以中国香港水域搁浅的布氏鲸为例，利用摄影测量法构建鲸类骨骼三维模型并进行三维打印

摘要

采用单反相机通过摄影测量法记录了一头半脱脂须鲸的骨骼形态，利用计算机生成三维（3D）模型，并将这些模型以原尺寸的一半进行3D打印，制成用于展示和教学的复制品。

摘要

由于鲸类，尤其是须鲸，具有高脂质含量和不寻常的体型，其骨骼制备面临巨大挑战。对骨骼形态进行记录对于科研和教育用途的精确可靠模型构建至关重要。本文以2014年在香港水域搁浅的一头体长10.8米的布氏鲸（Omura’s whale）为例进行说明。这一罕见且庞大的标本经过去肉、腐化和日晒处理，最终获得完整的骨骼用于科研和公开展示。随后，采用摄影测量法对每块骨骼的形态进行记录。由于骨骼外形复杂，自动拍摄难以满足要求，因此针对不同大小和形状的骨骼采用了三种手动拍摄方法。所拍摄的照片被处理后生成了166块独立骨骼的三维（3D）模型。为便于展示，骨骼以聚乳酸材料按半比例打印，相比残留脂肪含量较高的真实鲸类骨骼更易于维护 。打印出的骨骼再现了标本的大部分解剖特征，包括吻部前突区域以及与第一颈椎（Ce1）相连接的尾侧髁面，但顶鳞缝处的孔洞（布氏鲸Balaenoptera omurai的鉴别特征）以及额骨外侧边缘后端的凹槽未能清晰呈现。为提高模型精度，应对细节丰富的区域补充拍摄或进行三维表面扫描。该三维骨骼的电子文件已在线发布，以便全球受众获取，并促进世界各地研究人员之间的科学合作。

引言

鲸类搁浅为了解其生活史、生物学健康状况与特征，以及人类活动对生态系统的影响提供了宝贵的机会。三维（3D）表征与建模技术能够 形态测量数据的精确表征，可用于生物力学计算，并为多种生理行为提供见解¹形态适应使这些动物能够在海洋中生存，而搁浅鲸类中观察到的一些病理变化可能揭示其生物学健康状况和特征、人为与非人为因素或死亡原因。^2,3骨损伤继发于创伤性碰撞后可能难以愈合，因为动物需在巨大的水下压力下持续游泳⁴在海洋哺乳动物中，压缩和非致命性气体栓塞可能减少骨骼的血液供应，并导致压力性损伤⁵不良的骨重塑可能导致疼痛和脊柱活动能力下降，从而在捕食或其他威胁下降低其生存几率。全球范围内鲸类动物死亡率和发病率报告的增加也表明海洋健康状况可能正在下降^6,7认识到海洋的重要性以及人类与海洋之间密不可分的联系 健康、鲸类健康与生态系统健康推动了“同一海洋—同一健康”研究范式的发展⁸.

2014年3月31日，一头布氏鲸（Omura’s whale）Balaenoptera Omura（大村）在中国香港特别行政区的船湾郊野公园红石门附近发现了一头搁浅的雌性成年个体，体长10.8米。该物种在印度-太平洋海域仅有少数记录。 自2003年首次发现以来的区域⁹如此体型的鲸鱼搁浅在香港并不常见，因此这一事件为保存其骨骼用于科研与教学提供了宝贵机会。该搁浅个体在发现地点进行了现场解剖和去肉处理，大部分外部肌肉和内脏已被移除。大体尸检显示，尸体已处于自溶晚期，但体表存在多处深度撕裂伤，呈交错分布，其中最严重的损伤位于右侧胸鳍，有一道深达骨骼的横向撕裂伤，表明缠绕证据与观察到的死亡状况之间存在明确关联。骨骼残骸由香港特别行政区政府渔农自然护理署运往大屿山某地，利用蝇蛆清除软组织。随后通过水浸泡法对骨骼进行脱脂处理，持续2个月，并辅以人工刷洗。尽管已提取出大量骨内脂肪，骨骼尤其是头骨和肋骨边缘仍呈褐色。残留脂肪难以彻底清除，若不进一步处理，将吸引啮齿类动物，导致脂肪腐败，使标本无法用于展示。即使在理想的保存条件下，动物骨骼仍可能被环境中常见的尘埃微生物分解。¹⁰决定对半脱脂骨骼的形态进行数字化记录，然后使用耐用材料3D打印，以制作成原始标本的卫生复制品。

生物标本的三维模型可以通过多种方式生成，包括医学成像、表面扫描和摄影测量。医学成像技术如计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）可产生包含外部和内部结构特征的多平面图像，但缺乏颜色和纹理信息。CT 已被用于记录多种物种的吸虫、鲸须和颅骨 的解剖结构或病理特征，揭示其在运动、觅食和神经发育方面的独特适应性^{11,12,13,14,15,16}。表面扫描通过将激光或结构光投射到物体表面，利用三角测量法将反射图案转换为几何数据，从而生成表面模型。摄影测量法则通过拍摄目标物体一系列轻微重叠的照片来实现。拍摄时可以是相机围绕物体旋转，也可以是物体在转台上旋转。通过不同角度和高度重复拍摄，再将物体翻转以同样方式捕捉其底面。照片被导入建模软件后，软件会计算每个特征在三维空间中的位置和距离，生成点云数据。随后通过点云三角化处理几何信息，生成多边形网格，该网格可进一步编辑和制造。三维重建能够准确反映被扫描表面和体积的测量数据¹⁷。

鉴于摄影测量法具有设备成本低、输出质量足够高，以及能够灵活处理尺寸和形状差异较大的骨骼等优点，该方法被认为适用于小布氏鲸骨架的三维记录。例如，该鲸鱼头骨长度达2.6米，使得激光三维表面扫描等微型化方法难以实施。摄影测量所需的设备易于获取——仅需一台高分辨率数码相机（>5百万像素）和建模软件，其成本远低于用于三维表面扫描的光学或激光扫描仪。此外，三维表面扫描在数据采集过程中需要将扫描仪连接至性能较高的计算机，且两者均需独立电源供电。因此，在缺乏电源的情况下（例如对于运输受限的大型标本，或需在现场直接扫描原始鲸尸时），三维表面扫描无法应用。而摄影测量仅需一台数码相机、三脚架以及转台等辅助装置即可完成。因此，对于小型研究团队而言，摄影测量是一种成本更低、便携性更高的可行方案。

通过3D打印技术，数字模型可被转化为实体产品。熔融的聚乳酸（PLA）逐层堆叠并固化，以复制鲸鱼骨骼。该逼真的半尺寸复制品可用于公开展示和教育用途。对于学生及普通公众而言，触摸解剖模型不仅能够通过视觉，还能通过触觉更好地理解动物结构。对于年轻临床医生和科研人员等专业人士而言，仅从二维图像理解复杂的解剖结构往往较为困难¹⁸。传统上，生物标本需经过塑化处理才能作为教学辅助材料，但该过程复杂、资源消耗大且耗时较长。尸体标本可能存在生物安全风险，且每个标本仅能制作一个模型。3D记录与打印技术提供的互动体验，比教科书或虚拟动画更具吸引力。即使是虚拟解剖，也无法提供实体操作所带来的益处，因此在学生中并不受欢迎¹⁹。借助3D打印技术，稀有标本可被复制出多个副本，便于手持并从不同角度近距离观察，且无异味，也无需担心损坏²⁰。产品还可进行个性化定制，例如缩小尺寸以便操作，或使用不同颜色打印以增强视觉展示效果。3D模型还可通过数字方式编辑，修复破损或缺失的部分，从而提高其应用灵活性。3D记录与打印技术还有助于研究人员之间的知识共享。骨骼遗骸可被数字化记录，通过网络共享，并按需打印。标本可作为“原型”以普通包裹形式跨国分发，而无需作为生物样本进行特殊检疫或提供法律文件。包含鲸骨关键测量数据的电子3D模型也已在线共享至其他研究机构，以促进全球科研人员之间的科学合作。

方案

1. 准备

1. 组装半脱脂的鲸鱼骨骼。
2. 为每块骨骼指定一个编码。该编码将用于拍摄照片、生成3D模型以及3D打印。

2. 摄影测量法

1. 相机和三脚架设置
   1. 使用焦距为24-70 mm、直径为77-82 mm、光圈值为2.8 L的标准镜头。避免使用广角镜头。使用高度可调范围为40-150 cm的兼容三脚架。
   2. 根据光照条件将快门速度设置为1/25至1/30。
   3. 将光圈设置为 f11 至 f13，确保清晰捕捉背景。
   4. 将ISO设为自动，确保数值不超过1600。
   5. 将三脚架置于距样本约20-40 cm处。
   6. 对于水平高度调节，调整三脚架高度，使相机与标本处于同一水平面（图1).
   7. 为获得更佳的俯视角度，调节三脚架高度，使相机在标本上方以45°角向下倾斜。
   8. 对于下方位仰角，调节三脚架高度，使相机向上倾斜45°对准标本下方。
2. 拍摄椎骨
   1. 在A室准备一张干净的桌面。 背侧 此处将对骨骼的一部分进行扫描。
   2. 将骨骼置于桌面上。对于残留油脂且颜色较深的骨骼，使用环形灯照明。可选：在骨骼下方放置铝箔以增强光线反射。
   3. 在已知距离处放置2-3张标记卡作为比例参照。
   4. 将三脚架调整至水平高度（步骤 2.1.6）。
   5. 拍摄一张照片，然后将相机围绕样本以15–20°的间隔做圆周移动。重复此过程，直至完成360°旋转。
   6. 将三脚架调至较高位置（步骤 2.1.7）。重复该操作  拍照（步骤 2.2.5）。
   7. 在B室准备一张干净的实验台。 腹侧 此处将对骨骼的一部分进行扫描。
   8. 将骨骼倒置放在桌面上。重复拍照步骤（2.2.4 至 2.2.6）。
      注意：除标本外，A室和B室不应有任何共同物品。背景应保持不变，以避免后期处理时产生混淆。拍摄过程中应保持固定的焦距和物距。为进行比例尺计算，单张照片中必须包含至少2个标尺卡。每件标本应拍摄至少5张带标尺卡的照片。对于具有独特特征（如孔洞）的标本，应额外拍摄2-3张特写照片。上述要求同样适用于步骤2.3和2.4。
3. 拍摄大型骨骼（颅骨、下颌骨、肋骨、肩胛骨等）
   1. 准备透明的支撑物（支架或盒子），并将骨骼置于支撑物上。
   2. 将三脚架调整至水平高度（步骤 2.1.6）。
   3. 拍摄一张照片，然后将相机围绕样本以15–20°的间隔做圆周移动。重复此过程，直至完成360°旋转。
   4. 将三脚架调至较高位置（步骤 2.1.7）。重复拍照过程（步骤 2.3.3）。
   5. 将三脚架调至较低高度（步骤 2.1.8）。重复拍摄（步骤 2.3.3）。
4. 拍摄小型骨骼（指骨、人字骨等）
   1. 准备一个用铝箔覆盖的转盘，在其上方放置一个带有若干向上竖直牙签的泡沫块，用于支撑样本。
   2. 将骨头放在牙签上方，使其腹面从下方可见。
   3. 将三脚架调整至水平高度（步骤 2.1.6）。
   4. 拍摄照片，然后将转台旋转15–20°，重复此步骤直至完成360°旋转。
   5. 将三脚架调至较高位置（步骤 2.1.7）。重复拍照过程（步骤 2.4.4）。
   6. 将三脚架调至较低高度（步骤2.1.8）。重复拍摄（步骤2.4.4）。

3. 使用建模软件进行数据处理（参见材料表）

1. 创建稀疏点云
   1. 前往 工作流程 菜单，选择 添加片段 和 添加照片。 选择同一标本的所有照片并点击 打开.
   2. 前往 工作流程 菜单，选择 对齐照片 并单击 好的. 此步骤将需要一些时间。
   3. 前往 模型 菜单并选择 逐步筛选.
   4. 选择 重建不确定性，将数值设为10并点击 好的. 按压 [DEL] 以移除选定的点。
   5. 前往 工具 菜单，选择 优化相机检查 自适应相机模型拟合 并单击 好的.
   6. 重复步骤 3.1.3，选择 重投影误差，设定值 低于0.5 并单击 好的. 按压 [DEL] 用于移除选定的点。
   7. 重复步骤 3.1.3，选择 投射准确性，设定值 低于10 并单击 好的. 按压 [DEL] 以移除选定的点。
   8. 旋转点云并删除不需要的点 自由选择 工具 和 [DEL].
2. 清理稀疏点云
   1. 前往 工作流程 菜单，选择 构建网格.
   2. 选择 稀疏云层 作为来源，取消勾选 计算顶点颜色 并点击 好的.
   3. 前往 文件 菜单，选择 导入 – 导入掩膜.
   4. 选择 从模型 作为方法， 替换 如操作，应用于 所有相机 并单击 好的.
3. 构建密集点云
   1. 前往 工作流程 菜单，选择 构建密集点云.
   2. 选择 质量 （中或高），取消勾选 计算点颜色，然后单击 好的此步骤将需要一些时间。
   3. 旋转点云并删除不需要的点 自由选择工具 如有必要。
4. 清理浓密的云团
   1. 前往 工作流程 菜单，选择 构建网格.
   2. 选择 浓密云层 作为来源并点击 好的等待加载并保存项目。
5. 模型的缩放
   1. 在 照片 面板， 双击 带有标记卡片的照片 放大 和 右键单击 在标记的中心处选择 添加标记对照片上的其他标记重复上述步骤。
   2. 对所有带有标记卡的照片重复上述步骤。对于先前已添加的标记， 右键单击，选择 放置标记 并从列表中选择
   3. 通过按住来调整标记的位置 左键单击.
   4. 在 工作区 面板，下方 片段 – 标记物，通过按住已知距离的一对标记来选择 [CTRL]. 右键单击 并选择 创建比例尺对所有配对重复上述步骤。
   5. 在 工作区 面板，下方 块状结构 – 比例尺，选择这对标记物。
   6. 在参考面板中，输入以米为单位的距离。对所有配对重复此操作。
   7. 保存 项目

4. 骨架的3D打印

1. 打印模型
   1. 将 .STL 文件导出至 3D 打印软件（参见 材料表）。
   2. 如有必要，在打印平台上移动和旋转模型。确保模型以较大的平坦面接触底座。如有需要，可进行放大或缩小。
      注：3D 打印是一个非常耗时的过程，骨骼的不规则形状可能使打印过程更加复杂。应将最平坦的表面指定为模型的底部，以确保打印过程中打印件保持稳定。
   3. 对于尺寸过大无法一次性打印的部件（例如下颌骨），使用 自由切割 功能将模型分割为多个部分，打印后将各部分粘合在一起。
   4. 使用 PLA 耗材打印模型。打印间距设为 0.03 mm。
      注：对于具有精细结构的模型，建议采用更小的打印间距，但这将导致打印时间延长。
2. 展示骨骼
   1. 根据指定的编号将 3D 打印件与原始标本进行比对。检查是否存在打印错误，必要时重新打印。将骨骼组装后进行展示。

结果

本研究中，对166块骨骼分别进行了扫描，并将分辨率为1 mm的三维模型保存为.STL格式。立体光刻格式仅记录三维物体的表面几何结构，不包含颜色或纹理信息，该格式常用于3D打印。小布氏鲸骨骼的完整三维模型已上传至网络供公众访问（https://www.cityu.edu.hk/cvmls/omura）。由于颅骨尺寸较大，使用专业3D打印机进行打印；其余骨骼部分则使用实验室自有的3D打印机完成（图2，参见材料表）。下颌骨分段打印。所有鲸骨均与3D打印产物进行了匹配和比对（图3）。最终成品在整体上与鲸类标本高度相似，适用于常规科研、展览及教学用途（图4）。然而，有2个诊断性特征（即顶鳞缝上的孔洞以及额骨外侧边缘后端的凹槽）未能被充分还原，限制了该产品在精细解剖学研究中的应用。

讨论

用于展览的骨骼标本应无油且无味。鲸骨以含油量高而著称，这使得其制备过程尤为困难。1998年一头幼年蓝鲸搁浅后，其骨骼遗骸被陈列于美国马萨诸塞州的新贝德福德捕鲸博物馆。尽管经过专业人员的大量处理，骨骼仍呈黄色并伴有难闻气味，且持续渗出油脂超过20年²¹。由于香港在鲸类处理方面经验有限，对小布氏鲸标本进行了大量脱脂工作，但效果并不理想。曾建议使用马或象粪进行长期堆肥以进一步去除油脂，但若温度控制不当，骨骼极易受损。即使完成脱脂，骨骼的矿物成分仍易受到多种空气传播的细菌和真菌的生物降解¹⁰。因此决定采用表面记录技术对骨骼形态进行数字化记录，并使用耐久材料复制该骨架。

摄影测量的数据采集时间取决于物体的形状和复杂程度。在本研究中，较小的骨骼（如指骨）约需7分钟，肋骨约需15分钟，较大的骨骼（如椎骨）约需45分钟。整个骨架的数据采集在4周内完成。其局限性在于，与三维表面扫描不同，摄影测量无法实时生成模型。只有在照片导入并处理后，操作人员才能判断其是否足以生成完整的三维模型。若某一部分记录不充分，则...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
EF 24-70mm 1:2.8 L II USM	Canon	NA	相机镜头
EOS 5DSR	Canon	NA	相机
ideaMaker 3.6.1	Raise 3D	NA	3D打印软件
MVKBFRL-LIVEUS	Manfrotto	NA	相机三脚架
N2 Plus	Raise 3D	NA	3D打印机
Agisoft Metashape 1.6.4（专业版）	Agisoft	NA	3D建模软件
聚乳酸	Raise 3D	NA	3D打印材料
Precision 9010 CPU：2 × Xeon E5-2620 v3	Dell	NA	计算机