A novel application of the white light/fringe projection duo: recovering high precision three-dimensional images from fossils for the digital preservation of morphology

Juan C. Gutiérrez-García, Tania A. Gutiérrez-García, J.F. Mosiño, Ella Vázquez-Domínguez, Amalia Martínez, and Joaquín Arroyo-Cabrales

Plain Language Abstract

The fringe projection profilometry technique (FPP) is a widely used optical technique in which several frames with contrast fringes are projected onto a three-dimensional object, in order to acquire information of its topography in form of an array of data (cloud of points). This technique is useful to obtain three-dimensional (3-D) images that, when used in combination with white light, is an ideal non-contact option to digitalize a variety of objects. Despite its advantages, this technique has been scarcely used for imaging biological materials, mainly because of the difficulties involved in the optical setup and the algorithms needed for image processing. By using the latest advances in both fringe projection and white light, we designed a technique to acquire 3-D images from biological objects. We successfully obtained an exceptionally high quality 3-D image from a fossil jawbone of a tropical wild rodent. The digital preservation of the jawbone was crucial because it had to be destroyed to perform DNA extraction. The optical technique we describe adequately solves the setup problems and allows obtaining a 3-D exact model of rather small, delicate samples.

Resumen en Español

Una nueva aplicación del dúo luz blanca/proyección de franjas: recuperando imágenes 3-D de alta precisión en fósiles para la preservación digital de la morfología

Existe un interés histórico en la preservación digital de características morfológicas de materiales biológicos, especialmente porque a menudo la preservación de moléculas sensibles es crítica para estudios evolutivos. Con este fin, hemos aplicado exitosamente los recientes avances en la técnica de perfilometría de proyección de franjas en conjunción con luz blanca y un nuevo algoritmo de fase para digitalizar la forma de una hemimandíbula de un roedor fósil. Generamos una nube de puntos en un arreglo de datos que nos permitió plotear una restauración digital tridimensional (3-D) de la muestra fósil completa. La resolución máxima de este sistema puede utilizarse con objetos del rango 1–30 mm, minimizando los errores sistemáticos inducidos por pequeñas vibraciones o fluctuaciones de luz y, como consecuencia, mejorando la relación señal-a-ruido de la nube de datos recuperada. Se trata de una herramienta útil para preservar imágenes 3-D de fósiles u otros objetos biológicos para los cuales se necesita información morfológica bastante detallada, como por ejemplo en investigaciones biológicas y paleontológicas o, como en este caso, cuando los investigadores necesitan una réplica morfológica porque la muestra será destruida para extracción de ADN.

Palabras clave: morfometría; luz blanca; roedor; imágenes 3-D; proyección de franjas

Traducción: Diana Elizabeth Fernández

Résumé en Français

Une nouvelle application du duo lumière blanche/projection de franges : obtention d'images 3D de haute précision pour la conservation digitale de la morphologie

Un intérêt historique pour la conservation digitale des caractères morphologiques des matériels biologiques existe de longue date, en particulier car la préservation de molécules sensible est souvent cruciale pour les études en sciences évolutives. À cette fin, nous avons appliqué avec succès les avancées récentes de la technique de profilométrie par projection de franges combinée avec la lumière blanche et un nouvel algorithme de phase pour digitaliser la forme d'une hémi-mandibule de rongeur fossile. Nous avons pu générer un nuage de points dans un tableau de données qui nous a permis d'effectuer une restauration digitale tridimensionnelle (3D) de l'échantillon fossile complet. La résolution maximale de ce système est donnée par la limite de diffraction (de l'ordre du micron), et nous montrons que ce système perfectionné peut être utilisé sur des objets se situant dans la gamme de tailles de 1 mm à 30 mm. Cela minimise les erreurs systématiquement causées par de petites vibrations ou fluctuations de lumière et, par conséquent, améliore le rapport signal/bruit du nuage de données obtenu. Cela est un outil utile pour conserver des images 3D de fossiles et d'autres objets biologiques pour lesquels des informations morphologiques relativement détaillées sont nécessaires, comme dans les recherches des biologistes et paléontologues ou, comme le cas présent, quand des chercheurs ont besoin d'une réplique morphologique car l'échantillon va être détruit pour en extraire de l'ADN ancien.

Mots-clés : morphométrie ; lumière blanche ; rongeur ; imagerie 3D ; projection de franges

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Eine neue Anwendung des weißen/Fringe-Projektions Duos: Gewinnung hochpräziser 3D-Abbildungen von Fossilien zur digitalen Morphologie-Erhaltung

Es besteht ein langes historisches Interesse an der digitalen Erhaltung morphologischer Merkmale von biologischem Material, vor allem weil die Erhaltung von sensiblen Molekülen oft kritisch für Evolutionsstudien ist. Zu diesem Zweck haben wir erfolgreich die neuesten Fortschritte der Fringe-Projektions-Profilometrie Technik angewandt, in Kombination mit weißem Licht und einem neuen Phasenalgorithmus um die Form einer fossilen Nager-Hemimandibel zu digitalisieren. Wir waren in der Lage eine Punktwolke in einer Reihe von Daten zu generieren, die es uns erlaubte eine dreidimensionale (3D) Rekonstruktion der gesamten Fossilprobe zu plotten. Die maximale Auflösung dieses Systems wird durch die Beugungsgrenze bestimmt (im Mikrometerbereich) und wir zeigen, dass das weiterentwickelte System für Objekte von 1-30mm genutzt werden kann. Die systematischen Fehler, hervorgerufen durch leichte Vibrationen oder Lichtfluktuationen, werden minimiert und demzufolge wird der Rauschabstand der gewonnenen Datenwolke verbessert. Dies ist ein nützliches Werkzeug um 3D-Abbildungen von Fossilien und anderen biologische Objekten zu bewahren, für die detaillierte morphologische Informationen gewünscht sind wie bei biologischen oder paläontologischen Forschungsstudien. Oder wie im vorliegenden Fall, wenn Forscher eine morphologische Replik benötigen weil die Probe zwecks Gewinnung von aDNA zerstört wird.

Schlüsselwörter: Morphometrie; weißes Licht; Nagetier; 3D-Abbildung; Fringe-Projektion

Translator: Eva Gebauer

Arabic

516 arab

Translator: Ashraf M.T. Elewa