instytut archeologii umcs w lublinie Horodysko Od epoki kamienia do wczesnego średniowiecza Badania pod redakcją Tomasza Dzieńkowskiego

Transkrypt

1 instytut archeologii umcs w lublinie Horodysko Od epoki kamienia do wczesnego średniowiecza Badania pod redakcją Tomasza Dzieńkowskiego lublin

2

3 Spis treści Wprowadzenie 7 ŚRodowisKo naturalne 9 Radosław Dobrowolski Charakterystyka wybranych elementów środowiska przyrodniczego doliny rzeki Horodyski 11 Irena Agnieszka Pidek Rekonstrukcja zmian szaty roślinnej w dolinie rzeki Horodyski na podstawie analizy palinologicznej 19 Badania archeologiczne 25 Tomasz Dzieńkowski Prace wykopaliskowe w latach Andrzej Bronicki Neolit. Obiekty nieruchome i zabytki ceramiczne 33 Jerzy Libera Materiały z surowców krzemiennych i niekrzemiennych z warstwy kulturowej i obiektów 78 Jerzy Libera Cmentarzysko szkieletowe z wczesnej epoki brązu 104 Teresa Mazurek, Wojciech Mazurek Ślady osadnictwa kultur trzcinieckiej i łużyckiej 129 Piotr Łuczkiewicz Osadnictwo z młodszego okresu przedrzymskiego 144 Barbara Niezabitowska-Wiśniewska Osadnictwo z okresu rzymskiego 196 Tomasz Dzieńkowski Osadnictwo słowiańskie 224 Tomasz Dzieńkowski Obiekty niedatowane 283 Stanisław Gołub Badania powierzchniowe w dolinie rzeki Horodyski 285 Spis treści 5

4 Badania specjalistyczne Cmentarzysko z wczesnej epoki brązu. Badania szczątków kostnych 301 Beata Borowska-Strugińska Wyniki badań antropologicznych 303 Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba, Michał Rychlik Badania identyfikacyjne szczątków 309 Agnieszka Przystańska, Tomasz Kulczyk, Mariusz Glapiński, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska Badania odontologiczne szczątków 323 Monica Abreu-Głowacka Analiza genetyczna szczątków ludzkich 336 Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr ANALIZY 359 Kamilla Waszczuk Analiza archeozoologiczna szczątków kostnych 361 Anna Rauba-Bukowska Wyniki badań petrograficznych ceramiki naczyniowej kultury strzyżowskiej 397 Małgorzata Daszkiewicz, Gerwulf Schneider Ceramika z młodszego okresu przedrzymskiego i okresu rzymskiego z osady w Horodysku wyniki badań archeoceramologicznych 406 Lucjan Gazda Analiza petrograficzna i surowcowa zabytków kamiennych 435 datowania absolutne 439 Stanisław Fedorowicz Datowanie termoluminescencyjne ceramiki naczyniowej z młodszego okresu przedrzymskiego 441 Tomasz Goslar Poznańskie Laboratorium Radiowęglowe Datowanie 14C próbek z cmentarzyska szkieletowego z wczesnej epoki brązu i osady z okresu wczesnego średniowiecza Spis treści

5 Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr 6 Wstęp Opracowanie trójwymiarowego modelu komputerowego badanego obiektu, w tym przypadku czaszki oraz żuchwy, pozwala na przeprowadzanie różnorodnych analiz komputerowych. Mogą one dotyczyć wielu różnych aspektów, począwszy od zwykłej archiwizacji danych w postaci parametrycznego modelu 3D, poprzez numeryczne analizy wytrzymałościowe i porównawcze, a skończywszy na wizualizacji z zastosowaniem grafiki komputerowej (w tym wizualizacji stereoskopowych 3D) oraz zaawansowanych technikach umożliwiających odtworzenie rzeczywistego obiektu (Rychlik i in. 2015). Modele 3D możemy uzyskać przez skanowanie obiektu skanerem 3D, ale także przez złożone czynności i operacje z wykorzystaniem danych z badania tomografii komputerowej (TK). Badanie TK pozwala na przeprowadzenie badań diagnostycznych. Dzisiejsze tomografy komputerowe bardzo dobrze i bardzo szybko pokazują struktury kostne i tkanki miękkie. Możemy wykonać doskonałe diagnostycznie rekonstrukcje trójwymiarowe struktur kostnych nie tracąc jakości i dokładności obrazowania. Szczególną rolę spełniają w badaniach zamkniętych struktur anatomicznych (W. Kociemba 2015). Dane z badania TK mogą posłużyć dalszym czynnościom zmierzającym do uzyskania modeli wirtualnych badanych obiektów w celu między innymi archiwizacji materiałów, czy dla potrzeb badań identyfikacyjnych. Opracowanie trójwymiarowego modelu komputerowego czaszki na podstawie obrazowania TK Modele komputerowe 3D stosowane w bioinżynierii Proces komputeryzacji i informatyzacji obecnie obejmuje swym zasięgiem wszelkie sfery życia, w tym również i medycynę. Liczne nowe techniki wykorzystywane dotąd w inżynierskich systemach, np. projektowania wspomaganego komputerowo CAD (ang. Computer Aided Design), wprowadzane są na pole zastosowań biomedycznych. Jedną z bardzo dynamicznie rozwijanych aplikacji jest stosowanie metod wykorzystujących komputerowo wspomaganą inżynierię wirtualną znaną w medycynie pod nazwą CAME (ang. Computer Aided Medical Engineering). Podstawowym elementem stosowanym w systemach projektowania wspomaganego komputerowo CAD jest przestrzenny (trójwymiarowy) komputerowy model geometryczny analizowanego obiektu. Posiadanie przestrzennego modelu komputerowego pozwala wykonywać różnego rodzaju operacje w pełni niezależnie od modelu rzeczywistego. W przypadku bioinżynierii do najczęściej wykonywanych analiz należą: pomiary antropometryczne, planowanie przedoperacyjne, indywidualne przygotowywanie protez, modelowanie i rekonstrukcja uszkodzonych lub zdeformowanych elementów (np. fragmentów kości), wizualizacje przestrzenne (wizualizacje 3D z wykorzystaniem technik wirtualnej rzeczywistości), analiz numerycznych (strukturalnych lub przepływowych), a także wytwarzania wspomaganego komputerowo (CAM Computer Aided Manufacturing) oraz maszyn do szybkiego prototypowania, tzw. drukarek 3D (RP Rapid Prototyping). 342 Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba

6 Inżynieria Wirtualna zajmuje się metodami obróbki oraz analizy wykonywanymi w przestrzeni wirtualnej. Opracowanie modelu komputerowego i jego przetwarzanie może dotyczyć pojedynczych struktur takich jak kości lub naczynia krwionośne (ryc.1), jak również bardziej złożonych układów, np. mięśniowo-szkieletowych. Ryc. 1. Wizualizacje modeli 3D wykonanych na podstawie danych biomedycznych obrazowania TK (od lewej): stawu kolanowego, struktura kończyn dolnych kości stopy, kość żuchwy oraz kręgosłupa odcinek szyjny1. Podstawą wykonania każdego modelu komputerowego jest posiadanie odpowiedniego zestawu danych wejściowych. Rekonstrukcja geometrii oraz opracowanie komputerowego modelu elementu ciała przeważnie wykonywane jest na podstawie cyfrowych danych biomedycznych (DICOM), które następnie są przetwarzane za pomocą specjalistycznych programów komputerowych. Obrazowanie biomedyczne Obrazowanie biomedyczne obejmuje różne standardy zapisu danych dotyczących przeważnie geometrycznych cech ciała ludzkiego. Zalicza się do niego głównie obrazowanie radiologiczne, tomografię komputerową, rezonans magnetyczny, a także ultrasonografię. Wspólną własnością wszystkich współczesnych systemów obrazowania biomedycznego jest cyfrowy sposób zapisu danych w formacie DICOM. Cyfrowe dane biomedyczne format DICOM Cyfrowy format zapisu danych biomedycznych DICOM jest skrótem od ang. Digital Imaging and Communications in Medicine, czyli cyfrowe obrazowanie i wymiana obrazów w medycynie. Format DICOM jest swego rodzaju normą opracowaną przez zespół ACR/NEMA (American College of Radiology / National Electrical Manufacturers Association) dla ujednolicenia wymiany oraz ułatwienia interpretacji danych medycznych oraz obrazów diagnostycznych. Format ten stosowany jest w przetwarzaniu obrazów z Tomografii Komputerowej (CT Computed Tomography), rezonansu magnetycznego (MRI Magnetic Resonance Imaging), radiografii cyfrowej (DR Digital Radiography) oraz wszystkich technik diagnostycznych wykorzystujących technologie cyfrowe o wysokiej rozdzielczości obrazu. Tomografia komputerowa Tomografia komputerowa jest nieinwazyjną techniką diagnostyczną umożliwiającą pozyskanie obrazów wnętrza badanego obiektu w postaci 1 Autorem rycin jest M. Rychlik. przekrojów (obrazów tomograficznych). Wykorzystuje ona promieniowanie rentgenowskie do selektywnego prześwietlania obiektu z różnych kierunków. Komputerowe opracowanie danych uzyskanych z wielu projekcji pozwala na Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr 6 343

7 wygenerowanie obrazów przekrojowych (2D), jak również wizualizacji przestrzennych (3D). Urządzenia do tomografii komputerowej nazywane są potocznie tomografami, a uzyskane obrazy tomogramami (M. Nałęcz, T. S. Curry 1990). We współczesnych tomografach komputerowych źródło promieniowania wraz z przeciwlegle umieszczonymi detektorami, poruszają się spiralnie wokół badanego obiektu prostopadle do osi, w jakiej ułożony jest pacjent. Podczas każdego z przebiegów pomiarowych wykonują one zestaw prześwietleń wiązką promieniowania rentgenowskiego. Każde z pojedynczych prześwietleń zawiera informacje na temat pochłaniania promieniowania przez poszczególne tkanki ciała z danego kierunku. Informacje te są następnie obrabiane komputerowo. Analiza dokonywana jest przy użyciu bardzo złożonych algorytmów uwzględniających ilość promieniowania pochłanianego przy prześwietlaniu obiektu z pojedynczego kierunku, a następnie porównywaniu ich z wynikami uzyskanymi dla pozostałych kierunków. W ten sposób tworzone są obrazy przedstawiające kolejne przekroje badanego fragmentu ciała. Uzyskane obrazy wyświetlane są w skali odcieni szarości (obraz czarno-biały), przy rozdzielczości pojedynczego przekroju (tzw. slice) wynoszącej najczęściej pikseli. Grubość pojedynczego przekroju jest wartością nastawianą przez operatora urządzenia podczas dokonywania pomiarów, jednak zazwyczaj waha się w granicach 0,6 2,5 mm. Grubość pojedynczego przekroju jak i liczba przekrojów przypadających na analizowany fragment ciała zależy od wielkości badanego organu. Parametr ten przekłada się automatycznie na jakość modelu 3D otrzymanego w dalszym procesie rekonstrukcji. Niestety wzrost liczby danych (przekrojów przy zachowaniu dużej rozdzielczości), powoduje równoczesne zwiększenie zapotrzebowania na moc obliczeniową oraz wydłużenie czasu niezbędnego do uzyskania modelu komputerowego. Rekonstrukcja geometrii kości czaszki i żuchwy osobnika z grobu numer 6 na podstawie obrazów TK tworzenie komputerowego modelu 3D Rekonstrukcja geometrii analizowanych obiektów polega na wygenerowaniu komputerowych modeli trójwymiarowych na podstawie zestawu obrazów dwuwymiarowych (tzw. slice-ów), uzyskanych z obrazowania medycznego (np. tomografii komputerowej lub rezonansu magnetycznego). W niniejszym opracowaniu rekonstrukcji podlegały wybrane elementy szkieletu w postaci czaszki oraz żuchwy osobnika z grobu numer 6. Proces komputerowej rekonstrukcji geometrii wykonywany jest w kilku etapach, które opisano w dalszych podpunktach. Zakres wykonanych prac obejmował następujące główne etapy: wstępną obróbkę obrazów biomedycznych format DICOM; segmentację wyodrębnianie rozpatrywanych elementów szkieletu; orientację przestrzenną poszczególnych części kości względem siebie; korekcję deformacji kości oraz ich ponowną reorientację; wizualizację uzyskanego modelu końcowego oraz ich zestawienie z obiektem rzeczywistym. Do obróbki obrazów medycznych wykorzystano wysoce specjalistyczny program komputerowy ScanIP firmy Simpleware. Oprogramowanie to jest narzędziem dedykowanym do obróbki danych biomedycznych w formacie DICOM oraz generowania precyzyjnych komputerowych modeli przestrzennych, wykorzystywanych w różnorodnych analizach numerycznych. Program ScanIP wyposażony jest w bardzo szeroki wachlarz narzędzi począwszy od wizualizacji danych pozyskanych z tomografii komputerowej lub MRI, przetwarzania i segmentacji obrazu oraz generowania modeli wirtualnych. Modele te są w pełni parametryczne (zachowują wymiary wierne z oryginałem) oraz kompatybilne z narzędziami do inżynierii medycznej wspomaganej komputerowo CAME (Computer Aided Medical Engineering). Obróbka obrazów biomedycznych DICOM import danych Pierwszym etapem tworzenia modelu 3D jest wczytanie danych biomedycznych, uzyskanych podczas badania tomograficznego (zapisanych w formacie DICOM). W przedstawionym przypadku obiektem zainteresowania była czaszka wraz z żuchwą osobnika z grobu nr 6 ze stanowiska Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba

8 w Horodysku. W badaniach czaszki wykorzystano 64-rzędowy skaner firmy General Electric. Badania wykonano w Zakładzie Neuroradiologii Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu. W celu ułatwienia pracy oraz maksymalnego wykorzystania zasobów komputerowych, spośród setek a czasem nawet tysięcy zdjęć, należy dokonać wyboru tych obrazów, na których są najlepiej uwidocznione kształty poszukiwanego obiektu. W tym przypadku są to obrazy dotyczące głowy, czyli zawierające obrazy czaszki i żuchwy (ryc. 2). Następnie za pomocą specjalnych narzędzi wbudowanych w program, ustala się parametry filtrowania obrazu, takie jak kontrast, jasność, wysycenie oraz zakres skali szarości, w ten sposób by wydobyć i wyostrzyć obszary poszukiwanych elementów (np. kości), a ukryć te, które w danej chwili nie są potrzebne (np. tkanki miękkie, mózg, naczynia krwionośne, kości itd.). Ryc. 2. Wejściowy zestaw danych biomedycznych czaszki osobnika z grobu numer 6 wybrane obrazy TK. Rezultatem wykonanej operacji filtrowania danych jest uzyskanie maksymalnie czytelnej informacji o tkance kostnej, pozostałe elementy zostają wygaszone. Dzięki temu zabiegowi na obrazach widoczne są wyłącznie obszary zawierające kości (ryc. 3). Ryc. 3. Zestaw obrazów po procesie filtrowania widok w płaszczyźnie strzałkowej. Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr 6 345

9 Na tym etapie można dokonać wstępnej wizualizacji (podglądu) obrazów zawierających wyłącznie dane dotyczące kości. Wizualizacja jest wykonana w formie przestrzennego obrazu rentgenowskiego (ryc. 4). Uwidoczniła ona liczne obszary uszkodzeń czaszki i żuchwy, a w niektórych miejscach ubytki tkanki kostnej, jak również deformacje widoczne głównie w obszarze czaszki. Ryc. 4. Wstępna wizualizacja przestrzenna odfiltrowanych danych przedstawiających obszar kości czaszki i żuchwy. Segmentacja definiowanie poszczególnych elementów czaszki Najważniejszym etapem wykonywanym podczas rekonstrukcji geometrii jest proces segmentacji. Segmentacja obrazu (ang. image segmentation), polega na wyznaczeniu obszarów (regionów), które są jednorodne (tzw. homogeniczne) ze względu na pewne wybrane własności. Obszarami tymi są zbiory pikseli, przy czym piksel jest pojedynczym punktem obrazu tomograficznego. Do własności, które są najczęściej definiowane, jako kryterium jednorodności zalicza się: poziom odcieni szarości obrazu, barwę lub teksturę. Proces segmentacji prowadzi do utworzenia tzw. masek, które pokrywają obszary organów lub części ciała, które są przedmiotem zainteresowania operatora. W prezentowanym przypadku, dotyczą obszarów przynależących do tego samego fragmentu kości. Uzyskano w ten sposób dwie niezależne maski, jedną odpowiadającą geometrii czaszki, a drugą geometrii żuchwy (ryc. 5). Ryc. 5. Wizualizacja procesu segmentacji. Widoczne wyróżnione maski czaszki (kolor rudy) i żuchwy (kolor żółty). 346 Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba

10 Zasadniczą trudnością w trakcie wykonywania segmentacji jest jednoznaczne i właściwe określenie granic między sąsiadującymi (stykającymi się) ze sobą obszarami. Nieprawidłowe zdefiniowanie granic obszarów prowadzi w rezultacie do wygenerowania niewłaściwych geometrii poszczególnych elementów. Po prawidłowym wykonaniu procesu segmentacji zostają wygenerowane wstępne modele przestrzenne czaszki oraz żuchwy indywidualnie dla każdego z obiektów (ryc. 6). Kolory obiektów odpowiadają poszczególnym kolorom przygotowanych wcześniej masek. Ryc. 6. Wizualizacja przestrzenna wyników segmentacji wykonanej dla elementów czaszki oraz żuchwy. Obróbka końcowa modelu oraz orientacja przestrzenna wyodrębnionych elementów czaszki i żuchwy Po zakończeniu procesu segmentacji uzyskano wstępną geometrię wyróżnionych obszarów czaszki oraz żuchwy. Na powierzchni modelu wyraźnie widać warstwową strukturę, która jest bezpośrednio związana ze sposobem zapisu danych wejściowych w postaci serii przekrojów. Zjawisko to jest tym silniejsze im większy odstęp dzieli poszczególne przekroje. Wielkość odstępów dzielących poszczególne przekroje jest ustalana przez operatora tomografu podczas wykonywania badania. W celu eliminacji tego zjawiska stosuje się szereg operacji, których zadaniem jest zminimalizowanie niepożądanych nierówności. Użyte w tych działaniach zaawansowane algorytmy wygładzania połączone z odpowiednio dobranymi współczynnikami korekcyjnymi pozwalają osiągnąć możliwie najlepszą jakość geometrii końcowej modelu (ryc. 7). Na tym etapie modele komputerowe poszczególnych obiektów są gotowe, jednak w przypadku, gdy są one rozdzielone (np. pochodzą z różnych zestawów badań), należy je odpowiednio umiejscowić względem siebie w przestrzeni. Orientacja elementów obejmuje zazwyczaj proste operacje, takie jak przemieszczenia i obroty. W przedstawionym przypadku orientacja przestrzenna dotyczyła weryfikacji dopasowania żuchwy do czaszki, tak by ustawienie wyrostka kłykciowego odpowiadało jego umiejscowieniu w stawie skroniowo-żuchwowym (ryc. 8). Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr 6 347

11 Ryc. 7. Porównanie modeli czaszki przed i po wygładzaniu (od góry): model wstępny oraz końcowy. Ryc. 8. Rezultat przestrzennego pozycjonowania żuchwy względem czaszki. 348 Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba

12 Wizualizacja modelu 3D Uzyskany końcowy model komputerowy czaszki oraz żuchwy jest w pełni przestrzennym modelem 3D. Zbudowany został na podstawie obrazowania tomograficznego, nie mniej dzięki zastosowaniu specjalistycznego oprogramowania, zachował wszystkie cechy (kształtu i rozmiaru) swojego rzeczywistego pierwowzoru. Modele takie nazywane są modelami parametrycznymi i oprócz cech dotyczących samej geometrii mogą również zawierać informacje dodatkowe o właściwościach materiałowych, kolorze lub innych charakterystycznych cechach (np. tekstura powierzchni). Modele komputerowe mogą być zapisane przy użyciu różnych form, m.in. tzw. powierzchniowej siatki trójkątów (format danych STL). W takim przypadku kształty obiektu opisane są przy użyciu setek tysięcy małych elementów trójkątnych (ryc. 9). Ryc. 9. Model czaszki opisany przy użyciu powierzchniowej siatki trójkątów (format STL): widok ogólny oraz zaznaczony fragment w powiększeniu. W omawianym przypadku modele 3D zawierają odpowiednio dla czaszki blisko 1,5 mln trójkątów, a dla żuchwy ponad 320 tys. trójkątów. Łącznie liczba trójkątów opisująca czaszkę i żuchwę wynosi blisko 1,8 mln trójkątów (ryc. 10). Ryc. 10. Wizualizacja modelu czaszki uzyskanej w trakcie rekonstrukcji widoki czołowy oraz boczne. Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr 6 349

13 Ryc. 11. Foto-realistyczna wizualizacja modelu czaszki po nałożeniu odpowiednich tekstur widoki izometryczne. Modele komputerowe mają tę zaletę w stosunku do rzeczywistych obiektów, że można je dowolnie obrabiać i przetwarzać w wirtualnej rzeczywistości. Jednym z podstawowych działań stosowanych w grafice komputerowej jest używanie tzw. wizualizacji foto-realistycznej. Celem takiej wizualizacji jest możliwie najbliższe rzeczywistości zaprezentowanie uzyskanych modeli (ryc. 11). Efekt ten uzyskuje się przez stosowanie odpowiedniego cieniowania obiektów, nakładania kolorów lub tekstur, a także przygotowania sceny, czyli otoczenia wokół obiektów. Inną korzyścią z posiadania modelu 3D jest możliwość wykonania wizualizacji przestrzennej. Można ją uzyskać różnymi metodami zarówno z zastosowaniem zaawansowanych urządzeń do projekcji stereoskopowej (projekcja 3D), jak również stosunkowo prostymi technikami wykorzystującymi znane zjawiska optyczne. Do jednej z takich prostych technik należą przestrzenne obrazy anaglifowe. Anaglif jest to rodzaj obrazu dający złudzenie trójwymiarowej przestrzeni i głębi, za pomocą specjalnych dwukolorowych okularów. Najczęściej stosuje się kolory czerwony i cyjanowy (turkusowy). Obraz anaglifowy tworzy się przez nałożenie na siebie dwóch przesuniętych w poziomie obrazów przygotowanych w różnych kolorach odpowiednio dla lewego (odcienie czerwieni) i prawego oka (odcienie cyjanu). Na podstawie komputerowego modelu czaszki i żuchwy uzyskanego w omawianym przypadku, wygenerowano trójwymiarowy obraz anaglifowy (ryc. 12, 13). Ryc. 12. Anaglifowy obraz trójwymiarowy czaszki wizualizacja 3D. 350 Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba

14 Ryc. 13. Anaglifowy obraz przestrzenny czaszki wizualizacja 3D. Ryc. 14. Zestawienie obiektu rzeczywistego z komputerowym modelem 3D oraz wizualizacją foto-realistyczną. Na zakończenie tego etapu, dla celów porównawczych zestawiono model rzeczywisty (będący źródłem danych do tomografii komputerowej) z uzyskanym w procesie rekonstrukcji modelem komputerowym oraz wizualizacją foto-realistyczną (ryc. 14). Badania i wyniki Model komputerowy a stan fizyczny czaszki osobnika z grobu nr 6 Uzyskanie wysokiej jakości modelu komputerowego jest uzależnione głównie od prawidłowo ustalonych parametrów badania tomograficznego oraz klasy algorytmów stosowanych przez oprogramowanie w którym dokonywana jest obróbka obrazów biomedycznych. Nie mniej o prawidłowej geometrii modelu komputerowego decyduje również stan fizyczny, w jakim znajdują się analizowane obiekty. Warunki przechowywania szczątków po ich przetransportowaniu z miejsca znalezienia, często diametralnie odbiegają od tych, w jakich dane znalezisko przetrwało do dnia odkrycia. Relatywnie nagła zmiana parametrów otoczenia, głównie dotycząca temperatury, wilgotności powietrza oraz usunięcia nacisku otaczającej znalezisko gleby, wpływa znacząco na kształt analizowanego obiektu. Jakkolwiek wyeliminowanie tego niekorzystnego zjawiska jest bardzo trudne i wymaga zastosowania odpowiednich technik zabezpieczających znalezisko, to nadal pozostaje kwestia przypadków, które w z różnych względów utraciły swój pierwotny kształt. W takiej sytuacji istnieje możliwość wykonania procedury korekcji geometrii obiektu wykonanej na modelu komputerowym. Dzięki temu, że cały proces wykonywany jest wyłącznie na wirtualnym modelu, to oryginał pozostaje nietknięty i zachowuje swój stan fizyczny bez zmian. Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr 6 351

15 Optymalizacja rozmiaru siatki modelu 3D proces decymacji W celu zmniejszenia czasochłonności oraz ograniczeniu wymagań sprzętowych potrzebnych do dalszych procesów przetwarzania, trójwymiarowy model komputerowy poddano procedurze decymacji. Proces ten polega na optymalizacji wielkości rozmiaru trójkątnej siatki powierzchniowej (redukcja liczby trójkątów), opisującej model 3D przy jednoczesnym zachowaniu jakości opisu geometrii. Procedurę optymalizacji siatki powierzchniowej wykonano w specjalizowanym programie Geomagic Studio, który umożliwia wykonywanie bardzo złożonych operacji na modelach komputerowych opisanych za pomocą siatek powierzchniowych. Program ten należy do jednego z podstawowych i zarazem najbardziej zaawansowanych systemów Inżynierii Odwrotnej (ang. Reverse Engineering) wykorzystywanych do obróbki danych uzyskiwanych ze skanerów 3D. W opisywanym przypadku zastosowano decymację na poziomie 80% tj. model po optymalizacji zawiera 20% początkowej liczby trójkątów opisującej bryłę czaszki i żuchwy. Dokładne wyniki liczby trójkątów opisujących model 3D zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Wartości liczby trójkątów opisujących model 3D przed i po zastosowaniu procedury optymalizacji. Bryła Model bazowy [liczba trójkątów] Model po redukcji [liczba trójkątów] Czaszka Żuchwa Razem Optymalizacja pozwoliła zredukować początkowy rozmiar powierzchniowej siatki trójkątów z wartości ok. 1,8 miliona trójkątów do zaledwie ok. 360 tysięcy. Taka różnica znacznie wpływa na wzrost prędkość przetwarzania modeli 3D i oszczędza znaczne ilości czasu operacyjnego potrzebnego do manipulacji na obiektach wirtualnych. Po przeprowadzeniu operacji decymacji wykonano zestawienie porównawcze wyjściowego modelu 3D czaszki uzyskanej na podstawie danych biomedycznych (100% danych wejściowych) oraz trójwymiarowego modelu uzyskanego po redukcji liczby trójkątów (20% danych wejściowych) (ryc. 15). Ryc. 15. Zestawienie porównawcze modeli 3D czaszki (od lewej): a) model bazowy przed redukcją (100% danych), b) model po redukcji (20% danych wejściowych). Ze względu na zastosowany duży współczynnik optymalizacji wykonano walidację uzyskanego modelu zredukowanego. Operację tę wykonano w tym samym programie przy zastosowaniu funkcji 3D Compare, umożliwiającej porównywanie ze sobą dwóch różnych modeli 3D. Modelem porównywanym był model po redukcji natomiast modelem referencyjnym był model bazowy zawierający 100% liczbę trójkątów. Rezultatem porównania modeli 3D jest zestaw wartości liczbowych opisujących parametry odchylenia badanych geometrii (tab. 2) oraz tzw. mapa odchylenia geometrii ukazująca w kolorach obszary odchylenia kształtu porównywanego z wzorcowym (ryc. 16). 352 Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba

16 Ryc.16. Mapy odchylenia geometrii modelu zredukowanego (20%) względem modelu bazowego (100%) kolorem zaznaczono pola odchylenia geometrii od modelu bazowego. Tabela 2. Wartości liczbowe opisujące parametry odchylenia porównywanych geometrii obiektów. Parametr Maximum distance Average distance Standard deviation Wartość +/- 0, [mm] 0, [mm] 0, [mm] Przeprowadzona analiza porównawcza potwierdziła wysoki współczynnik zbieżności modelu po redukcji ze swoim wzorcowym odpowiednikiem. Średnie odchylenie powierzchni geometrii między obiektami nie przekroczyło 0,0002 [mm], a odchylenie standardowe 0,015 [mm], co upoważnia do stwierdzenia, iż model po redukcji w pełni odpowiada geometrycznie modelowi bazowemu ze 100% liczbą danych wejściowych. Korekcja geometrii redukcja deformacji odkształconych fragmentów czaszki oraz żuchwy Zmiana parametrów otoczenia (temperatura, wilgotność powietrza, usunięcie gleby, itp.), wpływa diametralnie na kształt analizowanego obiektu, w skutek czego uzyskany obraz (model 3D) nie koniecznie odpowiada pierwotnemu kształtowi jaki posiadał on w okresie użytkowania lub w przypadku kości, życia danego człowieka. W przypadku pojawienia się istotnych deformacji (zniekształceń pierwotnego kształtu), można zastosować procedury korekcji geometrii obiektu wykonanej na modelu komputerowym. Dzięki temu, że cały proces wykonywany jest wyłącznie na wirtualnym obiekcie, nie zachodzi żadne ryzyko związane z przypadkowym uszkodzeniem oryginalnego zabytkowego elementu lub zachowanych szczątków osoby. Procedurę korekcji geometrii wykonano w inżynierskim oprogramowaniu RhinoCeros3D służącemu do komputerowego wspomagania projektowania (CAD). Do tego celu wykorzystano narzędzie tzw. klatki kontrolnej, umożliwiającej edytowanie kształtu modelu 3D przy pomocy węzłów kontrolnych wprowadzonej do obiektu klatki. Zarówno wielkość klatki jak i liczba węzłów kontrolnych jest dowolnie programowalna, dzięki czemu możliwe jest każdorazowo dopasowanie parametrów do potrzeb danego modelu. W omawianym przykładzie zastosowano obwiednie kontrolne w formie prostokątów. Dla czaszki użyto 125 punktów kontrolnych ułożonych w macierzy punktów, podczas gdy dla żuchwy zastosowano 64 punkty kontrolne w macierzy punktów (ryc. 17). Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr 6 353

17 Ryc. 17. Klatki kontrolne zastosowane do korekcji geometrii: czaszki 125 punkty kontrolne, żuchwy 64 punkty kontrolne. Korekcja geometrii czaszki oraz żuchwy polegała na przemieszczaniu w przestrzeni trójwymiarowej węzłów kontrolnych poszczególnych klatek. Przemieszczenia węzłów powodowały zmianę kształtu czaszki bądź żuchwy o zadane wartości. Procedura korekcji a następnie dopasowywania żuchwy do czaszki jest procesem złożonym i czasochłonnym. Każdorazowo po wprowadzonych zmianach, położenia węzłów kontrolnych poddawano ocenie (w zespole interdyscyplinarnym), a uzyskany wynik definiował kolejne nowe wartości przemieszczeń. Procedura była powtarzana do czasu, gdy otrzymany rezultat spełniał kryteria postawione przez zespół ekspertów. Rezultatem końcowym jest model 3D z wprowadzonymi korektami geometrii i położenia poszczególnych elementów czaszki oraz żuchwy (ryc. 18, 19). Ryc. 18. Zestawienie porównawcze rezultatu korekcji geometrii modelu komputerowego: model wyjściowy (rząd górny), model po wprowadzeniu korekcji geometrii (rząd dolny). 354 Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba

18 Ryc. 19. Zestawienie porównawcze rezultatu korekcji geometrii modelu komputerowego (od lewej): model wyjściowy i model po wprowadzeniu korekcji geometrii. Porównanie obiektu rzeczywistego z komputerowym modelem 3D Pomiary porównawcze obiektu rzeczywistego z obiektami otrzymanymi w poszczególnych etapach rekonstrukcji Uzyskanie modeli komputerowych wymaga wykonania wielu złożonych czynności i operacji. W trakcie przetwarzania danych zmianie ulega nie tylko sposób zapisu (format) obrabianych danych, ale także stopień wymiarowości opisu obiektu z geometrii opisanej w przestrzeni dwuwymiarowej do trójwymiarowej. Ze względu na tak rozbudowane przetwarzanie danych istnieje ryzyko powstania błędów i znacznych rozbieżności między danymi wejściowymi, a uzyskanymi modelami końcowymi. W celu weryfikacji i uwierzytelnienia uzyskanych obiektów końcowych, poddano je pomiarom kontrolnym i zestawieniom porównawczym. Najbardziej obiektywnym sposobem porównania dwóch obiektów jest wykonanie pomiarów punktów kontrolnych. W przypadku czaszek dokonano pomiarów dziesięciu charakterystycznych punktów antropologicznych. Z uwagi na stan czaszki zakres pomiarów był ograniczony. Pomiary dotyczyły następujących odległości: ft-ft, go-go, n-ns, n-pr, wysokość oczodołu, g-op. Wszystkie punkty zostały najpierw wyznaczone, a następnie zmierzone z użyciem antropologicznych narzędzi (cyrkla oraz suwmiarki) i z zachowaniem standardów przyjętych w antropologii. Pomiarom poddano następujące obiekty: czaszkę rzeczywistą, obrazy tomograficzne, model komputerowy. Uzyskane wyniki pomiarów odległości między poszczególnymi punktami antropologicznymi zestawiono w tabeli 3. Pomiary badanej czaszki były ograniczone z uwagi na jej niekompletny stan po pracach rekonstrukcyjnych poprzez sklejenie fragmentów kostnych. Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr 6 355

19 Tabela 3. Wyniki pomiarów odległości dla wybranych punktów antropologicznych. Wymiar Czaszka rzeczywista [mm] Obrazy CT [mm] Model komputerowy [mm] ft-ft 92 92,3 92,5 go-go 78 78,2 77,8 n-ns 52 52,1 52,4 n-pr 69 69,1 68,7 wysokość oczodołu ,2 g-op ,4 190,1 Jak wynika z przeprowadzonych analiz porównawczych pomiarów odległości między punktami antropologicznymi, wszystkie obiekty cechuje wysoka zgodność i podobieństwo, a zmierzone maksymalne wartości odchyleń między poszczególnymi obiektami są mniejsze niż 1 mm. Podsumowanie Opracowanie modelu komputerowego badanego obiektu, w tym przypadku czaszki oraz żuchwy osobnika z grobu numer 6, pozwala na przeprowadzanie bardzo różnorodnych analiz komputerowych. Mogą one dotyczyć wielu różnych aspektów począwszy od zwykłej archiwizacji danych w postaci parametrycznego modelu 3D, poprzez numeryczne analizy wytrzymałościowe i porównawcze, a skończywszy na wizualizacji z zastosowaniem grafiki komputerowej (w tym wizualizacji stereoskopowych 3D) oraz technikach szybkiego prototypowania umożliwiających odtworzenie rzeczywistego obiektu. Wykorzystanie tomografii komputerowej ma tu szczególne znaczenie, bowiem oprócz diagnostyki obrazowej badanego obiektu, pliki DICOM mogą posłużyć dalszym opracowaniom dla potrzeb archiwizacji materiałów kostnych, ale także mogą zostać wykorzystane w badaniach identyfikacyjnych. Model wirtualny czaszki może w procesie identyfikacyjnym zastąpić rzeczywisty obiekt (D. Lorkiewicz-Muszyńska i in. 2015), co szczególnie przydatne będzie w przypadku materiałów kruchych i podatnych na zniszczenie, czy gdy dostęp do układu kostnego jest utrudniony, np. w przypadku zwłok w stanie mumifikacji. Badania tomografii komputerowej pozwalają na zebranie danych i wykorzystanie ich w szerokim zakresie, nie tylko diagnostycznym, ale także archiwizacyjnym czy identyfikacyjnym (F. Cesarani i in. 2003). Development of a 3D computer model and correction of the geometry of a skull from grave No. 6 This paper presents the results of using the newest tools of virtual engineering in the analysis of bone material. Our study concerned the skull and lower jaw of an individual from grave No. 6 located at archaeological site No. 13 in Horodysko. The first step of this study consisted in examining the material by performing a CT scan. In the next steps a computer model of the skull and lower jaw were created on the basis of CT. Subsequently, the computer model was used to document the current state of the remains, and to perform further computer analyses, including measurements of basic anthropological and anthropometric parameters. The measurements revealed distortion of the skull. Many factors could have contributed to this deformation, including a change in the storage conditions of the skull at the place of its later discovery, the reduction of soil pressure, or the passage of time, involving a change in the mechanical properties of the bone. Therefore, in the next stage of work appropriate geometric adjustments to the computer model were made, allowing the reconstruction and recreation of the original appearance of the skull and lower jaw. Computer models have the advantage of taking many different aspects into consideration. Beginning from simple data storage as a parametric 3D model, numerical stress analysis and comparative, advanced visualizations using computer graphics including stereovision, or techniques of Rapid Prototyping (includes 3D printers), they lead to the recreation of the virtual object, which can replace the real object in the identification procedure. 356 Michał Rychlik, Dorota Lorkiewicz-Muszyńska, Wojciech Kociemba

20 Literatura Cesarani F., Martina M. C., Ferraris A., Grilletto R., Boano R., Marochetti E. F., Donadoni A. M., Gandini G Whole-Body Three-Dimensional Multidetector CT of 13 Egyptian Human Mummies, American Journal of Roentgenology 180, s Kociemba W Techniki obrazowania w radiologii, rola tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego w archeologii, [w:] A. Hyrchała, B. Bartecki (red.), Wojownik i księżniczka. Archeologia-medycyna sądowa-sztuka. Katalog wystawy, Hrubieszów, s Lorkiewicz-Muszyńska D., Kociemba W., Sroka A., Kulczyk T., Żaba Cz., Paprzycki W., Przystańska A Accuracy of the anthropometric measurements of skeletonized skulls with corresponding measurements of their 3D reconstructions obtained by CT scanning, Anthropologischer Anzeiger 73, s Rychlik M., Lorkiewicz-Muszyńska D., Kociemba W Porównanie obiektu rzeczywistego z komputerowym modelem 3D oraz wydrukowanym modelem fizycznym, [w:] A. Hyrchała, B. Bartecki (red.), Wojownik i księżniczka. Archeologia-medycyna sądowa-sztuka. Katalog wystawy, Hrubieszów, s Thomas S. Curry III, James Dowdey, Robert Murry Jr Christensen s Physics of Diagnostic Radiology, Philadelphia. Adresy autorów dr inż. Michał Rychlik Politechnika Poznańska, Zakład Inżynierii Wirtualnej ul. Jana Pawla II 24, Poznań, Polska rychlik.michal@poczta.fm dr n. biol. Dorota Lorkiewicz-Muszyńska Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu Katedra i Zakład Medycyny Sądowej Pracowania Antropologii i Odontologii Sądowej ul. Święcickiego 6, Poznań, Polska dlorkiew@gmail.com dr n. med. Wojciech Kociemba Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu Zakład Neuroradiologii ul. Przybyszewskiego 49, Poznań, Polska wkociemba@wp.pl Opracowanie komputerowego modelu 3D oraz korekty geometrii czaszki z grobu nr 6 357