spider扫描物体,根据不同尺寸大小,捕获需要的部位。通常我们使用Artec Studio中的默认设置,但遇到高难度物体,比如黑色、反光表面,偶尔也会调整下敏感度。随后我们进行粗配准和细配准,再对齐扫描。之后进行全局配准,再用橡皮擦和异常值移除功能清理下数据。”

“处理头骨或需保留大量解剖学细节的物体时,我们常常使用尖锐融合功能。处理脸部或其他表面光滑的物体时,使用顺滑融合更好。小物体过滤和快速网格简化完成后,用融合扫描制作纹理,并以带纹理的OBJ文件导出,既可以是JPG,也可以是PNG格式。最后,在ZBrush中进行最终处理。”

“只要你不重新拓扑或切割网格,那ZBrush也支持模型的打磨,同时UV图不会丢失。你也可以把纹理图投射到Polypaint上(保证至少分割过一次模型几何,确保多边形数量足够多)并整理,最后根据Polypaint制作全新纹理图。”

邓迪大学医学美术专业学生使用Artec Eva扫描同学

Erolin博士分享了自己对职业和3D扫描的看法:“医学美术和艺术家的未来非常广阔。如今能投身这一领域非常令人激动,特别是现在有了像Artec扫描仪这样的先进科技,我们能把真实世界带有天然外形的复杂物体变为3D模型,还比我们想象的更快更轻松。”

“就我个人来说,看到这些标本变成3D形象,非常激动。对各地的医学艺术家和学生来说,包括将来希望学习的学生,3D模型是为医学和法医领域制作效果准确、简单易懂的艺术作品的重要手段。

最近,他们还发现拥有大量3D模型有另一个意料之外的好处。今年由于新冠肺炎,许多课程临时取消,很多线下课程只能网络授课。Erolin博士说,邓迪大学解剖与法医人类学中心研究了几个网络平台,想通过平台和专业学生共享3D模型,后来他们选择了Sketchfab。这是因为这个平台操作简单,还支持高校使用。

Space Spider参与制作:Sketchfab上的头部解剖蜡模3D模型

模型可以从3D建模软件中直接上传,比如可以通过内置功能从ZBrush上传,也可以用Sketchfab主页上的上传键。上传后,可以在“3D设置”标签修改不少参数,包括模型定位与视场设置;添加大学定制水印;调节光线;设置材料特性,如光泽度和透明度;增加标注;甚至是查看VR模型的设置。

Sketchfab上的人类骨盆3D模型(ZBrush标注肌肉附着点),Space Spider制作

3D模型也能和纹理图一起上传,但Sketchfab也可读取顶点颜色,所以在没有纹理图的情况下,这一功能就很有用了。有了Pro账户,你还能存放私人模型,如果你有些内容敏感的扫描,只希望开放给特定人群,那这个功能就很方便了。另外,在知识共享组织的许可下,Sketchfab上的作品也能轻松流通和分享。存储到Sketchfab上后,3D模型即可轻松嵌入网站和社交媒体上,也能下载进行3D扫描。

邓迪大学的3D扫描应用非常成功,他们还经常向英国及世界其他高校和教育机构推荐Artec 3D扫描仪。Erolin博士作为医学插画研究所(IMI)成员,还邀请Patrick Thorn & Co参加了研究会的常规活动。最近一次是2019年10月在北爱尔兰贝尔法斯特举行的一场2天的会议。

活动期间,Patrick Thorn的工作坊活动引起了不小的轰动,参会人员有机会体验了三款Artec 3D专业级手持式扫描仪:Artec Leo、Space Spider、Eva。两场工作坊分别是:“3D捕获充实人脸重塑”,以及“3D扫描——助力医学摄影实现更多”。

“Caroline和邓迪大学成功推荐了我们Artec 3D的产品,”Thorn说道,“我们走进了苏格兰很多高校和企业。”

想了解Artec 3D扫描仪在邓迪大学其他学院的应用情况,请访问:

https://www.artec3d.cn/cases/artec-goes-arctic

https://www.artec3d.cn/cases/anatomical-3d-visualization-at-university-o...