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Peter FalkinghamThis email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
School of Earth, Atmospheric and Environmental Science
University of Manchester
Williamson Building, Oxford Road
Manchester, M13 9PL
England

Peter Falkingham graduated from the University of Bristol, U.K. with a BSc in Biology and Geology (Joint honours) in 2003, and the following year with an MSc in Computer Science. Peter spent a year at the Yorkshire museum as a documentation assistant before undertaking a PhD at the University of Manchester, U.K. which he completed in 2010. His current research is focused on using computational techniques including finite element analysis to study dinosaur track formation.

 
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FIGURE 1. Sample images used to produce a 3D model of a Chirotherium trackway (See results).

Figure 1.

FIGURE 2. 1. Sparse point cloud generated by Bundler. Green, red, and yellow points indicate camera positions. 2. Dense point cloud generated by running CMVS and PMVS-2 on the output from Bundler.

Figure 2.

FIGURE 3. Images of specimens used for production of 3D digital models. From upper left clockwise: trilobite (Phacops latifrons), Chirotherium trackway, fossil tree (Stigmaria ficoides) root system, mounted Asian elephant skeleton (Elephas maximus).

Figure 3.

FIGURE 4. Dense point cloud of trilobite containing 179,294 points. Scale bar measuring millimetres is included in the point cloud.

Figure 4.

FIGURE 5. 3D digital model of Chirotherium trackway. 5.1 – Dense point cloud containing 2,171,040 points. 5.2 – 3D polygon mesh. 5.3 – Close up of area highlighted in 5.1 showing small vertebrate tracks and detail of rock surface. 5.4 – 3D polygon mesh coloured according to vertex angle (orientation of individual faces) to highlight topography.

Figure 5.

FIGURE 6. Dense Point cloud of mounted Asian elephant skeleton constructed from 207 photographs (comprising 2,090,058 points). Skeleton is ~3 m from tusk to tail.

Figure 6.

FIGURE 7. Comparison of dense point clouds produced using 44 (left) and 207 photographs (right). With additional photographs taken focusing on complex areas such as the jaw, the result is a considerably higher resolution point cloud.

Figure 7.

FIGURE 8. 3D digital model of the tree root system. Above, dense point cloud consisting of 841,059 points. Below, polygon mesh. Tree root system is ~ 6 m in diameter.

Figure 8.

FIGURE 9. Dense point cloud of the Manchester Museum (field of view ~ 60 m). This point cloud contains 1,070,573 points.

Figure 9.

FIGURE 10. Comparison between photograph of specimen (left), 0.3 mm resolution laser scan (middle), and photogrammetric model (right). Visible area of laser scan consists of 96,832 vertices, and visible area of photogrammetric model contains 1,390,894 vertices. Scale bars equals 10 mm.

Figure 10.

 
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Appendix files are available in a single zipped file.

APPENDIX 1. Point cloud file (binary *.PLY format) of trilobite Phacops latifrons, comprised of 179,294 points. Produced using 35 photographs. Includes scale bar with mm/cm markings. Point cloud has been scaled to correct size.

APPENDIX 2. Point cloud file (binary *.PLY format) of Chirotherium trackway, comprised of 2,171,040 points, and produced from 50 photographs.Point cloud has been scaled to correct size.

APPENDIX 3. Polygon mesh file (binary *.PLY format) of Chirotherium trackway.

APPENDIX 4. Point cloud file (binary *.PLY format) of Asian elephant, comprised of 310,236 points and produced from 44 photographs. Skeleton is ~3 m in length. Point cloud has been scaled to correct size.

APPENDIX 5. Point cloud file (binary *.PLY format) of Asian elephant, comprised of 2,090,058 points, and produced from 207 photographs.Skeleton is ~3 m in length. Point cloud has been scaled to correct size.

APPENDIX 6. Point cloud file (binary *.PLY format) of fossil tree root system, comprised of 841,059 points, and produced from 24 photographs. Root system is ~6 m across. Point cloud has been scaled to approximately correct size.

APPENDIX 7. Point cloud file (binary *.PLY format) of the front of the Manchester Museum, comprised of 1,070,573 points, and produced from 52 photographs. Point cloud covers approximately 60 m of building.

 
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TABLE 1. Table detailing the specimens used to generate 3D digital models, their approximate overall size, the number of photos taken, and the resulting size of point cloud. Also listed are the relevant appendices containing the digital *.PLY point cloud file (and in the case of the Chirotherium trackway also polygon mesh). (See Appendix.) 

 

Specimen

Approx. size
of specimen

Number
of photos

Number
of points

3D file

Trilobite

4 cm

35

179,294

Appendix 1

Chirotherium

1.4 m

50

2,171,040

Appendix 2 (Point cloud)

Appendix 3 (mesh)

Elephant

3 m

44

310,236

Appendix 4

Elephant

3 m

207

2,090,058

Appendix 5

Tree root system

6 m

24

841,059

Appendix 6

Manchester Museum

50 m

52

1,070,573

Appendix 7

 
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Acquisition of high resolution three-dimensional models using free, open-source, photogrammetric software

Peter L. Falkingham

Plain Language Abstract

A free, open source method for producing high quality digital models from photogrammetry is described. The method is applied to a number of palaeontological specimens ranging in size from a few cm to several metres in order to illustrate the utility of the method to a wide range of aspects of palaeontology.

Resumen en Español

Obtención de modelos 3D de alta resolución mediante el uso de software fotogramétrico gratuito de código abierto.

La digitalización en tres dimensiones de recursos paleontológicos resulta enormemente útil para archivar, analizar y visualizar ejemplares que sean demasiado grandes para su manipulación, demasiado valiosos para su destrucción parcial o que, simplemente, se encuentren en una localidad diferente. La digitalización de un ejemplar para obtener un modelo tridimensional requiere a menudo el uso de costosos equipos de escáner mediante láser o de programas de reconstrucción digital patentados, lo que hace que la técnica sea inaccesible para muchos investigadores. En este trabajo presentamos una guía para obtener modelos 3D de alta resolución a partir de fotografías y mediante el uso de programas gratuitos de código abierto. Para demostrar la precisión y flexibilidad de este método, aplicable tanto a ejemplares como a afloramientos de muy distinto tamaño, se incluyen algunos ejemplos como un pequeño trilobites (~0.04 m), un esqueleto reconstruido de elefante (~3 m) y el sistema de raíces de un gran árbol fósil (~6 m). Se adjuntan los archivos digitales de esos modelos. Los resultados demuestran que la obtención de modelos digitales de ejemplares para su archivo o estudio está a la disposición de cualquier investigador. Es de esperar que un mayor uso de las técnicas de digitalización facilite la investigación e incremente la colaboración y diseminación de los datos digitales.

Palabras clave: Fósil; digital; modelo; fotogrametría; archivo; escaneo por láser

Traducción: Miguel Company

Résumé en Français

Acquisition de modèles 3D haute résolution a l’aide d’un logiciel photogrammétrique gratuit en ‘open-source’

La numérisation 3D d’objet paléontologiques est d’un utilité considérable pour cette discipline, fournissant les moyens d’archiver, analyser, et visualiser des spécimens qui seraient autrement trop grand pour être manipulés, trop précieux pour dégradés par un échantillonnage, ou tout simplement à des localisations géographiques différentes. La numérisation d’un spécimen afin de produire un modèle numérique 3D nécessite souvent l’utilisation d’équipement de balayage laser ou de logiciel de reconstruction numérique privé coûtant très chers, rendant cette technique inaccessible à de nombreux travailleurs. Nous présentons ici un guide pour produire des modèle 3D en haute résolution a partir de photographies, utilisant un logiciel ‘open-source’ disponible gratuitement. Afin de démontrer la précision et la flexibilité de l’approche, plusieurs exemples sont donnés, incluant un petit trilobite (~0.04 m), un grand squelette d’éléphant monté (~3 m), et un très grand réseau de racines d’arbre fossile (~6 m), illustrant ainsi que la méthode est applicable à des spécimens ou d’affleurements de toutes tailles. Les fichiers numériques des modèles produits sont inclus dans l’article. Les résultats démontrent que la production de modèles numériques à des fins de recherche ou d’archivage est a la portée de tout le monde, et il est à espérer qu’une augmentation de l’utilisation des techniques de numérisation va faciliter la recherche et encourager les collaborations et la dissémination de données numériques.

Mots clefs : fossile, numérique, photogrammétrie; archive; balayage laser

Translator: Olivier Maridet

Deutsche Zusammenfassung

Akquisition von hochauflösenden 3D-Modellen mit frei zugänglicher, Open-Source photogrammetrischer Software

3D Digitalisierung paläontologischer Ressourcen ist im Feld von enormem Nutzen, da die erforderlichen Mittel bereitstellt werden, um zu archivieren, analysieren und Stücke darzustellen, die sonst zu groß in der Handhabung oder zu wertvoll wären oder sich einfach schlichtweg in einer anderen geographischen Region befinden. Digitalisierung eines Stückes für ein 3D digitales Modell erfordert oft eine teure Laserscanning-Ausrüstung oder geschützte digitale Rekonstruktions-Software, was die Technik für viele Leute unzugänglich macht. Hier wird eine Anleitung präsentiert mit der hochauflösende 3D Modelle aus Fotos gewonnen werden können indem eine frei zugängliche Open-Source Software genutzt wird. Wir demonstrieren die Genauigkeit und Flexibilität des Vorgehens anhand von einigen Beispielen wie einem kleinen Trilobit (~0.04 m), einem großen montierten Elefantenskelett (~3 m) und einem sehr großen fossilen Baumwurzelsystem (~6 m). Damit legen wir dar, dass die Methode auf alle Stücke und sogar auf Aufschlüsse gleich welcher Größe angewendet werden kann. Die digitalen Dateien der in dieser Veröffentlichung produzierten Modelle sind enthalten. Die Ergebnisse zeigen, dass das Anfertigen digitaler Modelle von Stücken zur Forschung oder zu Archivierungszwecken für alle verfügbar ist. Es bleibt zu hoffen, dass ein zunehmender Nutzen von Digitalisierungstechniken die Forschung erleichtert und Zusammenarbeit und Verbreitung von digitalen Daten ermutigt.

SCHLÜSSELWÖRTER: Fossil; digital; Modell; Photogrammetrie; Archiv; Laserscanning

Translator: Eva Gebauer

Arabic

arabic 264

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

Pozyskiwanie wysokiej rozdzielczości modeli 3D przy użyciu darmowego, fotogrametrycznego oprogramowania open-source

Cyfryzacja 3D zbiorów paleontologicznych ma olbrzymią wartość dla tej dziedziny, umożliwiając archiwizację, analizę i wizualizację okazów, które w przeciwnym wypadku byłyby zbyt duże dla tych celów, zbyt cenne by opróbować je w sposób destrukcyjny, czy po prostu zbyt odlegle zdeponowane. Digitalizacja okazu skutkująca utworzeniem cyfrowego modelu 3D często wymaga użycia drogiego sprzętu do skaningu laserowego, lub zastrzeżonego prawnie oprogramowania do cyfrowych rekonstrukcji, sprawiając że technika ta jest niedostępna dla wielu badaczy. Poniżej prezentujemy poradnik produkcji modeli 3D wysokiej rozdzielczości ze zdjęć przy użyciu darmowego oprogramowania open-source. By zademonstrować dokładność i elastyczność tej metody, prezentujemy kilka przykładów, w tym małego trylobita (~0,04 m), dużego, zmontowanego szkieletu słonia (~3 m) i bardzo dużego skamieniałego systemu korzeniowego drzewa (~6 m), wykazując że metoda jest w równym stopniu stosowalna dla okazów, a nawet odsłonięć wszelkich rozmiarów. Załączamy pliki cyfrowe modeli z publikacji. Rezultaty pokazują, że tworzenie modeli cyfrowych z okazów przeznaczonych do badań, czy archiwizacji dostępne jest dla każdego i mamy nadzieję, że zwiększone użycie technik digitalizacji ułatwi badania i zachęci do współpracy nad danymi cyfrowymi i upowszechniania.

Słowa kluczowe: skamieniałość, cyfrowy, fotogrametria, archiwizacja, skaning laserowy

Translators: Dawid Mazurek and Robert Bronowicz

Riassunto in Italiano

Acquisizione di modelli 3D ad alta risoluzione per mezzo di software open-source

In campo paleontologico la digitalizzazione 3D è di notevolissima importanza sul terreno, poichè permette di archiviare, analizzare e visualizzare oggetti che altrimenti sarebbero troppo grandi da maneggiare, troppo importanti o di valore per essere campionati in maniera distruttiva, o semplicemente che si trovano in un altro luogo. La digitalizzazione di oggetti per produrre modelli digitali 3D spesso richiede l’utilizzo di attrezzature molto costose o di appositi software brevettati. Ciò rende tale tecnica non accessibile ai più. Viene qui presentata una guida per produrre modelli 3D ad alta risoluzione a partire da fotografie utilizzando software open source. Per dimostrare l’accuratezza e la flessibilità del metodo, vengono proposti alcuni esempi, tra i quali un piccolo trilobite (~0.04 m), un grande scheletro montato di elefante (~3 m), e un sistema di radici fossili molto esteso (~6 m). In questo modo si vuole dimostrare che il metodo è ugualmente applicabile ad oggetti o ad affioramenti di tutte le dimensioni. Si rendono disponibili i file digitali dei modelli mostrati nel presente lavoro. I risultati dimostrano che la produzione di modelli digitali a scopo di ricerca o di archiviazione è accessibile a tutti, e si auspica che l’aumento dell’utilizzo delle tecniche di digitalizzazione possa facilitare la ricerca e favorire l’interscambio di dati digitali.

Parole chiave: fossili; digitale; modello; fotogrammetria; archivio; laser scanning

Translator: Chiara Angelone