中國古動物館外墻三維可視化展示效果圖（擬石科技制作）。受訪者供圖
志留紀古海洋VR場景灰模示意圖（擬石科技制作）。
化石三維重建。
■本報記者 胡珉琦
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所（以下簡稱古脊椎所）研究員盧靜最喜歡的魚，是中國古動物館中的“鎮館之寶”——保持了4億年前古老面貌的“活化石”拉蒂邁魚。在它身上能看到四足動物乃至人類身體的結構和器官的影子。
5月14日，中國科學院公眾科學日期間，盧靜把這一鎮館之寶和其他幾種魚類“搬”到了博物館的外墻上。不同的是，它們只有骨骼，沒有肉身。這些骨骼有的一會兒閃著炫酷的色彩，科技感十足；一會兒又呈現潔白的骨頭質感，再配上故宮紅的背景，復古且莊重。
這是盧靜帶領三維可視化團隊第一次真正把三維重建和數字復原技術用于科普展示中。不僅如此，她還和藝術家們一起，探索了科學與藝術相結合的創作方式，用最先進的建模和渲染技術，讓骨骼呈現出比真實更藝術、比藝術更真實的效果。
兩年前，盧靜開始在古脊椎所搭建三維重建和可視化平臺，它正逐漸成為聯結科研和科普兩翼的重要的創新技術平臺。
CT掃描只是第一步
古生物骨骼的精細呈現，首先要歸功于斷層掃描（CT）技術的發明。
CT最初是在醫學和制造業中發展起來的，從上世紀90年代起，古生物學家開始嘗試把它應用到化石研究中。但由于化石比生物體致密得多，且不同化石的物質成分千差萬別，直接套用醫用CT機器往往很難達到理想的掃描效果，研發古生物研究專用CT就成為了迫切需求。
2008年，古脊椎所與中國科學院高能物理研究所和中國科學院自動化研究所合作研制了全球首套專門應用于古生物化石研究的高精度CT機器，2011年投入使用。這使得古生物學家能夠方便、快速、高質量地對不同大小的脊椎動物（含人類）化石及現生生物的內部精細形態和顯微結構進行無損檢測和重建。
“有一個簡單的統計，從2011年至今，通過我們的CT機器掃描的化石樣品有9000多件、現代生物樣品2000多件，這些掃描數據在《自然》《科學》等國際頂級學術期刊及子刊上發表了150多篇論文。”盧靜說，CT的應用已經成為古生物學的常規研究手段。
“很多人，包括研究人員都會誤以為CT和醫院里看X光片一樣，掃描完就可以直接看結果了，實際上CT只是獲取數據的第一步。”盧靜解釋，CT得到的原始數據只是一套誰也看不出是什么的圖像數據，而我們最終想看到的是某個局部結構的三維形態信息，這就要對原始數據進行分割和重建，這樣才能把精細的結構單元準確、清晰地呈現出來，進行分析和研究。
2023年1月，朱敏院士團隊使用高精度CT和三維重建對一種保存完整的早期有頜魚類——西屯副云南魚進行了重新研究，結果發現，這條魚的“腰帶”，也就是相當于我們后肢部位骨骼結構的重建結果，和過去基于機械清修和外部觀察的認知非常不同，這對有頜魚類成對附肢特別是后肢的起源與演化產生了很大影響。
“形態學研究是古生物學的根基，只有通過CT和三維重建盡可能地把所有形態結構的解剖學特征全部提取出來，才能更好地助力古生物研究。”
她告訴《中國科學報》，在現生生物研究中，這項技術也大有可為，例如如果獲得重要動物胚胎發育各個階段的成套的三維掃描數據，就能夠完整呈現生物個體發育中重要結構器官的變化全過程，在此基礎上與分子生物學、發育生物學研究結合，對探索生命演化等這些重大科學問題有極大意義。
三維重建也有了“美圖秀秀”
然而，三維重建工作在過去一直是勞動密集型產業。盧靜介紹，目前，國際上三維重建的付費標準是80~140歐元/小時，且工作效率比較低。它依靠的是少數經過長期訓練的“數字化石修理師”。
2016年，盧靜在澳大利亞國立大學應用數學系做博士后，所在團隊的研究方向正是CT和三維可視化。2017年回國后，她很快開辦了三維可視化培訓班，又于兩年前建立了三維重建和可視化平臺，不僅大大提升了三維重建的時效，同時顯著降低了人力成本。
三維重建和可視化平臺的目標不止于此，盧靜和團隊正在嘗試的是基于化石、CT數據以及真實生物材料的古生物數字化研發。通過三維建模、三維復原、數字創作、動畫制作、VR、AR及MR等技術方式對各類古生物（生物）資源進行有機整合，探索其在科研領域和虛擬世界里的創新應用。
“我們通過古生物三維動態模型的搭建，除了科學嚴謹地復原生物結構外，還可以用動態骨骼綁定技術，賦予模型運動能力，提升模型所包含的信息量和價值；獨立原創設計出更真實豐富的生物體色構成；最后還可以衍生出三維動畫、立體投影、虛擬現實VR/AR/MR/SR、模型雕塑等應用。”
為了提升化石和現代生物成像數據的可視化效果，盧靜專門開發了一款用于處理三維表面模型的免費軟件Vayu，集 “美圖秀秀”和 “剪映”功能于一身，除了擁有編輯、渲染、標注、分析等可視化工具外，還自帶VR模式以及快捷的動畫制作方法，用于各種成果展示和教學過程。利用它，科研人員可以在最短時間內掌握三維表面模型的快速渲染和動畫制作。
2022年9月，《自然》同期發表了朱敏院士團隊4篇古魚類學術論文，由三維可視化團隊完成的沈氏棘魚、梵凈山魚、黔齒魚、土家魚、秀山魚復原圖登上了《自然》封面。
傳遞真實的科學之美
盧靜對三維可視化的探索最初源于科研需要，直到兩年前，她發現生物的準確重建與復原對于公眾了解古生物知識至關重要。
2020年4月，華為發布了基于河圖技術的首款應用“華為AR地圖”—— 一只巨型虛擬錦鯉“飄浮”在上海外灘的上空，形成了極強的視覺沖擊力。
“我在網上看到圖片后，觸動特別大。”盧靜談道，“計算機虛擬技術已經有了極大的提升，但我們對生物復原的理解卻有巨大的認知偏差。”
她發現，這條錦鯉無論從解剖結構還是體態上看，都不像一條真正的魚，它也不可能游起來。
“藝術之美是蘊含在真實之中的，而復原的科學性體現的就是真實性。”盧靜說，過去常常認為科學和藝術之間存在比較大的鴻溝，是因為既懂科學又懂藝術的人是稀缺品，因此，她希望把三維可視化團隊打造成兩者兼有的角色，希望它所提供的基于科學數據和藝術加工的復原成果展示，能夠幫助公眾提升對于生物世界的審美品位，讓大家在欣賞一個生物形象時不單單只停留在視覺沖擊上。
有了這樣的認知，她意識到，三維可視化技術更應該走出學術圈，把所有古生物和現生生物的三維數字資產累積起來，搭建起整個史前生物的生活場景，最終植入任何真實場景和虛擬場景的數字展示中。而她最先想到的便是數字博物館。
大家津津樂道的自然歷史博物館往往在歐美國家。法國自然歷史博物館有一個著名的大廳——比較解剖學大廳，專門展示動物的精美骨架。博物館方為此邀請了一位攝影師為這些標本拍攝了一組極具科學性和復古美學的黑白照片，并出版了一本名為《演化》的圖書，成為了科普圖書中的一件精品。
“其實，我們國家的標本數量、質量和研究水平已經完全能與這些老牌自然博物館比肩，而且，我們不乏珍貴的化石和現生生物標本，如果這些科學遺產不能被更多人看到，是很可惜的。”盧靜說，如果能把它們用三維數字復原技術，以真實、極具美感的方式呈現在數字博物館中，則可以徹底打破空間限制，在展示維度上超越那些老牌博物館。
近年來，“梵高再現Van Gogh Alive”沉浸式數學光影展火爆30多個國家，許多國內觀眾都曾親身感受這種數字虛擬技術帶來的藝術體驗。盧靜坦言，珍貴的古生物三維復原、數字生物也能用同樣的方式與大眾見面。在她的理想中，未來的三維可視化展示既要達到世界頂尖水平，同時還要打造出具有中國特色的古生物IP。