编者按：
认识一种生物仅了解“外貌”还不够，内部结构也很重要，只是“向内探究”更难。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所自主开发了一系列软件和方法，以非“解剖式”的方式洞察生物体内部的奥秘。
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从“有损”到“无损”
过去，古生物学者们利用研究化石自然破口或可控碎裂等类似解剖的方式，研究化石生物的脑腔等重要内部结构。这种方法虽然直观有效，但会造成化石不可逆的损伤。
伴随科技的飞速发展，以CT和同步辐射断层成像为代表的X射线三维无损成像技术为传统古生物学研究打开了崭新的局面，挖掘出大量蕴含在化石内部的前所未知的信息。
然而，随着CT等成像数据的增长积累，如何准确、高效地对海量数据进行分割、重建？如何跨越学科与平台，将化石与现生生物成像数据结合开展研究？如何向公众展示生物的三维形态美？这些问题亟待解决。
为了应对这些挑战，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所成像与可视化研究团队结合过去十几年在CT和三维重建方面的经验，针对古生物及现代生物的科研实际需求开展研究，取得了一系列成果。
▲中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、中国科学院高能物理研究所和中国科学院自动化研究所联合研发的古生物专用CT扫描机器（左）以及部分扫描案例（右）。
02
自主研发三维可视化新技术
过去常用的CT数据处理和三维重建软件主要为医学等应用场景研发，对于古生物化石数据的应用而言，存在重建结构不清晰、结果不可重复、准确性难以验证的问题，且价格极为昂贵。
对此，团队以开源三维可视化软件Drishti为平台，首次实现了三维重建文件在不同软件中的互通和编辑，以及三维重建结果的即时交叉验证。团队还进一步研发了能同时在二维与三维环境下对三维数据进行分割的免费软件新版本Drishti Paint 3.2，大幅提高了化石CT数据分割效率，打破三维重建对大型商业软件的依赖。
▲从Drishti导入三维分割体数据文件流程
三维表面模型是重要的三维数据文件形式，而目前已有的免费三维模型处理软件存在上手困难、操作复杂、无法处理大数据文件等诸多问题。
团队为此研发了专门用于处理三维表面模型的免费软件Vayu（娲鱼），针对化石及现代生物成像数据可视化用户需求和学习曲线进行优化，在进一步提升可视化效果的同时，拥有快捷、容易上手的优点，可广泛应用于古生物、生命科学、医学、考古等多学科的科研、教学、科普等领域。
▲Vayu主界面与三维渲染应用
▲Vayu制作的角鲨三维重建VR视频。
03
从古生物到现代生物
三维形态学研究
演化生物学的发展越来越强调化石与现生生物数据的综合，而现生脊椎动物胚胎的CT扫描与三维成像一直是脊椎动物研究中的难题。
团队成功摸索出一套针对现生脊椎动物样本CT扫描全流程的实验方案，覆盖了从扫描前样本预处理、高精度CT扫描、数据三维重建与分割，到三维可视化复原及三维动态数据分析于一体的整个流程，收集并初步分析了一大批现生脊椎动物胚胎发育序列的形态学数据。
▲脊椎动物CT扫描样本预处理到三维数据分析。a. CT扫描样本照片；b. 脊椎动物主要门类胚胎三维重建模型。
接下来，团队将继续创新技术、方法，面向全球发起脊椎动物三维形态图谱绘制计划，致力于建设数字脊椎动物科学数据系统与三维数字形态学博物馆，以期全面揭示脊椎动物演化及其多样性起源。
▲结合CT扫描与最新三维可视化技术对古生物进行高精度科学复原。
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