Accurate specimen digitization through glass achieved and validated using 3D surface scanning
Plain Language Abstract
Three-dimensional models of specimens are a booming source of data for modern biology and palaeontology. However, many specimens in museums are locked behind glass. In this paper, we test how well popular 3D surface digitization methods (with portable scanners and cameras) can produce accurate models when specimens are behind glass. We use a series of methods (measurements, surface deviation, comparison of point coordinates in 3D space) to quantify this effect of glass. We find that under the right conditions, 3D models produced behind glass are reliable and accurate. We provide a workflow to evaluate the potential and feasibility of 3D surface digitization behind glass.
RESUME EN LANGUAGE SIMPLE
Les modèles 3D de spécimens sont une source de données en plein essor en biologie et paléontologie modernes. Cependant, dans les musées, de nombreux spécimens sont enfermés derrière une vitre. Dans cet article, nous testons si les méthodes habituelles de numérisation surfacique 3D (avec des scanners et des caméras portables) peuvent produire des modèles précis lorsque les spécimens sont derrière une vitre. Nous utilisons une série de méthodes (mesures, déviation de surface, comparaison de coordonnées de points dans l'espace) pour quantifier l'effet du verre. Nous constatons que dans les bonnes conditions, les modèles 3D produits derrière une vitre sont fiables et précis. Nous fournissons un protocole pour évaluer le potentiel et la faisabilité de la numérisation surfacique 3D derrière une vitre.
Arabic
المؤلفون: فالنتين فيشر، نيكولاس فاكزي، ريبيكا بينيون، رومان كوتيرو، جيسيكا لورانس ووجيك، جيمي ماكلارين
الملخص: أصبحت الرقمنة ثلاثية الأبعاد والتحليلات الشكلية للعينات مصدرًا مهمًا للبيانات في العلوم الطبيعية. وتمثل ممارسات عرض الاحافير في صناديق زجاجية مشكلة عند الحصول على عينات شاملة. لذلك فقد اختبرنا هنا مدى جودة المسح الضوئي العادي والمسح التصويري الذي يعمل بالهاتف بمساعدة الليزر في التقاط التباينات الشكلية لمجموعة متنوعة من العينات الأحفورية خلف الزجاج الحديث (المسطح) والقديم (المتموج). غالبًا ما كانت المعالجة اللاحقة لعمليات الفحص أطول وذلك لإزالة الأسطح المكررة. ومع ذلك فقد تمكنا من إنشاء شبكات دقيقة من خلال الزجاج الحديث تم التحقق من صحتها عن طريق مسح الأشياء بدون الزجاج وبمقارنة النتائج فان من 91 الي 100 % من النقاط انحرفت فقط اقل من 1 مم عن النموذج المرجعي في حين ان 89-99% من النقاط انحرفط بمقدار نصف مم. كما دلت النتائج علي ان الزجاج الأقدم يضاعف الانحرافات، خاصة بالنسبة للعينات كبيرةالحجم وغير المسطحة. ومع ذلك لا تزال هذه النماذج تحتوي على 75 إلى 94% من نقاطها التي تنحرف بأقل من 0.5 ملم عن النموذج المرجعي والذي يظل بالتالي قابلاً للدراسة. أجرينا أيضًا تحليلًا مورفولوجيا تقليدي على الإكثيوصورات المفلطحة وتحليلًا مورفولوجيا هندسيًا عالي الكثافة لمحار الهيبوريتيد. وكانت الاختلافات في تقنيات رقمنة السطح (الضوء الأبيض مقابل بالليزر) والخطأ البشري في وضع النقاط يولد انحرافًا أكبر من وجود الزجاج أو عدمه. ونستنتج أنه باستخدام طرق المسح الصحيحة يمكن رقمنة العينات بدقة من خلال الزجاج ودمجها في التحليلات المورفولوجية أو النمذجة الرقمية الأخرى.
الكلمات المفتاحية: الرقمنة؛ ثلاثي الابعاد؛ القياسات الشكلية الهندسية؛ إكثيوصوريا
ترجمة: د./ أحمد عوض عبد الهادي (كلية العلوم - جامعة المنيا)
Translator: Ahmed Awad Abdelhady
Chinese
利用3D表面扫描实现并验证了透过玻璃的精准标本数字化
标本的三维数字化和形态测量分析已成为自然科学中的关键数据来源。然而，由于将标本锁在玻璃后面进行展览的做法，全面采样的工作受到了阻碍。本文测试了结构化白光扫描和手机驱动的摄影测量（结合平行激光辅助）在捕捉现代（即平面）和旧式（即波状）玻璃后面各种化石标本形态方面的效果。扫描的后期处理通常耗时较长，主要是为了去除重复的表面。然而，通过现代玻璃（通过扫描没有玻璃的物体验证）我们仍然能够生成精确的网格：91%到100%的可比点与参考模型的偏差小于1毫米，89%到99%的点偏差小于0.5毫米。旧式玻璃会放大这些偏差，尤其是对于大型的三维标本。然而，这些模型仍然有75%到94%的点与参考模型的偏差小于0.5毫米，因此仍可接受。本文还对一具因成岩作用而扁平化的鱼龙化石进行了线性形态测量分析，并对一种密度较高的海洋生物化石——双壳纲马尾蛤——进行了高密度几何形态测量分析。相比之下，表面数字化技术的差异（如激光与结构化白光扫描）以及在人为标记点放置上的误差所造成的偏差比玻璃的存在与否所造成的偏差还要大。本文认为，只要使用合适的扫描方法，标本可以通过玻璃进行可靠的数字化，并能够被纳入形态测量（或其他数字建模）分析中。
关键词：数字化；三维立体；保藏；几何形态测量学；鱼龙目
Translator: Chenyang Cai. Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, Chinese Academy of Sciences
Deutsche Zusammenfassung
Text
Translator: Eva Gebauer
Resumen en Español
Digitalización precisa de especímenes a través de vidrio lograda y validada mediante escaneado 3D de superficies
La digitalización tridimensional y los análisis morfométricos de especímenes se han convertido en una fuente crucial de datos para las ciencias naturales. Sin embargo, la búsqueda de un muestreo exhaustivo se ha visto perjudicada por las prácticas expositivas de encerrar los especímenes tras un cristal. En esta contribución, hemos comprobado hasta qué punto el escaneado con luz blanca estructurada y la fotogrametría accionada por teléfono (con la ayuda de láseres paralelos) captan la morfología de diversos especímenes fósiles detrás de cristales modernos (es decir, planos) y antiguos (es decir, ondulados). El postprocesado de los escaneados fue a menudo más largo, esencialmente para eliminar las superficies duplicadas. No obstante, pudimos generar mallas precisas y exactas a través del vidrio moderno (validado mediante el escaneado de objetos sin el vidrio): El 91-100% de los puntos comparables se desviaban < 1 mm del modelo de referencia y el 89-99% se desviaban < 0,5 mm. Los vidrios antiguos multiplican las desviaciones, sobre todo en el caso de muestras grandes y tridimensionales. Sin embargo, estos modelos siguen teniendo entre un 75 % y un 94 % de sus puntos que se desvían menos de 0,5 mm del modelo de referencia, lo que sigue siendo manejable. También llevamos a cabo un análisis morfométrico lineal de un ictiosaurio aplanado diagenéticamente y un análisis morfométrico geométrico de alta densidad de un bivalvo hippurítido. Las diferencias en las técnicas de digitalización de superficies (por ejemplo, escaneado láser VS escaneado con luz blanca estructurada) y el error humano en la colocación de puntos de referencia generan más desviación que la presencia o ausencia de vidrio. Llegamos a la conclusión de que, con los métodos de escaneado adecuados, los especímenes pueden digitalizarse con seguridad a través del vidrio e incorporarse a los análisis morfométricos (u otros modelados digitales).
Palabras clave: Digitalización; 3D; conservación; morfometría geométrica; Ichthyosauria
Traducción: Juan Antonio Pérez-Claros. Departamento de Ecología y Geología, Facultad de Ciencias, Universidad de Málaga
Résumé en Français
Numérisation précise de spécimens à travers le verre réalisée et validée par scan de surface en 3D
La numérisation tridimensionnelle et les analyses morphométriques de spécimens sont devenues une source cruciale de données pour les sciences naturelles. Cependant, la quète d'un échantillonnage le plus complet possible est entravée par des pratiques muséographiques qui consistent à enfermer les spécimens derrière une vitre. Dans cette contribution, nous avons testé l'efficacité de la numérisation en lumière blanche structurée et en photogrammétrie (avec l'aide de lasers parallèles) pour la capture de la morphologie d'une variété de spécimens derrière des vitres modernes (plates) et anciennes (ondulées). Le post-traitement des scans a souvent été plus long, essentiellement pour éliminer des surfaces dupliquées. Néanmoins, nous avons pu générer des modèles précis et exacts à travers le verre moderne (validé par la numérisation d'objets hors du verre) : 91 à 100 % des points comparables s'écartent de moins de 1 mm du modèle de référence et 89 à 99 % s'écartent de moins de 0,5 mm. Les verres plus anciens multiplient les écarts, en particulier pour les grands spécimens tridimensionnels. Cependant, 75 à 94 % des points de ces modèles s'écartent de moins de 0,5 mm du modèle de référence, ce qui reste donc gérable. Nous avons également effectué une analyse de morphométrie linéaire sur un ichtyosaurien aplati diagénétiquement et une analyse de morphométrie géométrique de haute densité sur un bivalve hippuritide. Les différences entre les techniques de numérisation des surfaces (par exemple, le scan laser VS la lumière blanche structurée) et l'erreur humaine dans le placement des repères génèrent plus de déviations que la présence ou l'absence de verre. Nous concluons qu'avec les bonnes méthodes de numérisation, des spécimens peuvent être numérisés avec confiance à travers le verre et incorporés dans des analyses morphométriques (ou modélisations numériques).
Mots-clés : Numérisation ; 3D ; conservation ; morphométrie géométrique ; Ichthyosauria
Translator: Authors
Greek
Η ακριβής ψηφιοποίηση δείγματος που βρίσκεται πίσω από γυαλί επιτεύχθηκε και επικυρώθηκε με τη χρήση τρισδιάστατης σάρωσης επιφάνειας
Η τρισδιάστατη ψηφιοποίηση και οι μορφομετρικές αναλύσεις των δειγμάτων έχουν γίνει μια βασική πηγή δεδομένων για τις φυσικές επιστήμες. Ωστόσο, η αναζήτηση για ενδελεχή δειγματοληψία έχει μειωθεί από τις πρακτικές έκθεσης της φύλαξης των δειγμάτων πίσω από γυαλί. Σε αυτήν την εργασία, δοκιμάσαμε πόσο καλά δομημένη είναι η σάρωση λευκού φωτός και η φωτογραμμετρία που τροφοδοτείται από τηλέφωνο (βοηθούμενη με παράλληλα λέιζερ) ώστε να καταγράψει τη μορφολογία μιας ποικιλίας δειγμάτων απολιθωμάτων πίσω από σύγχρονο (δηλαδή επίπεδο) και παλιό (δηλαδή κυματοειδές) γυαλί. Η μετεπεξεργασία των σαρώσεων ήταν συχνά μεγαλύτερη, ουσιαστικά για την αφαίρεση διπλών επιφανειών. Ωστόσο, μπορέσαμε να δημιουργήσουμε ακριβή και έγκυρα πλέγματα πίσω από το σύγχρονο γυαλί (επικυρωμένη με σάρωση αντικειμένων χωρίς γυαλί): 91–100% των συγκρίσιμων σημείων απέκλιναν < 1 mm από το μοντέλο αναφοράς και 89–99% απόκλιση < 0,5 mm. Το παλαιότερο γυαλί πολλαπλασιάζει τις αποκλίσεις, ειδικά για μεγάλα τρισδιάστατα δείγματα. Ωστόσο, αυτά τα μοντέλα εξακολουθούν να έχουν το 75 έως 94 % των σημείων τους να αποκλίνουν λιγότερο από 0,5 mm από το μοντέλο αναφοράς, το οποίο επομένως παραμένει διαχειρίσιμο. Πραγματοποιήσαμε επίσης μια γραμμική μορφομετρική ανάλυση σε ένα διαγενετικά πεπλατυσμένο ιχθυόσαυρο και μια υψηλής πυκνότητας γεωμετρική μορφομετρική ανάλυση ενός ιππουριτιδικού δίθυρου. Οι διαφορές στις τεχνικές ψηφιοποίησης της επιφάνειας (π.χ., δομημένη σάρωση λευκού φωτός με λέιζερ VS) και το ανθρώπινο σφάλμα στην τοποθέτηση ορόσημων δημιουργούν μεγαλύτερη απόκλιση από την παρουσία ή την απουσία γυαλιού. Συμπεραίνουμε ότι, με τις σωστές μεθόδους σάρωσης, τα δείγματα μπορούν να ψηφιοποιηθούν με σιγουριά μέσω γυαλιού και να ενσωματωθούν σε μορφομετρικές (ή άλλες ψηφιακές μοντελοποιήσεις) αναλύσεις.
Λέξεις-Κλεδιά: Ψηφιοποίηση, 3D, συντήρηση, γεωμετρική μορφομετρία, Ichthyosauria
Translator: Evangelos Vlachos
Polski
Precyzyjna digitalizacja okazów znajdujących się za szybą z wykorzystaniem skanera powierzchniowego 3D
Trójwymiarowa digitalizacja i analizy morfometryczne okazów stanowią krytyczne źródło danych w naukach przyrodniczych. Jednak pozyskiwanie szczegółowych danych jest ograniczone przez muzealny zwyczaj prezentowania okazów za szkłem. W tej pracy, testowaliśmy jak skanowanie z wykorzystaniem strukturalnego światła białego oraz fotogrametria za pomocą smartfonu (z udziałem równoległych laserów) pozwalają na wierne uchwycenie morfologii różnorodnych okazów paleontologicznych przechowywanych za nowoczesnym (tj. płaskim) oraz starszym (tj. falistym) szkłem. Późniejsze przetwarzanie uzyskanych skanów było niekiedy długotrwałe ze względu na konieczność usunięcia zduplikowanych powierzchni. Niemniej, byliśmy w stanie wygenerować precyzyjne siatki w przypadku nowoczesnego szkła (co zostało zweryfikowane przez skanowanie obiektów nieprzykrytych szkłem): 91–100% porównywanych punktów miało odchylenie na poziomie < 1 mm od modelu referencyjnego, a 89–99% miało odchylenie na poziomie < 0,5 mm. Starsze szkło zwielokrotnia odchylenia, szczególnie dla dużych trójwymiarowych obiektów. Jednakże, modele w tym przypadku wciąż mają od 75 do 94% punktów z odchyleniami mniejszymi od 0,5 mm od modelu referencyjnego, co jest wciąż do przyjęcia. Przeprowadziliśmy także linijną analizę morfometryczną diagenetycznie spłaszczonego okazu ichtiozaura oraz geometryczną analizę morfometryczną dużej gęstości okazu małży należącej do hippuritidów. Różnice w powierzchniowych technikach digitalizacji (np. skanowane laserowe vs skanowanie wykorzystujące światło strukturalne) oraz błąd ludzki przy rozmieszczaniu punktów charakterystycznych (landmarków) powodują większe odchylenia niż obecność lub brak szkła. Reasumując, przy wykorzystaniu właściwych metod skanowania można z powodzeniem dygitalizować okazy przez szkło i wykorzystywać pozyskane dane do analiz morfometrycznych lub innego modelowań cyfrowych.
Słowa kluczowe: digitalizacja; 3D; konserwacja; morfometria geometryczna; Ichtyosauria
Translator: Anna Żylińska
Russian
Точная оцифровка образцов через стекло достигнута и проверена с помощью 3D-сканирования поверхности
Трехмерная оцифровка и морфометрический анализ образцов стали ключевым источником данных для естественных наук. Однако стремление к тщательному отбору образцов затрудняется практикой экспонирования, когда образцы пмещаются за стеклом. В рамках нашего исследования мы проверили, насколько хорошо структурировано сканирование в белом свете и фотограммметрия с использованием телефона (с помощью параллельных лазеров) фиксируют морфологию различных образцов окаменелостей по современному (т.е. плоскому) и старому (волнистому) стеклу. Постообработка сканов часто продолжалась далее, главным образом для удаления дублированных поверхностей. Тем не менее, мы смогли создать точные сетки через современное стекло (подтверждено сканированием объектов без стекла): 91–100% сравниваемых точек отклонялись на < 1 мм от эталонной модели, а 89–99 % отклонялись на < 0,5 мм . Старое стекло увеличивает отклонения, особенно для больших трехмерных образцов. Однако в этих моделях все еще имеется от 75 до 94 % точек, которые отклоняются менее чем на 0,5 мм от эталонной модели, что таким образом остается управляемым. Мы также провели линейный морфометрический анализ диагенетически уплощенного ихтиозавра и геометрический морфометрический анализ высокой плотности двустворчатого моллюска гипурита. Разница в методах оцифровки поверхности (например, лазерное сканирование против структурированного белого света) и человеческая ошибка в расположении ориентиров порождают больше отклонений, чем наличие или отсутствие стекла перед образцом. Мы пришли к выводу, что с помощью правильных методов сканирования образцы можно качественно оцифровать образцы через стекло и включить их в морфометрический анализ (или другое цифровое моделирование).
Ключевые слова: оцифровка; 3D; сохранение; геометрическая морфометрия; Ichthyosauria.
Translator: Leonid Voyta
Ukrainian
Точне оцифрування зразків через скло досягнуто та перевірено за допомогою 3D-сканування поверхні
Тривимірне оцифрування та морфометричний аналіз зразків стали ключовим джерелом даних для природничих наук. Однак прагнення до ретельного відбору зразків заважає виставковій практиці поміщення таких експонатів за скло. У рамках нашого дослідження ми перевірили, наскільки добре структуроване сканування у білому світлі та фотограмметрія з використанням телефону (за допомогою паралельних лазерів) фіксують морфологію різноманітних зразків скам’янілостей за сучасним (тобто пласким) і старим (хвилястим) склом. Постобробка сканів часто тривала довше, головним чином для видалення дубльованих поверхонь. Тим не менш, ми змогли створити точні сітки через сучасне скло (підтверджено шляхом сканування об’єктів без скла): 91–100% порівнюваних точок відхилялися на < 1 мм від еталонної моделі, а 89–99 % відхилялися на < 0,5 мм. Старе скло збільшує відхилення, особливо для великих тривимірних зразків. Однак у цих моделях все ще є від 75 до 94 % точок, які відхиляються менше ніж на 0,5 мм від еталонної моделі, що, таким чином, залишається керованим. Ми також провели лінійний морфометричний аналіз діагенетично сплощеного іхтіозавра та геометричний морфометричний аналіз високої щільності двостулкового молюска гіпурита. Різниця в методах оцифрування поверхні (наприклад, лазерне сканування проти структурованого білого світла) і людська помилка в розташуванні орієнтирів породжують більше відхилень ніж наявність або відсутність скла перед зразком. Ми дійшли висновку, що за допомогою правильних методів сканування зразки можна якісно оцифрувати зразки через скло та включити їх до морфометричного аналізу (або іншого цифрового моделювання).
Ключові слова: оцифрування; 3D; збереження; геометрична морфометрія; Ichthyosauria.
Translator: Oleksandr Kovalchuk
