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Idealized landmark-based geometric reconstructions of poorly preserved fossil material: a case study of an early tetrapod vertebra

Julia L. Molnar, Stephanie E. Pierce, Jennifer A. Clack, and John R. Hutchinson

Plain Language Abstract

We describe a method for building idealized digital models of fossil bones in 3D modeling software. The models can be used for visualization or further research. To demonstrate the method, we build an idealized model of a vertebra from a prehistoric animal.

Resumen en Español

En paleontología y antropología se usan frecuentemente los modelos digitales en tres dimensiones (3D) de la morfología de los huesos.

Como los fósiles a menudo son fragmentarios o están deformados suele ser necesario, por razones estéticas o prácticas, crear una versión idealizada de esqueletos digitales. En este artículo proponemos un método para reconstrucciones geométricas basadas en puntos morfométricos (landmarks) de huesos fósiles en software de gráficos 3D mediante el uso de datos de tomografía computarizada o escáner láser como plantilla. Este método no requiere un software especializado ni una particular destreza artística. Permite controlar la densidad local de la malla, especificar los puntos morfométricos importantes y los planos principales, eliminar grandes huecos y estructuras extrañas y ajustar de forma interactiva la imagen 3D mediante el movimiento de unos pocos vértices para corregir deformaciones tafonómicas menores. El resultado es un modelo simple, ilustrativo y preciso que puede ser usado para diversas aplicaciones analíticas y de visualización, incluyendo reconstrucciones de fósiles incompletos, modelos estancos para el cálculo de la masa y de la posición del centro de masas, mallas de base para la deformación de placas delgadas (TPS) e imágenes intermedias en una serie completa mediante “morphing”. Para ilustrar el método, lo hemos aplicado a la reconstrucción de una vértebra dorsal del tetrápodo primitivo Acanthostega gunnari. Hemos contrastado la validez de nuestro método mediante comparaciones morfométricas lineares y geométricas de nuestras reconstrucciones con los datos de escaneo originales y entre tres operadores distintos. La desviación media de los modelos con respecto al original, basada en cuatro medidas lineales, es mínima, lo que demuestra que el método preserva las proporciones del fósil original. No hemos hallado diferencias de forma estadísticamente significativas entre los modelos construidos con operadores diferentes, por lo que se puede concluir que el método es repetible.

Palabras clave: Acanthostega; modelos idealizado; esqueleto digtal; reconstrucción de fósiles; modelado NURBS; visualización.

Traducción: Miguel Company

Résumé en Français

Reconstruction géométrique idéalisée de matériel fossile mal préservé à partir de points repères : le cas d’étude d’une vertèbre de tétrapode

Les modèles numériques en trois dimensions (3D) de la morphologie des os sont fréquemment utilisés en paléontologie et anthropologie. Du fait que les fossiles sont souvent cassés ou déformés, il devient souvent nécessaire, pour des raisons esthétiques ou pratiques, de créer une version idéalisée du squelette numérique. Nous proposons une méthode pour créer une reconstitution géométrique des os fossiles sur la base de points de repère dans un logiciel graphique 3D, en utilisant les données de balayages tomodensitométriques ou laser comme calibrage. Cette méthode ne nécessite ni logiciel spécialisé, ni expertise artistique. Elle permet le contrôle de la densité locale de sommets, la spécification de points de repère importants et de plans majeurs, l’élimination de larges trous et de structures étrangères, et un ajustement interactif de la forme 3D en bougeant un petit nombre de sommets pour corriger les déformations taphonomiques mineures. Le résultat est modèle simple, explicatif, et fidèle qui peut être utilisé dans diverses applications analytiques et graphiques, incluant la reconstitution de fossiles incomplets, des modèles étanches pour l’approximation de masses et centres de masse, la reconstruction d’une surface spline à partir d’une surface triangulée, et des intermédiaires dans une série incomplète via « morphing ». Pour démontrer l’efficacité de la méthode, nous l’avons appliquée à la reconstruction d’une vertèbre dorsale d’un tétrapode basal, Acanthostega gunnari. Nous avons validée notre méthode par des comparaisons morphométriques linéaires et géométriques de notre reconstruction avec les données originales du balayage et ce pour trois différents opérateurs. Sur la base de trois mesures linéaires, la déviation moyenne de nos modèles d’avec l’original était minimale, montrant que la méthode conserve les proportions du fossile original. Nous n’avons trouvé aucune différence de forme statistiquement significative entre nos modèles construits par les différents opérateurs, prouvant ainsi que la méthode est reproductible.

Mots clés : Acanthostega; modèle idéalisé; squelette numérique; reconstruction de fossile; modélisation NURBS; visualisation.

Translator: Olivier Maridet

Deutsche Zusammenfassung

Idealisierte Orientierungspunkt-basierte geometrische Rekonstruktionen bei schlecht erhaltenem Fossilmaterial: eine Fallstudie über den Wirbel eines frühen Tetrapoden

Digitale dreidimensionale (3D) Knochenmorphologie- Modelle werden in der Paläontologie und Archäologie oft genutzt. Da Fossilien häufig fragmentarisch oder deformiert erhalten sind, ist es oftmals nötig eine idealisierte Version eines digitalen Skelettes zu erstellen, entweder aus ästhetischen oder praktischen Gründen. Wir schlagen eine Methode vor, mit der Orientierungspunkt-basierte geometrische Rekonstruktionen von fossilen Knochen in 3D Graphics Software erstellen werden können indem CT-oder Laserscan-Daten als Vorlagen genutzt werden. Diese Methode verlangt keine spezialisierte Software oder explizites Fachwissen. Sie erlaubt die Kontrolle der lokalen Netzdichte, die Spezifikation von wichtigen Orientierungspunkten und Hauptebenen, die Elimination von großen Lücken und Fremdkörpern und interaktive Anpassung der 3D Form indem durch Bewegung einer geringen Anzahl von Eckpunkten kleinere taphonomische Deformationen korrigiert werden können. Ergebnis ist ein einfaches, illustratives und genaues Modell, das für diverse analytische und visuelle Anwendungen inklusive der Rekonstruktion von unvollständigen Fossilien, hieb-und stichfesten Modellen für Massen-und Massenschwerpunktsermittlung, Basenvernetzung für Thin-Plate-Spline Verzerrung und Zwischenprodukt in einer unvollständigen Serie via „Morphing" genutzt werden kann. Um diese Methode zu veranschaulichen, wendeten wir sie bei der Rekonstruktion eines Dorsalwirbel des basalen Tetrapoden Acanthostega gunnari an. Wir validierten unsere Methodik mit linearen und geometrischen morphometrischen Vergleichen unserer Rekonstruktionen sowohl gegen die originalen Scandaten als auch zwischen drei verschiedenen Bedienern. Die durchschnittliche Abweichung der Modelle vom Original war minimal, beruhend auf vier lineare Messungen. Dies zeigt, dass die Methode die Proportionen des Originalfossils bewahrt. Es gab keine statistisch signifikante Formabweichung zwischen den Modellen der verschiedenen Bediener, was zeigt, dass die Methode reproduzierbar ist.

SCHLÜSSELWÖRTER: Acanthostega; idealisiertes Modell; digitales Skelett; Fossilrekonstruktion; NURBS-Modellierung; Visualisierung.

Translator: Eva Gebauer

Arabic

274 arab

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

FAUNA I EKOLOGIA POKŁADU ZE STRZYKWAMI, LLANDRINDOD, WALIA, UK (DARRIWIL, ŚRODKOWY ORDOWIK) I NAJSTARSZE ARTYKUŁOWANE STRZYKWY

W przeciwieństwie do kambryjskich lagerstätten, wyjątkowo zachowane fauny ordowiku na ogół różnią się znacząco od siebie pod względem składu taksonomicznego, co sugeruje znacznie większe zróżnicowanie paleośrodowisk podczas tego interwału czasowego. Niejasne jest jednak, jak wielki stopień ekologicznego zróżnicowania ordowiku wynika z nietypowych facji bądź udziału zespołów w wyjątkowo zachowanych faunach. W artykule tym opisujemy nowe lagerstätten z Walii zachowane dzięki wysokiemu tempu sedymentacji oraz wczesnej pirytyzacji, datowane na środkowy ordowik (darriwil, biozona Hustedograptus? teretiusculus). Wstępne analizy opisywanej fauny, biorące pod uwagę nową metodologię przekładania zachowanej liczebności różnych grup na szacunkowe wartości obfitości życia, wykazały że fauny pozornie zdominowane przez trylobity faktycznie były zdominowane przez ramienionogi, gąbki retikulinowe i protomonaksonidowe, oraz paleoskolecidy z karpoidami i strzykwami równie licznymi jak trylobity. Przy normalnych warunkach tafonomicznych zespół ten wydawałby się w zapisie kopalnym być typową fauną mułowcową ordowiku, wskazując iż reprezentuje względnie normalny zespół otwartomorski. Omawiany biotop nie przypomina żadnej opisanej do tej pory fauny ordowiku, co sugeruje znaczny stopień ukrytego zróżnicowania zespołów tego wieku. W skład tego wyjątkowego zespołu taksonomicznego wchodzi najwcześniejszy artykułowany przedstawiciel Holothuria, Oesolcucumaria eostregen. et sp. nov., o globularnej postaci z częściowo uszkieletowionym układem ambulakralnym.

Translators: Dawid Mazurek and Robert Bronowicz

 

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