JPT No. 21 – Efficiency, workflow and image quality of clinical computed tomography scanning compared to photogrammetry on the example of a Tyrannosaurus rex skull from the Maastrichtian of Montana, U.S.A.

Charlie A. Hamm¹, Heinrich Mallison^2,3, Oliver Hampe², Daniela Schwarz², Juergen Mews⁴, Joerg Blobel⁴, Ahi Sema Issever¹, Patrick Asbach^1*

1 – Dept. of Radiology, Charité – Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, and Berlin Institute of Health, 10117 Berlin, Germany
2 – Museum für Naturkunde, Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung, Invalidenstraße 43, 10115 Berlin, Germany
3 – Palaeo3D, Talstrasse 14, 86554 Pöttmes, Germany
4 – Canon Medical Systems Europe BV, Zoetermeer/NL

Corresponding author. Email: patrick.asbach@charite.de

ABSTRACT

Imaging is crucial to gather scientific data in paleontology. Photogrammetry is currently a frequently used technique for surface imaging, producing high-quality 3D surface data. Clinical computed tomography (CT) scanners are interesting for paleontological research because of their high availability and the potential to image internal structures in addition to the surface. In this study we report the technical effort, workflow and image quality of clinical CT compared to photogrammetry for a large fossil. The fossil investigated in this study is the skull of a Tyrannosaurus rex (MB.R.91216) from the Maastrichtian of Montana, U.S.A., of which 47 bone elements are preserved. CT scanning was technically feasible in all bone elements and 3D models were generated from CT data and photogrammetry. The overall scanning procedure time measured 83 min 51 sec. The overall CT data volume measured 36,265 GB. The overall radiation exposure (DLP) measured 62,313.6 mGy*cm. The total costs were calculated with 243.17€ and 408.18€ for CT and photogrammetry, respectively. This study shows that a clinical CT scanner can be used for imaging even large paleontological objects with high density. In comparison to CT scanning, the data-capture effort of photogrammetry is directly linked to the size and color of the specimen and to the complexity of its shape. While those factors influence the photogrammetry-based 3D model and the quality of its details, the CT scan is mostly free of these variables. Unlike the acquisition and calculation time in photogrammetry the CT scanning time for large and small objects measures roughly the same, as this method is independent of the specimen’s shape and complexity.

RESUMO [in Portuguese]

A geração de imagens é crucial para reunir dados científicos em paleontologia. A fotogrametria é atualmente uma técnica frequentemente usada para obter imagens de superfície, produzindo dados de superfície 3D de alta qualidade. Os scanners de tomografia computadorizada clínica (TC) são interessantes para a investigação paleontológica devido ao facto de estarem acessíveis e ao potencial para visualizar estruturas internas e de superfície. Neste estudo debruçamo-nos sobre o esforço técnico, fluxo de trabalho e qualidade de imagem da TC clínica em comparação com a fotogrametria no estudo de um fóssil de grandes dimensões. O fóssil investigado neste estudo é o crânio de um Tyrannosaurus rex (MB.R.91216) do Maastrichtiano de Montana, EUA, que contém 47 elementos ósseos preservados. A tomografia computadorizada foi tecnicamente viável em todos os elementos ósseos e foram gerados modelos 3D a partir de dados de TC e fotogrametria. O tempo total do procedimento de TC durou 83 min 51 seg. O volume total de dados de TC atingiu os 36.265 GB. A exposição global à radiação foi de 62313,6 mGy*cm. Os custos totais foram calculados em 243,17€ e 408,18€ para a TC e fotogrametria, respectivamente. Este estudo mostra que uma tomografia computadorizada clínica pode ser usada para gerar imagens de objetos paleontológicos grandes com alta densidade. Em comparação com a tomografia computadorizada, o esforço de captura de dados da fotogrametria está diretamente relacionado com o tamanho e cor da amostra, bem como à complexidade da sua forma. Embora esses fatores influenciem o modelo 3D gerado com base na fotogrametria bem como a qualidade de seus detalhes, a tomografia computadorizada é praticamente imune a essas variáveis. Ao contrário do tempo de aquisição e cálculo na fotogrametria, o tempo da TC para objetos grandes e pequenos é aproximadamente o mesmo já que esse método é independente da forma e complexidade da amostra.

JPT No. 20 – Progressive photonics: methods and applications of sequential imaging using visible and non-visible spectra to enhance data-yield and facilitate forensic interpretation of fossils

Michael J. Eklund¹, Arvid K. Aase², and Christopher J. Bell¹

1 – Vertebrate Paleontology Laboratory, Jackson School of Geosciences, The University of Texas at Austin, Austin Texas, 78712 USA
2 – Fossil Butte National Monument, Kemmerer, Wyoming, 83101 USA

ABSTRACT 

Digital imagery plays a critical role in the documentation and study of fossil specimens. Progressive Photonics is a suite of digital imaging techniques that generate images that yield important and novel insights into the preservation and taphonomic history of fossils, and facilitate rapid comparative review of those images. The techniques are systematic, reproducible, simple, quick, and inexpensive and can be applied successfully in various settings including field sites, laboratories, and museums. We developed, applied, and improved these techniques extensively over the last six years to generate investigative and archival images of paleontological specimens ranging in size from microscopic to very large, from diverse geologic settings, and with taphonomic histories ranging from simple to complex. This imaging strategy uses the visible and invisible portions of the electromagnetic spectrum through utilization of readily available digital cameras and lighting coupled with less commonly used, but easily obtained broad-spectrum UV lighting. This paper demonstrates a standardized, objective sequence of images that can be adapted for various purposes, and that does not rely on subjective image manipulations that commonly are associated with other digital imaging practices. Careful review of the resultant imagery reveals subtle differences that would otherwise remain un-noticed, but contribute important information to the interpretation of a specimen. The sequential imaging process, and the images themselves, promote and enhance scientific investigation and are excellent archival resources for documenting the condition and history of a specimen. The efficacy of Progressive Photonics is demonstrated in three important areas: differentiation of specimen from matrix, differentiation of soft anatomical tissues, and identification of man-made interventions that reflect important aspects of the taphonomic history of specimens.

RESUMO [in Portuguese]

Imagens digitais desempenham um papel fundamental na documentação e estudo de espécimes fósseis. Progressive Photonics é um conjunto de técnicas de imagem digital que gera imagens que revelam importantes e novas perspectivas de preservação e história tafonómica de fósseis, e que facilitam a rápida revisão comparativa das mesmas. As técnicas são sistemáticas, reproduzíveis, simples, rápidas, e baratas e podem ser aplicadas com sucesso em vários contextos, incluindo jazidas, laboratórios e museus. Nós desenvolvemos, aplicámos, e melhorámos estas técnicas extensamente nos últimos seis anos de modo a gerar imagens de arquivo e investigação de espécimes paleontológicos, de tamanho microscópico ao muito grande, de diversos contextos geológicos, e com históricas tafonómicas simples a complexas. Esta estratégia utiliza as porções visíveis e invisíveis do espectro electromagnético através da utilização de câmaras digitais e iluminação facilmente disponíveis emparelhadas com menos comum, mas igualmente fácil de obter luz UV. Este artigo demonstra uma sequência objectiva e padronizada de imagens que podem ser adaptadas para vários propósitos, e que não dependem de manipulação subjectiva de imagens que comummente estão associadas com outras práticas de imagem digital. Revisão cuidada das imagens resultantes revela diferenças subtis que de outra forma passariam despercebidas, mas que contribuem com informação importante de um espécime. O processo de imagens sequenciais, e as próprias imagens, promovem e melhoram a investigação científica e são excelentes recursos de arquivamento para documentar a condição e história de um espécime. A eficácia de Progressive Photonics é demonstrada em três importantes áreas: diferenciação do espécime da matriz, diferenciação de tecido anatómico mole, e identificação de intervenção humana que reflectem aspectos importantes da história tafonómica dos espécimes.

JPT No. 19 – A test of a non-consumptive nuclear forensics technique using photon activation analysis of fossils and source matrices

Tyler C. Borgwardt¹, Douglas P. Wells¹,Darrin C. Pagnac², Zaijing Sun³, Christian R.Segebade⁴

1 – Department of Physics, South Dakota School of Mines and Technology, USA

2 – Department of Geology and Geological Engineering, South Dakota School of Mines and Technology, USA

3 – Nuclear Engineering Program, South Carolina State University, USA

4 – Berlin, Germany

Email: tyler.borgwardt@mines.sdsmt.edu

ABSTRACT 

Destructive elemental analysis techniques are common tools in paleontological studies. This study successfully tested the non-destructive technique of photon activation analysis (PAA) for multi-element analysis of fossils and their source matrices. Sample pairs were tested to determine if provenance of fossils could be correlated through their elemental composition. PAA was applied to four pairs of samples, a fossil and a source matrix, each with a different stratigraphic/geographic provenance. Thirty-one total elements were identified: Na, Mg, Ca, Ti, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, As, Se, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Te, I, Cs, Ba, Ce, Sm, Tl, Pb, U. In each sample 19-26 elements were identified. The lowest concentration detected was 150 ng/g for tellurium. Principal component analysis was applied to the trace elements of the samples. The potential for provenance determination was inconclusive, due to the small number of samples; however, sample pairs showed some separation based on provenance and fossils and matrices were readily distinguishable after analysis.

Keywords: Elemental concentration analysis; photon activation analysis; nuclear forensics; non-destructive; non-invasive; non-consumptive; fossil provenance

RESUMO [in Portuguese]

As técnicas de análises elementares destrutivas são ferramentas comuns nos estudos paleontológicos. Este estudo testou com sucesso a técnica não-destrutiva de análise por activação de fotões (AAF) para análises muti-elementares de fósseis e da suas matrizes rochosas. Pares de amostras foram testados para determinar se a proveniência dos fósseis poderia ser correlacionada através da sua composição elementar. AAF foi aplicada a quatro pares de amostras, um fóssil e a sua rocha matriz, cada um com uma proveniência estratigráfica/geográfica diferente. Foram identificados um total de trinta e um elementos: Na, Mg, Ca, Ti, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, As, Se, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, Sn, Sb, Te, I, Cs, Ba, Ce, Sm, Tl, Pb, U. Em cada amostra foram identificados 19-26 elementos. A concentração mais baixa detectada foi de 150 ng/g de telúrio. Análise do componente principal foi aplicada aos elementos traço das amostras. O potencial para determinação de proveniência foi inconclusivo devido ao número reduzido de amostras, no entanto, os pares de amostras mostraram alguma separação baseada na sua proveniência e os fósseis e matrizes foram facilmente distinguíveis após as análises.

JPT No. 18 – Coupling focus stacking with photogrammetry to illustrate small fossil teeth

Michael Santella¹ & Andrew R. C. Milner¹

  1 – St. George Dinosaur Discovery Site at Johnson Farm, St. George, Utah, USA

  Emails: mlsantella@gmail.com (MS), arcmilner@gmail.com (AM)

ABSTRACT 

A macrophotography technique coupled with focus stacking was used to produce source images for photogrammetry of two isolated fossil teeth from the Lower Jurassic Kayenta Formation of southwest Utah. The crown heights of the teeth are approximately 4 mm and 9 mm. The macrophotography was conducted using a Canon digital camera body with a 24-megapixel APS-C sensor. The camera body was attached to a Canon MP-E 65mm lens. A Cognisys focusing rail coupled to a rotation stage was used to manipulate specimens for photography. Focus stacking with Helicon Focus 6 software was used to produce completely focused images for input to Agisoft Photoscan photogrammetry software. The scaled three-dimensional representations created by photogrammetry are available at https://figshare.com/s/d205f5bee8cb2767f902 for specimen UMNH VP 25852 and https://figshare.com/s/af8b4e74db21606a91bd, for specimen UMNH VP 25853. Judging by appearances, retention in the three-dimensional models of shape and surface details from the two-dimensional input images was excellent. A stereo lithography file was also exported for UMNH VP 25852 model, and it was used to produce a 3D-printed model. Regarding identification of the teeth, specimen UMNH VP 25852 has features associated with small theropod dinosaurs. Specimen UMNH VP 25853 has features associated with ornithischian dinosaurs. However, without reference to skeletal remains neither tooth could be unambiguously associated with a specific taxon.

RESUMO [in Portuguese]

Uma técnica de macrofotografia associada ao empilhamento de focagem foi usada para produzir imagens de origem para fotogrametria de dois dentes fósseis isolados, da Formação Kayenta do Jurássico inferior do sudoeste de Utah. A altura das coroas dos dentes é de aproximadamente 4 mm e 9 mm. A macrofotografia foi conduzida usando um corpo de câmara digital Canon, com um sensor APS-C de 24 megapixels. O corpo da câmara foi acoplado a uma lente Canon MP-E 65mm. Um Cognisys com carreto de focagem acoplado a um mecanismo de rotação foi usado para manipular os espécimes para a fotografia. O empilhamento de imagens com diferentes focagem foi realizado com o software Helicon Focus 6 para produção de imagens completamente focadas para serem inseridas no software de fotogrametria Agisoft Photoscan. As representações tridimensionais escalonadas criadas pela fotogrametria estão disponíveis em https://figshare.com/s/d205f5bee8cb2767f902 para o espécime UMNH VP 25852 e https://figshare.com/s/af8b4e74db21606a91bd, para o espécime UMNH VP 25853. Ao que parece, a retenção nos modelos tridimensionais dos detalhes da forma e da superfície das imagens bidimensionais da entrada foi excelente. Um arquivo de litografia estéreo também foi exportado para o modelo UMNH VP 25852, e foi usado para produzir um modelo impresso em 3D. Quanto à identificação dos dentes, o espécime UMNH VP 25852 tem características associadas a pequenos dinossauros terópodes. O espécime UMNH VP 25853 tem características associadas com dinossauros ornitisquios. No entanto, sem associação a um esqueleto permanece ambos os dentes não podem ser inequivocamente associados com um taxon específico.

JPT No. 17 – Scientific illustration and reconstruction of a skull of the diplodocid sauropod dinosaur Galeamopus

Simão Mateus^1-5 & Emanuel Tschopp^3,4,6

  1 – Museu de História Natural e da Ciência da Universidade do Porto, Porto, Portugal
2 – Departamento de Ciências e Técnicas do Património da Faculdade de Letras da Universidade do Porto (DCTP-FLUP), Porto, Portugal
3 – Museu da Lourinhã, Rua João Luís de Moura, 2530-157 Lourinhã, Portugal
4 – GeoBioTec, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Caparica, Portugal
5 – Universidade de Évora, Largo dos Colegiais, 7004-516 Évora, Portugal
6 – Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi di Torino, Via Valperga Caluso 35, 10125 Torino, Italy

Emails: simaomateus@rocketmail.com (SM), etschopp@unito.it (ET)

ABSTRACT 

High-quality scientific illustration is an important visualization tool for natural sciences. In paleontology, drawings help to guide the reader to important features of the fossils under study, and to remove irrelevant information or strong shadows that might obscure parts of photographs. Furthermore, drawings allow for the deformation of the fossils to be corrected. However, for an accurate interpretation of these reconstruction drawings, it is important to provide a detailed report about the creation of the drawings.
Herein, we describe the methodology of the reconstruction drawing of a skull of the sauropod dinosaur Galeamopus. After preparation and reconstruction of the skull in the laboratory, illustrations were needed to correct natural deformations, restore missing parts, and highlight critical features for anatomical recognition of the several bones. The illustrations were successful thanks to the collaborative work between the paleontologist and the illustrator.

RESUMO [in Portuguese]

Ilustrações científicas de alta qualidade são uma ferramenta importante de visualização nas ciências naturais. Na paleontologia ajudam o leitor a perceber as estruturas anatómicas importantes dos fósseis em estudo, removendo informação irrelevante, ou eliminar zonas escuras que escondam pormenores dos ossos nas fotografias. Além disso, as ilustrações permitem corrigir de ossos deformados. Para a correcta interpretação das reconstruções efectuadas, é importante existirem relatórios detalhados do processo da ilustração.
Vimos descrever a metodologia de ilustração de um crânio de dinossauro saurópode Galeamopus que foi reconstruído. Após a preparação e montagem do crânio no laboratório, as ilustrações tiveram de reajustar as deformações naturais, repor partes em falta, e realçar características essenciais necessárias à compreensão dos diversos ossos. As ilustrações são bem sucedidas graças à colaboração entre o paleontólogo e o ilustrador.

JPT No. 16 – Preparation of fossil and osteological 3d-printable models from freely available CT-scan movies

Thomas A. Hegna¹ & Robert E. Johnson¹

1 – Department of Geology, Western Illinois University, Macomb, IL, 61455, USA

Emails: Ta-hegna@wiu.edu, Re-Johnson2@wiu.edu

ABSTRACT

Changes in the online availability of 3D models of skeletal elements and 3D printer technology have made it feasible to develop a fossil or osteological collection from scratch. Many online sites have models that can be freely downloaded and 3D printed. Other sites have CT-scan movies online—which can be downloaded and turned into printable 3D models by using the free software suite SPIERS. Post-processing of the printed models (sanding, painting, etc.) can make them almost visually indistinguishable from real specimens.

RESUMO [in Portuguese]

Alterações na disponibilidade on-line de modelos 3D de elementos esqueléticos e a tecnologia de impressão 3D tornaram possível desenvolver uma colecção, a partir do zero, de osteologia ou fósseis. Muitos sítios on-line têm modelos que podem ser descarregados gratuitamente e impressos em 3D. Outros sítios disponibilizam filmes de tomografias computorizadas que podem ser descarregados e convertidos em modelos 3D para impressão usando programa informático livre SPIERS. O pós-processamento dos modelos impressos (lixamento, pintura, etc.) pode torná-los quase indistinguíveis dos espécimes reais.

JPT No. 14 – Photogrammetry vs. micro-CT scanning for 3D surface generation of a typical vertebrate fossil – a case study

Julia M. Fahlke¹ and Marijke Autenrieth¹ 

1 – Museum für Naturkunde, Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung, Invalidenstraße 43, 10115 Berlin, Germany

E-mail: Julia.Fahlke@mfn-berlin.de

ABSTRACT

Over the recent years, three-dimensional (3D) surface digitization of fossils has achieved wide application in vertebrate paleontology, be it for reconstruction, morphometric or preservation purposes. The wide array of techniques available for 3D surface generation can, however, be somewhat confusing. Therefore, the aim of our study is to help the paleontologist reach a well-informed decision on which technique to use for standard purposes, taking into account aspects such as accuracy, reproducibility, and efficiency. In this study, we are comparing the above aspects when applying micro-computed tomography (micro-CT), manual photogrammetry and automated photogrammetry to an object typically digitized in vertebrate paleontology: a medium-sized fossil mammal cranium (that of an early Oligocene anthracotheriid). Our results show that manual photogrammetry has a high degree of reproducibility and is the most efficient, least costly method of the ones tested, although more training is required for the unexperienced researcher. Also, when attention is paid to proper lighting and overlap, fewer photographs do not necessarily yield inaccurate results, increasing the speed of data acquisition even more. Disadvantages of CT scanning in external surface generation include the lack of a photo surface, and long post-processing times due to removal of internal surface structures that are not used for this purpose. The technology used for automated photogrammetry, MDS Witikon, offers fast and convenient digitization. Large amounts of data and detail produced, however, may be very useful for the creation of object panoramas but exceed the limits for common use of 3D surfaces.

RESUMO [in Portuguese]

Recentemente, a digitalização da superfície de fósseis a três dimensões (3D) tem tido uma ampla aplicação na paleontologia de vertebrados, quer para propósitos de reconstrução, morfometria ou preservação. O vasto espectro de técnicas disponíveis para a geração de superfícies 3D pode, no entanto, ser confusa. Portanto, o objectivo deste estudo é ajudar o paleontólogo a chegar a uma decisão bem informada sobre que técnica usar para propósitos normais, tendo em consideração a precisão, reproducibilidade e eficiência. Neste estudo, comparamos os aspectos acima quando usando tomografia computorizada, fotogrametria manual e fotogrametria automática para um objecto tipicamente digitalizado em paleontologia de vertebrados: um crânio de um mamífero fossilizado (Anthracotheridae do Oligocénico inferior). Os nossos resultados demonstram que a fotogrametria manual tem um elevado grau de reproducibilidade, é mais eficiente e menos caro dos métodos testados, apesar de requerer mais treino para um investigador com pouca experiência. Além disso, quando a atenção devida é tomada à luz e sobreposição, menos fotografias não implicam piores resultados, o que aumenta a velocidade de aquisição. As desvantagens da tomografia computorizada para fins de geração de modelos da superfície externa incluem a ausência de uma foto de superfície bem como um pós-processamento demorado devido à remoção das estruturas internas desnecessárias. A tecnologia usada para fotogrametria automática, MDS Witikon, oferece uma digitalização rápida e conveniente. Grandes quantidades de informação e detalhe são produzidos, contudo, apesar de ser útil para a criação de object panoramas mas excede os limites para o uso comum de superfícies 3D.