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。
方法文章
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
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
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）Ba....
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方案
1. 准备
- 组装半脱脂的鲸鱼骨骼。
- 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
- 相机和三脚架设置
- 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。
- 根据光照条件将快门速度设置为1/25至1/30。
- 将光圈设置为 f11 至 f13，确保清晰捕捉背景。
- 将ISO设为自动，确保数值不超过1600。
- 将三脚架置于距样本约20-40 cm处。
- 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).
- 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。
- 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。
- 拍摄椎骨
- 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。
- ....
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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。
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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.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨向香港特别行政区政府渔农自然护理署及香港警务处水警总区对本项目的支持表示感谢。衷心感谢香港城市大学的教职员工和学生在清除小布氏鲸骨骼软组织及处理骨骼方面所付出的巨大努力。作者感谢香港城市大学传染病与公共卫生系对本文出版费用提供的经费支持。 特别感谢Maria Jose Robles Malagamba博士对本文稿的英文润色工作。
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材料
| 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 |
参考文献
- Adamczak, S. K., Pabst, A., McLellan, W. A., Thorne, L. H. Using 3D models to improve estimates of marine mammal size and external morphology. Frontiers in Marine Science. 6, (2019).
- Kemper, C. M., et al. Cetacean captures, strandings and mortalities in South Australia 1881-2000, with special reference to human interactions. Australian Mammalogy. 27 (1), 37-47 (2005).
- Díaz-Delgado, J., et al.
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