5 направлений 3d сканирования в Смитсоновском институте

Что происходит, когда «американский чердак» дает волю 3d сканированию?

В скором времени на полках Смитсоновского института в Вашингтоне появятся миниатюрная модель головы Президента Авраама Линкольна, останки скелета кита возрастом пять миллионов лет и даже бюсты давно усопших работников института.

Смитсоновский институт называют «американский чердак», потому что там хранится все, что нужно и не нужно.

Но появление 3d сканеров и принтеров, которые заняли Смитсоновскую 3d лабораторию оцифровки в Лэндровере (Мэриленд), все-таки стало неожиданностью.

Один из сканеров имеет размер тостера и позиционируется на штативе. Вращающееся зеркало занимает п-образный вырез, находящийся в верхней части. Так машина может отразить лазерный луч, сканирующий комнату или пещеру. Другой сканер напоминает руку робота, прикрепленную к опоре. Оба сканера выглядят так, как будто более подходящим местом для них стала бы киностудия спецэффектов или лаборатория NASA.

Однако эти сканеры стали ключевым компонентом в исследованиях Смитсоновского института: их стали использовать для лучшего понимания прошлого. Ученые используют 3d сканы и 3d принты для изучения самых хрупких из всемирных артефактов, как художественных, так и палеонтологических находок, которым уже более миллиона лет, без необходимости прикосновения к экспонатам.

В течение прошедших четырех лет пара Смитсоновских работников отсканировала множество объектов из 19 национальных музеев и галерей, а также Национального Зоопарка и мест проведения раскопок по всему миру.
Винс Росси (Vince Rossi) и Адам Металло (Adam Metallo), которых называют «лазерными ковбоями», за период своей работы отсканировали разнообразные объекты — от современных художественных экспонатов до редких находок с чилийских мест раскопок. Они оба зарабатывали себе на жизнь производством реквизита для театральных постановок перед тем, как начать производство моделей артефактов для выставок Смитсоновского музея. Росси начал работать в Смитсоновском институте в 2004, а Металло в 2009 г.

В их музейной деятельности создание модели древней реликвии подразумевало работу по изготовлению ее гипсового слепка или ее ваяние из глины.

После того, как многие кураторы начали протестовать против погружения древних объектов в гипс, Росси и Металло написали запрос Смитсоновскому институту по приобретению 3d сканера и принтера.

“Нашим приоритетом было создание лучших моделей для выставок”, — сообщил Росси. Но после получения гранта шесть лет назад, он обнаружил, что эта технология пользуется большим спросом и что может позволить исследователям изучать объекты без необходимости прикосновения к ним.

“Обычно 3d приборы бесконтактные”, — говорит Металло. Они работают, измеряя скорость лазерного луча, отражающегося от различных частей экспоната, что не подразумевает никакого применения рулетки или кронциркуля.

Это стало музыкой для ушей многих кураторов и ученых.

“Способность отсканировать объект в 3d измерении позволяет не только вернуть его назад в реальный мир через 3d печать, но и изучить его свойства”, — сообщил Росси. “Рациональное применение этих инструментов — работа с полученными данными, а не просто изготовление моделей на 3d принтере”.

С тех пор, как «лазерные ковбои» закрепили за собой место в Смитсоновской лаборатории около четырех лет назад, через их приборы прошли самые разнообразные типы объектов.

Вот 5 самых невероятных и интригующих объектов из их списка:

1. Расшифровка скульптуры Космического Будды

Эта поразительная фигура скрывала свои тайны в течение свыше 1300 лет. Являясь реинкарнацией видения китайскими буддистами рая и ада, высотой почти 6 футов, скульптура Будды возвышается над своим пьедесталом в Смитсоновской галерее Фриер и Саклер в Вашингтоне, без головы и рук.

Однако, пока посетители музея разглядывают пупок скульптуры — живот сидящего Будды находится на уровне глаз — ученым трудно его исследовать.

“Чтобы детально изучить надписи, вырезанные на скульптуре, ученым потребовалось бы пойти в зал галереи, захватив с собой лестницу и, взобравшись на нее, заглянуть Будде за плечи”, — говорит Металло.

“Предыдущие попытки определить значение этих надписей были малоуспешны”, — сообщил Кит Вилсон (Keith Wilson), куратор секции древнего китайского искусства во Фриер-Саклер (это две галереи, посвященные Азиатскому искусству). Исследователям приходилось работать по снимкам или чернильным отпечаткам резьбы.

Рассмотрев резьбу после сканирования поближе, Вилсон понял, что возможно компьютерно усовершенствовать место нанесения резьбы и получить более ясную картину.

Так, в прошлом году он привлек Металло и Росси к работе над скульптурой.

Пользуясь ручным 3d сканером, Металло и Росси смогли создать цифровую модель скульптуры и резьбы на ней для Вилсона. Затем «Лазерные ковбои» улучшили результат своего сканирования с помощью фототехники, называемой фотограмметрия (это прием в фотографии с использованием последовательных изображений для получения измеряемых размеров). Эта техника помогла им воспроизвести впадины, где должны были находиться голова и руки скульптуры.

Цифровые сканирования уже помогли Вилсону более точно определить возраст скульптуры. “Я повторно датировал ее 550 — 557 г.г. н.э.”, — сообщил куратор. Предыдущие оценки отнесли скульптуру к 581 — 618 г.г. н.э.

Металло говорит, что следующим шагом станет разворот и выравнивание цифровой модели, “наподобие превращения глобуса в карту”.

2. Сохранение доисторических останков кита

Смитсоновский палеонтолог Николас Пиенсон (Nicholas Pyenson) находился в чилийской пустыне Атакама на раскопках останков пингвинов и дельфинов несколько лет назад, когда неожиданно коллега сообщил ему о месте по-соседству, усыпанном окаменелыми останками китов возрастом около 5 млн. лет.

“Это были дюжины и дюжины скелетов китов”, — вспоминает Пиенсон о путешествии 2011 г. Не каждый день ученые наталкиваются на захоронения китов, и Пиенсон отметил, что в тот момент его разум просто затуманился.

Но ценная находка подвергалась опасности. Дорожные службы были занятым расширением Панамериканского Шоссе, которое проходило бок о бок с местом находки.

Так, у исследователей был только один месяц, чтобы задокументировать 35 найденных скелетов китов. Также останки было необходимо переместить, чтобы освободить место для строящегося шоссе.

Документирование останков, пока они все еще находятся в земле, может рассказать ученым многое о том, где животные умерли, как осадки похоронили их тела, как сохранились кости и как они соединяются между собой.

“Обычно исследователи начинают с нанесения сетки метр за метром над скелетами, зарисовав приблизительные расположения окаменелостей на бумаге, чтобы потом воссоздать место находки, которое может выявить важную научную информацию”, — сообщил Росси.

Но временной лимит означал, что детализация каждого скелета ручным способом была невозможна. Поэтому Пиенсон обратился к Смитсоновской группе по 3d оцифровке.

Двумя неделями позже, благодаря инвестициям Смитсоновского и Национального Географического Общества, Росси и Металло погрузились в песок, сканируя скелеты окаменелого кита.

“Это потребовало невероятных усилий, мы работали по 22 часа в день”, — вспоминает Пиенсон. “Мы смогли сохранить цифровое изображение места, которое было достаточно детализировано, чтобы позволить нам ответить на наши вопросы”.

Таким образом исследователи смогли изучить цифровые сканирования того места, чтобы выяснить, как кости соединяются между собой и как они оказались в той области.

При изучении ученые выяснили, что кости были принесены в ту область быстротечной рекой, впадающей в озеро.

Хотя исследователи все еще изучают сканирования и физические образцы, которые находятся в Чилийском музее неподалеку, они уже планируют изготовить модель кита в полный размер, чтобы выставить ее на показ в Смитсоновском Национальном Музее Природоведения позже в этом году.

3. Реконструирование «Зала вымерших монстров»

Об этом сканировании мы писали ранее.

Помещение в вашингтонском Национальном Музее Природоведения площадью 31000 кв. м., в котором представлены различные виды динозавров, более известно как «Зал вымерших монстров». Зал планируют обновить в следующем году. И эта реконструкция станет самой грандиозной в истории музея.

Зал вмещает 27 динозавров, в том числе стегозавра, трицератопса, и диплодока. Некоторые из динозавров на выставке, в частности стегозавр стенопс, особенно ценны для исследователей, потому что они были первыми из их вида и дали научные имена всем остальным.

Ученые использовали окаменелости для описания целых разновидностей рода динозавров, с которыми впоследствии сравнивались индивидуумы.

“Сканирование позволяет детально изучить те образцы, которые все еще остаются в выставочном зале”, — написал в своем электронном письме Мэтью Каррано (Matthew Carrano), куратор по секции динозавров в музее. Сканирования также помогут исследователям и смитсоновскому персоналу в улучшении креплений экспонатов.

Есть надежда, что проектировщики смогут пользоваться цифровыми моделями при размещении экспонатов. С помощью 3d сканирования ученым предоставится возможность в цифровой форме осмотреть скелет и распологать его в различных местах нового зала, чтобы решить, где его разместить.

После апрельского подключения Росси и Металло более 80% зала и его окаменелых жителей было переведено в цифровую форму, даже несмотря на некоторые затруднения.

4. Поддержка для современного искусства

Два произведения современного искусства в вашингтонском Музее Хиршхорни и Саду Скульптуры привлекли внимание «лазерных ковбоев».

Если бы спросили, сколько людей потребуется, чтобы сменить электрическую лампочку позади шедевра современного искусства под названием «Лунный Ландшафт», то ответом бы стали два «лазерных ковбоя».

Этот экспонат представляет собой висящую на стене инсталляцию размером три на два фута (0.9 м на 0.6 м), сделанную из материала под названием магнезит. Тонкие магнезитовые каркасы перфорированы и покрыты цветными ацетатными гелями таким образом, что свет тех самых лампочек с обратной стороны структуры струится сквозь нее.
Это одна из крупнейших лунных конструкций, созданная творцом из Америки Исаму Ногучи (Isamu Noguchi), который провел семь месяцев в лагере заключенных в Аризоне во время Второй мировой войны. Гвинн Райан (Gwynne Ryan), скульптор-консерватор из Хиршхорна, называет это произведение искусства «призовым объектом нашей коллекции».

Каждый раз, когда работникам нужно было заменить лампочку в инсталляции, им приходилось на что-то опираться, что не является желательным для ценного художественного произведения.

Так Металло и Росси в прошлом году отсканировали шедевр и создали картонную опору для этой работы. Взаимосвязанные части этой опоры соединяются вместе, как пазл. При этом произведение искусства находится всегда сверху. В результате чего эта опора может везде сопровождать инсталляцию, даже если она когда-нибудь отправится в хранилище. “Реставраторам больше не придется так волноваться”, — говорит Райан.

Второй объект из Хиршхорн, который отсканировали Росси и Металло, — скульптура из воска под названием “Из Руки в Рот”, которую музейщики опасались выставлять в других музеях из-за ее хрупкости.

Так в 2009 г, как раз перед путешествием экспоната в Венецию, музей Смитсоновского института отсканировал скульптуру. Таким образом сотрудники музея получили цифровую компьютерную версию работы.

В 2013 Хиршхорн попросил лабораторию дискретизации отсканировать скульптуру вновь, чтобы посмотреть, не повредило ли ее путешествие.

“Хорошей новостью стало то, что обнаружились совсем незначительные различия в двух отсканированных моделях”, — сообщил Металло.

“3d сканирование помогло успокоить работников музея, т.к. оно показало, что скульптура сильно не изменила свою форму”, — сообщила Райн.

5. Случай загадочной смерти 140-летней давности

Роберт Кеникотт (Robert Kennicott), натуралист Смитсоновского института, в мае 1866 исследовал берега реки Юкон, где внезапно скончался. Он был похоронен в своем поместье The Grove в Гленвью (Иллинойс).

Ходили слухи, что 30-летний мужчина совершил самоубийство, проглотив стрихнин — один из ряда токсинов, который он использовал для консервации образцов в то время. Но фактическая причина смерти так и оставалась загадкой целое столетие.

В 2001 потомки Кеникотта и смитсоновский персонал заказали судебным антропологам Музея Природоведения расследование загадочной смерти.

Исследователи эксгумировали тело Кеникотта и после досконального анализа объявили в 2010 г., что вероятной причиной смерти могла стать сердечная недостаточность (Q-T синдром). Этот синдром являлся причиной смерти некоторых спортсменов во время игры.

Пока останки Кеникотта находились у судебных антропологов, Росси и Металло подключились к исследованию: они отсканировали череп натуралиста и напечатали его 3d модель для реконструкции лица и бюста.

“Исследователи разместили тканевые маркеры на 3d модели, чтобы воссоздать кожные покровы Кеникотта”, — сообщил Росси.

Бюст был выставлен в Национальном Музее Природоведения перед тем, как отправиться в семейное поместье в Иллинойсе.