Techniques for digital restoration of cranial elements on 3D surface models
Plain Language Abstract
Fossils are commonly damaged, fragmented, and deformed. Many analyses require that the anatomy of the specimens be as complete as possible. Digital restoration allows the removal of damage and deformation of fossils by manipulating digitized specimens in three-dimensional modeling programs. This paper records, documents, and details the digital restoration techniques used to remove the damage present in the skulls and jaws of 32 fossil specimens of cynodonts from South America. In addition, a classification of three levels of restoration (low, medium, and high) is proposed. The higher the level of restoration, the more damaged areas the fossil had and the more techniques were needed to restore it completely, increasing the complexity of the process. Most of the specimens have a low and medium degree of restoration, indicating that few techniques were needed to restore them. The most common damages in cynodont fossils are deformation, fragmentation of fragile areas of the skull, and loss of the smallest bones of the jaw. Specimens with strong compression could not be successfully retrodeformed, and the problem remained unresolved.
Arabic
تقنيات الترميم الرقمي لعناصر الجمجمة على نماذج سطحية ثلاثية الأبعاد
المؤلفون: فلورنسيا س. فيليبيني، فرناندو عبد الله، وغييرمو هـ. كاسيني
الملخص: الترميم الرقمي هو عملية إزالة الأضرار الحفظية أو غيرها من أنواع الضرر لاستعادة الشكل الأصلي المفترض للعينات الأحفورية. في هذا العمل، تم ترميم نماذج سطحية ثلاثية الأبعاد لجماجم وفكوك 32 عينة من قردة الفك (سينابسيدا، سينودونتيا) من أمريكا الجنوبية رقميًا. تقنيات الترميم الرئيسية المستخدمة مستمدة من المراجع العلمية، وهي مُكيفة مع مشكلة الحفظ الخاصة بكل عينة. يُقترح تصنيف ثلاث درجات ترميم (منخفضة، متوسطة، وعالية)، مع مراعاة عدد التقنيات المستخدمة ونسبة الضرر في الحفرية. كلما زادت درجة الضرر، زاد تعقيد الترميم وزاد مستوى التفسير المُضاف. من بين جميع العينات، أظهرت 36.5% درجة منخفضة من الترميم، و15% درجة متوسطة، و7.3% درجة عالية. من بين الأضرار الرئيسية المسجلة في عينات كلاب الفك، تبرز ما يلي: تفتت جزئي أو كلي لأحد القوسين الوجنيين، وفقدان كامل للعظام الخلفية، وتفتت النتوءات الإكليلية، وتشوه ثباتي. لم يُستطع القضاء على التشوه أحادي الاتجاه تمامًا في الأحافير التي أظهرته، كونه المشكلة الترميمية الوحيدة التي لم تُحل بعد. يتيح تفصيل وتوثيق جميع إجراءات الترميم إمكانية تتبع التغييرات التي طُبقت على العينات، وهو أمر مفيد للغاية للباحثين الذين يواجهون مشاكل مماثلة.
الكلمات المفتاحية: الترميم؛ التشوه الرجعي؛ النماذج ثلاثية الأبعاد؛ التقنيات الرقمية؛ الفقاريات الأحفورية؛ كلاب الأسنان
ترجمة: ا. د./ أحمد عوض عبد الهادي (كلية العلوم - جامعة المنيا)
Translator: Ahmed Awad Abdelhady. Geology Department, Minia University, Egypt
Chinese
In progress
Translator: Yanzhe Fu. Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, Chinese Academy of Sciences
Deutsche Zusammenfassung
Techniken zur digitalen Restaurierung von Schädelelementen auf 3D-Oberflächenmodelle
Bei der digitalen Restaurierung werden konservatorische oder andere Beeinträchtigungen entfernt, um die vermeintliche ursprüngliche Morphologie fossiler Exemplare wiederherzustellen. In der vorliegenden Arbeit wurden 3D-Oberflächenmodelle von Schädeln und Unterkiefern von 32 Cynognathier-Exemplaren (Synapsida, Cynodontia) aus Südamerika digital restauriert. Die angewandten Restaurierungstechniken basieren auf Methoden aus der Literatur und wurden an das jeweilige Konservierungsproblem angepasst. Es wird eine Einteilung in drei Restaurierungsgrade (niedrig, mittel und hoch) vorgeschlagen, wobei die Anzahl der angewandten Techniken und der Prozentsatz der Beschädigung des Fossils berücksichtigt werden. Je höher der Grad der Beschädigung, desto komplexer die Restaurierung und desto höher der Grad der Interpretation. Von allen Exemplaren wiesen 36,5 % einen niedrigen Restaurierungsgrad auf, 15 % einen mittleren und 7,3 % einen hohen. Zu den wichtigsten bei den Cynognathiern festgestellten Beeinträchtigungen zählen insbesondere folgende: die teilweise oder vollständige Fragmentierung eines der Jochbögen, der vollständige Verlust der Postdentalknochen, die Fragmentierung der Processus coronoideus und die lithostatische Verformung. Die unidirektionale Deformation ließ sich bei den betroffenen Fossilien nicht vollständig beheben und stellt somit das einzige verbleibende restauratorische Problem dar. Die ausführliche Dokumentation sämtlicher Restaurierungsschritte ermöglicht die Nachvollziehbarkeit aller vorgenommenen Veränderungen und bietet eine nützliche Orientierungshilfe für Forschende, die mit vergleichbaren Herausforderungen konfrontiert sind
Schlüsselwörter: Restoration; Retrodeformation; 3D Modelle; digitale Techniken; fossile Vertebraten; Cynodontier
Translator: Eva Gebauer
Resumen en Español
Técnicas de restauración digital de elementos craneales en modelos 3D de superficie
La restauración digital es un proceso por el cual se remueven los daños preservacionales o de otro tipo de los especímenes fósiles para recuperar la morfología previa a la fosilización. En el presente trabajo, se restauraron digitalmente modelos 3D de superficie de cráneos y mandíbulas de 32 especímenes de cinognatios (Sinapsida: Cynodontia) de América del Sur. Las técnicas de restauración utilizadas provienen de la literatura y fueron adaptadas a los problemas preservacionales particulares. Se propone una clasificación en tres grados de restauración (baja, media y alta) teniéndose en cuenta la cantidad de técnicas utilizadas y el porcentaje de daño que presentaba el fósil. Cuanto mayor sea el grado de deformación, mayor es el grado de complejidad de la restauración y mayor el grado de interpretación añadido. El 36,5 % de los especímenes presentaban un grado bajo de restauración, el 15% un grado medio, y el 7,3% un grado alto. Entre los daños registrados en los especímenes de cinognatios se destacan: fragmentación parcial o total de uno de los arcos cigomáticos, pérdida total de los huesos postdentarios, fragmentación de los procesos coronoideos y deformación litostática. La deformación unidireccional no pudo ser eliminada completamente de los fósiles que la presentaban, siendo el único problema restaurativo sin resolver. Detallar y documentar la totalidad de los procesos restaurativos permite establecer la trazabilidad de los cambios aplicados a los especímenes, siendo de gran utilidad para los investigadores que confronten con problemas similares.
Palabras clave: restauración; retrodeformación; modelos 3D; técnicas digitales; vertebrados fósiles; cinodontes
Traducción: Authors
Résumé en Français
Techniques de restauration numérique d'éléments crâniens sur des modèles 3D surfaciques
La restauration numérique est le processus par lequel des problèmes de préservation (ou d'autres types) sont éliminés pour retrouver la morphologie originale supposée des spécimens fossiles. Dans le présent travail, les modèles 3D surfaciques de crânes et de mandibules de 32 spécimens de cynognathes (Synapsida, Cynodontia) d'Amérique du Sud ont été restaurés numériquement. Les principales techniques de restauration utilisées proviennent de la littérature et sont adaptées à des problèmes de préservation particuliers. Une classification en trois niveaux de restauration (faible, moyen et élevé) est proposée, en tenant compte du nombre de techniques utilisées et du pourcentage de détérioration du fossile. Plus le degré d'endommagement est élevé, plus la restauration est complexe et plus le niveau d'interprétation est important. Sur l'ensemble des spécimens, 36,5 % présentaient un faible degré de restauration, 15 % un degré moyen et 7,3 % un degré élevé. Parmi les principales détériorations enregistrées sur les spécimens de cynognathiens, les principales sont : fragmentation partielle ou totale de l'un des arcs zygomatiques, perte totale des os postdentaires, fragmentation des processus coronoïdes et déformation lithostatique. La déformation unidirectionnelle n'a pas pu être complètement éliminée chez les fossiles qui la présentaient, étant le seul problème de restauration non résolu. Le fait de détailler et de documenter l'ensemble des procédures de restauration permet d'établir une traçabilité des changements appliqués aux spécimens, ce qui est extrêmement utile pour les chercheurs confrontés à des problèmes similaires.
Mots-clés : restauration ; rétrodéformation ; modèles 3D ; techniques numériques ; vertébrés fossiles ; cynodontes
Translator: Vincent Perrier. Maître de Conférences, Université Lyon
Greek
Τεχνικές για την ψηφιακή αποκατάσταση των μερών ενός κρανίου σε 3D μοντέλα επιφανειών surface models
Η ψηφιακή αποκατάσταση είναι η διαδικασία με την οποία αφαιρούνται αλλοιώσεις λόγω διατήρησης ή άλλων παραγόντων, με σκοπό την ανάκτηση της υποτιθέμενης αρχικής μορφολογίας των απολιθωμάτων. Στην παρούσα εργασία, πραγματοποιήθηκε ψηφιακή αποκατάσταση σε τρισδιάστατα μοντέλα επιφανείας κρανίων και κάτω γνάθων 32 δειγμάτων κυνογνάθιων (Synapsida, Cynodontia) από τη Νότια Αμερική. Οι κύριες τεχνικές αποκατάστασης που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από τη βιβλιογραφία και έχουν προσαρμοστεί στο εκάστοτε πρόβλημα διατήρησης. Προτείνεται μια κατάταξη σε τρεις βαθμούς αποκατάστασης (χαμηλή, μεσαία και υψηλή), λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό των τεχνικών που χρησιμοποιήθηκαν και το ποσοστό φθοράς του απολιθώματος. Όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός φθοράς, τόσο πιο σύνθετη είναι η αποκατάσταση και τόσο υψηλότερο το επίπεδο ερμηνείας που απαιτείται. Από το σύνολο των δειγμάτων, το 36,5% παρουσίασε χαμηλό βαθμό αποκατάστασης, το 15% μεσαίο, και το 7,3% υψηλό βαθμό. Μεταξύ των κυριότερων φθορών που καταγράφηκαν στα δείγματα κυνογνάθιων, ξεχωρίζουν: η μερική ή ολική θραύση του ενός ζυγωματικού τόξου, η πλήρης απώλεια των μεταγναθικών οστών, ο κατακερματισμός των κορονοειδών αποφύσεων και η λιθοστατική παραμόρφωση. Η μονοκατευθυντική παραμόρφωση δεν ήταν δυνατό να εξαλειφθεί πλήρως στα απολιθώματα που την παρουσίαζαν, αποτελώντας το μόνο άλυτο πρόβλημα αποκατάστασης. Η λεπτομερής τεκμηρίωση και καταγραφή του συνόλου των διαδικασιών αποκατάστασης επιτρέπει τη δημιουργία ανιχνευσιμότητας των αλλαγών που εφαρμόστηκαν στα δείγματα, κάτι που είναι εξαιρετικά χρήσιμο για ερευνητές που αντιμετωπίζουν παρόμοια προβλήματα.
Λέξεις-κλειδιά: αναπαράσταση, αναδρομική παραμορφωση, 3D μοντέλα, ψηφιακές τεχνικές,
Translator: Evangelos Vlachos
Polski
Techniki cyfrowej renowacji elementów czaszki na trójwymiarowych modelach powierzchni
Cyfrowa renowacja to proces, w którym usuwa się uszkodzenia konserwatorskie lub innego rodzaju, aby odzyskać domniemaną oryginalną morfologię okazów kopalnych. W niniejszej pracy trójwymiarowe modele powierzchni czaszek i żuchw 32 okazów cynognatów (Synapsida, Cynodontia) z Ameryki Południowej zostały poddane cyfrowej renowacji. Główne techniki renowacji pochodzą z literatury i są dostosowane do konkretnego problemu konserwatorskiego. Zaproponowano klasyfikację na trzy stopnie renowacji (niski, średni i wysoki), biorąc pod uwagę liczbę zastosowanych technik i procent uszkodzeń skamieniałości. Im wyższy stopień uszkodzenia, tym większa złożoność renowacji i tym wyższy poziom dodanej interpretacji. Spośród wszystkich okazów 36,5% prezentowało niski stopień renowacji, 15% prezentowało średni stopień, a 7,3% wysoki stopień. Wśród głównych uszkodzeń odnotowanych w okazach cynognatusów wyróżniają się następujące: częściowa lub całkowita fragmentacja jednego z łuków jarzmowych, całkowita utrata kości post zębowych, fragmentacja wyrostków dziobiastych i deformacja litostatyczna. Jednokierunkowej deformacji nie udało się całkowicie wyeliminować w szczątkach, które ją przedstawiały, będąc jedynym nierozwiązanym problemem rekonstrukcyjnym. Szczegółowe opisanie i udokumentowanie całości procedur rekonstrukcyjnych pozwala na ustalenie prześledzenia zmian zastosowanych w okazach, co jest niezwykle przydatne dla badaczy skonfrontowanych z podobnymi problemami.
Słowa kluczowe: renowacja; retrodeformacja; modele 3D; techniki cyfrowe; kopalne kręgowce; cynodonty
Translator: Krzysztof Stefaniak
Russian
Методы цифрового восстановления элементов черепа на поверхностных 3D-моделях
Цифровая реставрация — это процесс, с помощью которого удаляются повреждения, возникшие в течение хранения, или другие типы повреждений, чтобы восстановить предполагаемую оригинальную морфологию окаменелостей. В этой работе было использовано цифровое востановление 3D-моделей поверхности черепов и нижних челюстей 32 образцов циногнатов (Synapsida, Cynodontia) из Южной Америки. Были использованы основные методы реставрации взяты из литературы и адаптированы к конкретной проблематике. Предложена классификация трех ступеней реставрации (низкая, средняя и высокая), учитывая количество использованных методов и процент повреждения окаменелости. Чем выше степень повреждения, тем больше сложность реставрации и выше уровень интерпретации. Из всех образцов 36,5% имели низкую степень реставрации, 15% – среднюю, а 7,3% – высокую. Среди основных повреждений образцов циногнатов выделяются следующие: частичная или полная фрагментация одной из скуловых дуг, полная потеря постдентарных костей, фрагментация венечных отростков и литостатическая деформация. Однонаправленную деформацию не удалось полностью устранить в окаменелостях, которые ее имели, что является единственной нерешенной проблемой реставрации. Детализация и документирование совокупности реставрационных процедур позволяет установить прослеживаемость изменений, применяемых к образцам, что очень полезно для исследователей, которые сталкиваются с подобными проблемами.
Ключевые слова: реставрация; ретродеформация; 3D-модели; цифровые способы; ископаемые позвоночные; цинодонты
Translator: Leonid Voyta
Ukrainian
Методи цифрового відновлення елементів черепа на 3D-моделях поверхні
Цифрова реставрація – це процес, за допомогою якого видаляються пошкодження, що виникли протягом зберігання, або інші типи пошкоджень, щоб відновити передбачувану оригінальну морфологію скам’янілостей. У цій роботі було використано цифрове відновлення 3D-моделей поверхні черепів та нижніх щелеп 32 зразків циногнатів (Synapsida, Cynodontia) із Південної Америки. Основні використані методи реставрації взяті з літератури та адаптовані до конкретної проблематики. Запропоновано класифікацію на три ступені реставрації (низький, середній та високий), враховуючи кількість використаних методів та відсоток пошкодження скам’янілості. Чим вищий ступінь пошкодження, тим більша складність реставрації та вищий рівень інтерпретації. З усіх зразків 36,5% мали низький ступінь реставрації, 15% – середній, а 7,3% – високий. Серед основних пошкоджень зразків циногнатів виділяються наступні: часткова або повна фрагментація однієї з виличних дуг, повна втрата постдентарних кісток, фрагментація вінцевих відростків та літостатична деформація. Однонаправлену деформацію не вдалося повністю усунути у скам’янілостях, які її мали, що є єдиною невирішеною проблемою реставрації. Деталізація та документування сукупності реставраційних процедур дозволяє встановити простежуваність змін, застосованих до зразків, що є надзвичайно корисним для дослідників, які стикаються з подібними проблемами.
Ключові слова: реставрація; ретродеформація; 3D-моделі; цифрові методи; викопні хребетні; цинодонти.
Translator: Oleksandr Kovalchuk
