虚拟人类学综论
1. 前言
“虚拟人类学是一种用于在三维或四维（空间或时空）层面研究解剖学数据、尤其是人
类祖先及其近亲的多学科方法。” 虚拟人类学（Virtual Anthropology）1这一术语最早由参与
蒂罗尔冰人研究的 Gerhard W. Weber 及其同事提出2。它伴随着人类学中医学成像技术的
应用而萌芽于 19 世纪初，于 20 世纪末吸收了当时几何形态测量学与计算机科学的最新成
果，成为一门正式的多学科方法。作为一种多学科方法，虚拟人类学结合了人类学、古生物
学、灵长类学、医学等相关领域的知识，并将数学、统计学、计算机科学与工程的方法融为
一体 。经过二十年左右的发展，已经成为世界范围内人类学及相关学科研究一种普遍的研
究方法。
国内已有不少学者在研究中使用到了虚拟人类学的一些方法，但都是对相关方法的具体
实践应用，且侧重于颅骨的几何形态分析，并未有对于该多学科方法的系统性理论阐述。本
文旨在对虚拟人类学的发展史进行简要回顾，并结合最新的学科进展，对虚拟人类学的主要
研究方法、理念进行系统性阐述。在本文的最后，简述了虚拟人类学的发展前景及其面临的
一些问题。希望通过本文，能够推动国内研究者对这一多学科方法的了解与掌握。
2. 虚拟人类学简史
人类学——尤其是古人类学和体质人类学，在学科发展中有两个重要的革命性进展。第
一个进展是将医学成像技术应用于化石遗骸与骨骼材料分析；第二次革命是 20 世纪 80 年
代末到 90 年代初几何形态测量学和其它基于地标方法的发明3。虚拟人类学的产生与发展
与这两次革命性进展也有紧密的联系。
2.1 医学成像技术的初步应用
对医学成像技术的初步应用被视为虚拟人类学的萌芽。1895 年 11 月 8 日，Wilhelm
Conrad Röntgen 发现在光线路径上的不同密度的物体显示出可变的透明度，由此发现了著
名的 X 射线。七年后，该技术开始用于著名的 Krapina 遗址发现的尼安德特人化石的研究
4。
20
世纪 70 年代，英国海斯实验室发明了第一台基于 X 射线技术的计算机断层扫描（CT）
扫描仪在。经过数次改进后，CT 技术趋于成熟。到了 80 年代，陆续有人类学家尝试利用
CT 扫描技术对化石骨骼数据进行研究。Jan Wind 、Zonneveld 最早使用 CT 扫描对于人类
头骨化石进行研究5、6；Conroy 和 Vannier 在这一时期做了大量的工作：他们阐述了其在颅
内形态展示与数据测定上的优势7；使用当时最新的 CT 扫描仪扫描了 Taung 的颅骨并重新
判定了他的年龄8；将南方古猿的颅内特征第一次展示出来，并首次重建颅内腔模型以评估
其脑容量9；此外，他们还扫描了南方古猿了牙齿以判断其生长和发育模式10、11。
1991 年秋天，在阿尔卑斯山上发现了世界上最古老的的冰木乃伊，即著名的蒂罗尔冰
人。针对蒂罗尔冰人的研究可以视为当时人类学应用医学成像技术的一个典范。木乃伊的脆
弱性使得他需要保存在一个模拟冰川环境的环境控制室内，所有检查与科研的时间被限制为
每周 1 次，且每次不得超过 20 分钟12。这使得寻找替代性的研究方案十分有必要。为了观
察内部器官和骨骼，尸体首先进行了 X 光检查，并在 1991 和 1994 年进行了 CT 扫描。利
用 CT 影像，研究人员在计算机中分离了干尸的软组织与骨骼，进行了初步的几何形态学研
究，重建了虚拟的颅内腔，并利用立体光刻技术13来生成虚拟样本的实物模型。冰人的研究
案例表明，通过非破坏性方式来获得样本的体积化数据，然后暴露其内部，大多数解剖结构
都可以被可视化、描述与分析，有时甚至比分析相应的实物样本更为简单有效。
2.2 几何形态测量学的诞生
20 世纪 60 到 70 年代，生物统计学家开始使用多元统计方法来描述群体内部与群体之
间的形态变化模式，这种方法现在被称为传统的形态测量学。在几何形态测量学形状坐标的
概念确立之前，传统形态测量学14的方法只有“距离、角度和比例”，使用一些具有相对性概
念的描述方法。这些测量方法具有一系列的局限性：尺寸校正方法不统一、形状信息丢失严
重、难以保留变量间的几何关系15。观察者间的主观理解差异与观察者本身的失误使得测量
数据往往只适用于研究者自身，不利于研究人员的交流与数据的再利用16。因此到了 70 年
代末 80 年代世纪初，研究人员开始探索一系列用于量化与分析形态的新方法。由于这些新
的方法在分析过程中保留了对象的几何形状，因此被称为几何形态测量学。这一系列新方法
包含但不限于轮地标法，薄板样条（TPS）
，Procrustes 叠加，欧几里得矩阵分析，基于体
素的形态测定法等17。这些新方法的发明促使形态测量学开始从传统的以角度和距离为主的
线性测量转化为以地标数据为主的针对样本几何形状的考察，掀起了一场由传统测量学到几
何形态测量学的革命18。
1991 年，Fred L.Bookstein 出版了著名的几何形态测量学橙皮书19，几何形态测量学作
为一门系统化的学科方法正式确立起来。几何形态测量学是依赖于解剖结构的二维几何图形
或三维模型的多变量分析，它通过将所有测量数据统一在形状坐标的规则之下，从而避免测
量时样本摆放位置偏差或不同研究者习惯而带来的距离、角度和比例不一致的问题。相对于
传统形态测量学而言，几何形态测量学比较明显的变化是，从对单一形状的研究转变为多形
状研究，描述性方法转变为更恰当的统计分析方法。这导致人类学——尤其是古人类学和体
质人类学，开始从描述性和历史性科学转变为更加严格的注重量化和分析的学科。但限于当
时计算机硬件算力与软件工具的限制，并没有便捷的获取样本三维数据并对其进行分析的可
以广泛推广的方法。因此这一时期的几何形态测量学的主要数据形式，依然同传统测量学一
样，以二维平面几何图形的测量数据为主。
2.3 现代虚拟人类学
自 20 世纪 90 年代末开始，体质人类学研究越来越注重对医学成像技术和计算机科学
的应用。1998 年，Weber 在克罗地亚人类学学会的官方期刊上发表了一篇论文 2，正式提
出了虚拟人类学的概念，虚拟人类学开始对人类学研究产生重要影响。首先，虚拟人类学对
医学成像技术的应用使得骨骼与化石内部的结构暴露出来（例如颅内、额窦、牙根、长骨髓
腔等）
，让形态测量学研究的对象不再局限于表面轮廓，研究者可以研究样本内部无法直接
看到的区域，或是将对象的内外形态结合起来进行考察，如 Jodi L Schmidt 利用地标法对听
小骨的研究20，和 bookstein 对于尼安德特人和现代人颅骨内外形态的研究21；其次，计算
机科学技术的进步与发展使几何形态测量学数据利用方式产生了新的变化。得益于现代计算
机运算力的提升，几何形态测量学开始从二维图像的测量数据分析，转变为基于三维模型地
标数据的多变量统计分析。除了可以获得的颅内标志点外，表面上可获得的大量半地标也极
大地增强了针对几何形态进行分析的能力，从而使形态测量学对数据的利用率得到了几何式
的提升；此外，虚拟人类学提倡的非侵入、可重复的工作模式，也有利于保存珍贵的化石材
料。这一系列的优势促使几何形态测量学与虚拟人类学开始相互融合。因此在很多数情况下，
虚拟人类学又被称为“虚拟形态学”。
医学成像技术的广泛应用及其与几何形态测量学的融合标志着现代虚拟人类学的成熟。
由于蒂罗尔冰人项目中应用医学成像技术产生的良好效果，该项目的主要参与者之一，
Webber 开始撰写一系列虚拟人类学的文章，着力推动虚拟人类学方法在人类学中的推广。
2006 年，在欧盟资助下，由 Gerhard Webber 主导的为期三年的虚拟人类学 EVAN 项目开
始实行。该项目中比较明确的描述了虚拟人类学的研究目的与研究方法：虚拟人类学的主要
目的是致力于研究人类祖先及其近亲的解剖变异性，并将体质人类学与医学及生物数学、计
算机科学和生物工程学的形态分析方法相结合，以应用于学术、临床、工业等领域。该项目
的实行，为推动虚拟人类学在全球范围内的传播起到了巨大的作用。
现代虚拟人类学的发展已经极大的超出了最初虚拟人类学的范畴。得益于多学科结合的
优势，虚拟人类学已经对包含灵长类进化学、体质人类学、形态测量学、法医人类学、古病
理学、古人类学在内的多个领域产生了重要影响。在人类学研究领域，虚拟人类学不仅为传
统问题的解决提供了新的方法，如大脑进化、颅面不对称研究22等；也为人类学研究开辟了
一些新的领域，如基于生物力学的虚拟功能分析23，24、颅骨重建与数字化面部复原等。许多
更有效率的工作方法还在陆续被开发出来，如自动化获取地标数据25等。可以期待的是，随
着多学科研究的的不断深入、融合，虚拟人类学也将迎来进一步的发展与创新。
3. 理论与方法
虚拟人类学的主要推动者 Webber 将虚拟人类学的工作模式概括为六个步骤：数字化
（Digitise）
、暴露（Expose）
、比较（Campare）、重建（Reconstruct）、物质化（Materialise）
以及共享（Share）26。虽然虚拟人类学在过去二十年内产生了很多新的变化，但这六个步
骤依然可以很好的概括其主要方法与理念，并将最新的研究成果都囊括到虚拟人类学的体系
中去。
3.1 数字化（Digitise）
获得生物体的数字化三维数据是使用虚拟人类学方法工作的第一步。光学表面扫描与体
积扫描是获取生物体三维数据的两种主要方式。表面扫描基于光学原理，来获得物体的表面
结构与纹理、颜色信息。体积扫描则能够深入物体内部，捕获其真实的物体几何结构信息。
其中，以医学成像技术为主的体积扫描方式应用时间最早、最广泛，是人类学研究最主要的
体积化数据获取方式。
医学成像技术提供了虚拟人类学了最主要的数据来源。这些技术主要有：磁共振成像
（Magnetic Resonance Imaging，MRI）
，计算机断层扫描（computed tomograhy， CT）
，
微型计算机断层扫描(Micro-CT，m- CT)，以及最新的中子断层扫描（neutron CT，n-CT）
。
MRI 则基于核磁共振原理，通过记录无线电波与质子（氢原子）产生的能量来生成灰度图
像，再通过堆叠灰度图像来重建 3D 影像（引用），医用磁共振的精度通常大于 500 微米。
由于磁共振是一种无害的成像方式，且价格昂贵，因此通常用于活体生物的成像与检测。CT
依据 X 射线对人体组织的不同穿透率来生成灰度图像，通过将多次生成的灰度图像等距堆
叠可以构建出包含物体内部组织结构的 3D 几何图形，可以提供最大至 0.4mm 的精度；
Micro-CT 与 CT 的原理相同，但可以提供低至 8μm 的分辨率；n-CT 是一种较新的断层扫
描方案，通过检测物体吸收的（中子源释放的）中子量来生成断层影像。这种技术可以在古
生物化石扫描中提供 10-20μm 的分辨率，相比 CT 来说可以提供更加清晰的不同密度物质
分割边界27（如化石与岩石的分界、牙釉质与牙根的分界），但在某些地质材料（如含钴或
铕）中具有产生放射性辐射的风险28，因此需要谨慎使用。
基于 X 射线的 CT 与 Micro-CT 是目前最主要的化石与骨骼材料的数字化数据来源。对
于非生物体而言，这两种技术是完全无损的。在 CT 中，测量的 X 射线衰减被转化为图像的
灰度值，密度越高的材料衰减越大。因此研究人员不仅可利用断层影像来生成扫描对象的三
维模型，还可直接通过设定不同的灰度范围来提取不同密度的材料。虽然计算机断层扫描的
精度受到一些因素的影响29，而且对于模型的后期处理也会影响到测量结果的变化30，但虚
拟测量的精度在很早就已经得到了验证31，32。此外，近年来的一系列研究表明，虚拟测量在
多个测量内容上的精度上都能够取得优于或至少与传统测量相当的结果（待引用）。在实际
的科研工作中，需要依据所研究的对象来选择不同的技术方案。针对颅骨的的形态学研究一
般 0.5mm 就足够，但在针对牙齿的研究中，30μm 的精度有时也会略显不足。
表面扫描也是获取古人类数据的方式之一。除了常见的三维激光／白光扫描之外，最新
的摄影测量法（Photogrammetry）
，也已经应用到了古人类的研究中，为获取古人类化石/遗
骸的三维数据提供一种成本相对较低的解决方案33，34。但由于摄影测量本身的算法拥有大
量模糊运算的过程，无法在所有细节上都保证足够的精确度，因此在小形态与小对象研究中
（如牙齿的磨损磨耗）的适用性还有待进一步的评估35，36；此外，摄影测量法无法重建看不
到的样本内部，模型的建立也需要进行繁琐的前期影像拍摄与后期图像处理工作，只建议作
为一种备用而非首选的技术方案。但由于摄影测量法的纹理清晰度很大程度上取决于相机的
像素，利用高像素数码相机可以采集到十分清晰的物体表面纹理信息。因而可以利用摄影测
量法采集颅骨表面材质纹理信息，再与 Micro-CT 提供的的高精度几何模型结合起来，最终
形成高精度彩色三维模型。这种方法可以作为古人类化石材料数字化存档的一种信息最大化
的解决方案37。
3.2 暴露（Expose）
在二十世纪八十年代以前，古人类学的技术与方法都比较匮乏,以针对颅内形态的研究
为例，早期主要采用制模的方法——将模制材料（液体乳胶或硅橡胶）涂抹到颅骨内或其中
一部分，干燥后将各个模型部分从颅骨碎片上剥离，组合为一体（缝隙用造型粘土或橡皮泥
进行填充），之后再针对重建的内部模型进行观察、测量与描述；对于脑容量的计算，采用
的是种子法、排水法——后来也总结了一套从线性测量计算体积的方法38。这些研究方法存
在极大的局限性：频繁的接触式研究方法，导致在制模过程中容易损伤实物材料；工作的可
重复性低，每进行一次都是一次对材料的损伤；仅适用对破损的颅骨进行颅内重建，无法适
用于保存完好的颅骨；不同的技术工艺、测量方法得出的差异较大，由不同的人进行往往得
出差异明显的结果。此外，人类学家的研究对象除了干燥的骨骼材料，还有各种干尸与木乃
伊，如何透过表面的软组织而进一步研究骨骼及其内部也是一个令人困扰的问题。
虚拟人类学利用体积数据集来解决这个问题：利用 CT 扫描或 MRI 扫描，可以获得体积
化的数据集。通过对扫描得到的灰度图像设定不同的阈值，可以对不同密度的对象实现虚拟
的非破坏性的分离（如颅骨中的填充物与骨骼、空气具有不同的密度）并暴露其内部结构。
虽然通过虚拟人类学方法重建的颅腔并不能代表真实的大脑，但由于其在解剖学结构上与真
实大脑存在对应关系 38，因而能用于大脑进化的相关研究。此外，颅骨有很多难以观察到细
节的隐藏结构，如额窦、上颌窦、鼻旁窦、内耳等，以及许多有助于理解功能形态但难以触
及或难以测量的解剖学特征，如牙根，弯曲骨骼或椎板的厚度、小梁结构和闭合缝合线——
这些特征能够通过体积化的数据集暴露出来，以便于进一步的观察与量化分析。
内部结构的暴露依据研究的需求有不同的方法。总体来说有两种：阈值分离法与直接分
离法。阈值分离法适用于提取空腔或是分离密度差异较大的材料，典型的案例如颅腔的重建、
牙釉质与牙本质的分离。在重建颅腔时，用单一颜色来涂抹颅骨内部的断层影像，最后利用
涂抹颜色的阈值与骨骼材料阈值不同的原理，屏蔽掉骨骼仅对涂抹区域（即颅腔）进行重建；
在分离牙釉质与牙本质时，由于牙釉质的主要成分为羟基磷灰石，相比牙本质天然就具有更
高的密度，因而也可以直接通过设定阈值的方法来进行分别建模。直接分离法利用计算机软
件的选择、删除等操作来直接对虚拟三维模型的数据集进行分离，如对虚拟模型某个部位的
切剖与暴露。早期的计算机软硬件难以负担较大的数据量，直接分离的办法实现起来比较困
难，但在今天，高性能计算机与数据处理软件已经支持直接对数百万的三维模型网格进行操
作，因此使用直接切剖的方式来观察对象内部或剖面/截面，进行基于形态学的分析已经成
为一种很常见的研究方法。
3.3 比较（Campare）
在体质人类学（或生物人类学39）研究中，需要量化物体的形状与形式，并将样本相互
比较，以探求其平均形式、样本间差异、变化方向与模式，并思考这种变化后所代表的功能
意义。传统测量学使用文字来描述不同的形态，而现代几何形态测量学则使用数字来表示其
形状与形式。这种以数据为核心的研究方法有两个优势，一是能尽可能的排除主观性，避免
研究者依据自身经验、理解的不同而产生不同的认识；二是极大的保留了数据的形状信息，
能够同时数百个样本的数百个特征。
虚拟人类学使用基于几何形态测量学（Geometric Morphometrics，以下简称 GM）的方
法来进行对象几何形态的定量比较。不同于传统“距离、角度、比例”的线性测量，GM 使用
基于 3D 坐标的数据来进行统计。它基于生物同源性的规则，通过以地标为核心的数据形式
和以形状坐标（Shape Coordinate）为中心的分析模式，来捕获和分析生物结构的形状，以
避免距离、方向和角度不统一的问题。对于某些只存在少量地标或不能用地标来量化的结构
（如面颅）
，可使用基于几何同源性的半地标，与传统地标结合起来进行分析40、41。GM 方
法主要包括继承并发展了的传统单变量分析、多变量分析，以及普朗克（Procrustes）分析
和薄板样条
（Thin Plate Spline）
。
其中，
Procrusts 叠加法和薄板样条是 GM 的核心：Procrusts
叠加法可以去除位置、旋转等干扰因素，对所有数据进行同质化处理，将形状的差异凸显出
来；薄板样条能够将多元统计分析的结果转换为具备坐标的变形网格，以图片网格的形式来
直观的表现生物形状的变形方向及程度。关于几何形态测量学更详细的内容，可以查阅相关
的一系列著作42，43，44，45，46。
虽然 GM 的方法应用涉及到生物形态学、统计学、代数学的相关知识，但并不要求研究
者对细节算法的精通，而更着重于对方法的理解和应用。经过近三十年的发展，GM 已经形
成了一套成熟的研究方法。一般的 GM 工作流程遵循以下步骤：首先，通过广义普朗克分析
（Generalised Procrustes Analysis，以下简称 GPA）来将笛卡尔坐标转换为形状坐标，以
剔除方向、位置、大小（可以选择保留）的影响；然后，利用多变量分析方法确定形状和外
部变量（如年龄、性别、地区等）之间的关系；最后，利用主成分分析（PCA）减小数据量，
并通过薄板样条（Thin Plate Spline,TPS）变形来可视化形状的变化。并且，利用虚拟人类
学专用的工具软件，能够在基本流程的基础上执行更多操作47，如组平均差异变形（Group
mean difference as a deformation）
，以可视化不同的样本均值；反射重标记法（Reflected
relabelling，以下简称 RR），以生成对称样本，或进行不对称性分析；执行偏最小二乘法
（Partial Least Squares）
，提取能解释各组间变量共变模式的线性组合，以检验形态与行为
或其它非形态变异之间的关系等48。
早期并没有的成熟的虚拟人类学专用的形态学分析软件，研究人员使用一些其它学科的
软件结合起来进行形态分析工作。随着多学科研究的进一步深入、几何形态测量学的成熟和
虚拟人类学的发展，诞生了一些人类学研究专用的的几何形态分析软件，比较常用的如
Bookstein 和开发的 Edgewarp49，Klingenberg 实验室开发的 MorphoJ50，以及 EVANSociety 的 Evan-Toolbox51，或是其它第三方插件类型的基于 python 或 R 的专业化形态学
分析工具包52，53。这些软件集 3D 图像可视化、标志点采集、形态学分析、数据可视化的功
能为一体，涵盖了人类学几何形态测量学分析的基本方法与工作流程。已经有学者对这些工
具进行了一些比较54，研究者可以根据自己的研究目的和研究方法选择适合自己的工具。利
用这些工具，研究者能够更加便捷的获得三维虚拟对象的几何坐标，并进行基于几何形态测
量学的相关分析，进而探讨与人类形态演化相关的一系列问题。
3.4 重建（Reconstruct）
虚拟人类学上的重建主要是指生物对象的形式和形状。自然条件下被发现的古代遗骸都
会受到各种因素的干扰。材料的变形、位移与破损可能使标记点偏离原始位置或无法定义，
因此需要进行重建以尽可能恢复其原始的形式。不同于基于解剖学知识或是经验性的重建方
法，为了使重建过程透明且可重复，虚拟人类学使用基于定量技术的重建方法。Phlipp Gunz
以南方古猿的颅骨重建为例，提供了基于统计和几何方法的颅骨重建最主要的方法与原则55、
56、57；Rudolph Neeser
在他的博士论文中详细阐述了颅骨重建方法的实现原理，并探讨了
统计和几何方法的准确性与精度问题 34、58；Sascha Senck 等人研究了不同的参考样本选择
对于颅骨重建的影响59。
辨识研究对象的形变或破损是重建工作的第一步。自然状态下，对象受到的干扰可分为
四种类型60 ：（1）整体的破碎或局部的剥落，但所有碎片能够组合为完整的对象；（2）部
分碎片缺失；
（3）对象发生一定程度的形变；
（4）整体或局部被异物覆盖难以直接进行研究。
这四种类型的扰动不一定是单一出现的，可能出现同时发生的情况。1、2 类型的干扰可以
得到很好的修复，基本可以还原对象埋藏时的形式；对于 2、3 类型的干扰来说，由于信息
产生了扭曲或导致，因此需要先进行重建再进行后续的研究工作。对于 3 型对象来说，识别
形变是第一步。骨骼的各个部分在功能上并不独立，发育过程中的长期性形变和死亡后外力
的强制性形变对骨骼形态会产生不同的影响。先天性的脊柱弯曲与正常发育的脊柱骨具有截
然不同的形态，灵长类上颌与下颌很容易利用咬合来恢复其正确位置 ，诸如此类。此外，
大规模的对称性偏差也极有可能是外力作用的结果，这一点也可用于与解剖学常识结合起来
用于识别对象的形变。
计算机技术发展的早期阶段使用镜像的办法来恢复或处理缺失的颅骨结构61。但由于该
方法基于颅骨双侧对称性的假设，而忽略了环境与基因压力对生物形态造成的影响，因此后
来又开发出一系列新的方法。目前，虚拟人类学采用定量技术恢复对称性、处理缺失和变形
结构的方法主要有三种：均值替代（Mean Substitution）
、薄板样条和多元线性回归。均值
替代的主要原理是对多个样本进行相互 Procrustes 叠加然后求其 Procrustes 平均值，每个
个体再与所得的平均值对齐并再次计算其平均值。重复这一过程，直到当前计算值与
Procrustes 平均值之间的差异达到足够小；薄板样条是一种用于在两组数据间进行插值的
经典技术，它可以将参考样本数据按照最小化弯曲能量的原则进行扭曲以适应样本未损坏部
分，并将扭曲后的参考形式填充到样本的受损区域；多元线性回归是通过大量样本来预测缺
失数据的一种统计学习方法，相对于均值替代法和薄板样条而言，它能够进一步的利用样本
本身未破损区域的信息。一般而言，均值替代是这三种方法中成本最低的方法，但同时它也
的重建效果也相对较差；当有形状差异较小的同种人骨材料参考且缺失部分小的话，TPS 能
提供最佳的重建效果 ；当无法提供这样的样本，但有较多同种样本可供利用时，能够从同
种样本中抽取大量信息的多元线性回归更为有效 34，56，58。
由于虚拟人类学的骨骼重建方法脱胎于原始颅骨重建方法中的经验性重建，因此重建方
法期初是基于颅骨重建而构造的。但因为这些方法都基于几何形态测量学与统计学习方法，
本质上是生物结构与样本信息数据的高度统一，因此可以推广到大多数类型的骨骼重建。但
需要谨记的是，任何重建都需要关于功能约束、整体和对称性的假设，有时也需要关于性别、
物种亲和与分类的假设，只有在此基础上的重建工作才能得到正确的评估和讨论
55，62。由
于不同的假设和算法会导致不同的重建结果，因此没有“全能”的重建。具体采用哪种重建方
法，需要依据缺失部位大小、参考样本形状与数量的具体情况而定。在信息不完全的情况下，
有时还需要依据不同的先验假设来得出多种重建结果。
3.5 物质化与共享（Materialise and Share）
传统的古人类制模具有悠久的传统63。在计算机软硬件不发达的年代，这种方法是唯一
的数据共享方式。传统的从实物到实物的解决方案具有明显的缺点64， 如:接触式的模具复
制方案，会对脆弱的实物材料造成不可逆的损伤;中空结构的模型复制必须在人为切割材料
的基础上才能进行;非空腔之外的所有嵌入式结构,如牙根，内耳，都必须进行一定程度的解
剖与破坏才能复制;难以复制具有复杂空间结构(如底切和管道)的对象，如骨小梁骨结构。此
外，模型的制造只能按照一比一的比例进行，无法进行放大或缩小。这些缺点限制了研究人
员对材料的使用，也不利于大学和科研机构日常的教研活动。
虚拟人类学使用快速原型（Rapid prototyping，RP）技术来解决这些问题。快速原型技
术是从二十世纪八十年代开始用于快速生产零件和基于数字数据的制造工艺的统称65，是将
虚拟对象转化为真实对象的 3D 复制过程。RP 技术主要包括立体光刻（Stereolithography，
SL）
、熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling，FDM）
、选择性激光烧结（Selective Laser
Sintering，SLS）
、粘合剂喷射、材料喷射等66，这些技术流程各自使用不同的材料和技术方
案。SL 是目前使用时间最长、效果最好的 RP 方案，能够实现具有复杂空间结构的模型复
制，但成本较高，且较大物体（如颅骨）的制造可能花费数个小时甚至数天。其它的几种 RP
解决方案在成本、速度上有各自的优势，但无法提供相应与 SL 相当的精度。另外,RP 的精
度除了受到技术方案本身的影响之外，还取决于提供的虚拟模型的精度。因此在精度要求较
高的科研工作中，一般使用 Micro-CT 获取对象数据生成虚拟模型，再使用 SL 技术来生成
实物对象。
在人类学研究中，组间与组内变异是人类学家关注的共同目标。但古人类遗骸与化石资
源具有稀缺性和脆弱性，因此并非所有研究人员都有机会近距离对化石材料进行研究。这不
仅限制了科学研究的进步，也不利于大学日常的教学活动。因此随着数字化技术的进步，已
经有很多机构采用数字化方式来保护和研究古代人类化石与遗骸。自 1999 人类化石的第一
个电子档案库创建后，一系列新的数据档案库得以创建，如 NES-POS，EVAN-Society，
ORSA，
Digimorph，
Paleoanthportal，
RHOI，
AHOB，
Visible Human Server 和 Morphosource。
4. 总结与思考
与传统分析方法相比，虚拟人类学有着诸多的优势。Weber G W 将其总结为五点67：内
部结构的可见性；对象的永久可用性、测量的可重复性与精度的可控性、更高级形态分析方
法的可用性，以及共享电子化数据的便捷性。该总结已经能很好概括虚拟人类学相对于传统
分析方法的优势，因而此处不再赘述。但尽管虚拟人类学的有着良好的应用前景，从视角上
为人类学研究开启了一个新的维度。但它的应用与推广依然存在着一些需要解决的的问题。
首先，多学科属性是虚拟人类学方法先进性的主要原因之一，也是虚拟人类学应用与进
步的难点之一。它涉及到计算机科学与工程、体质人类学、统计学、医学等多领域知识，无
疑对研究者的知识体系的广博性提出了更高的要求。1984 年计算机断层扫描开始被应用于
对古人类化石头骨进行三维成像，但直到 1998 年才开始尝试利用计算机断层扫描进行颅骨
的三维重建并计算其脑腔容量 。这固然有时代背景的限制，但同时也一定程度上体现了交
叉学科领域进步的缓慢性。
其次，设备依赖性与成本问题也是虚拟人类学方法应用过程中需要考虑的重要问题之一。
虚拟人类学研究的体积化数据集来源于昂贵的医学成像设备。少数情况下的研究只需要进行
一次的断层扫描，但对于人类演化问题和种群间分析而言，往往需要数十个乃至上百个不同
的样本来进行综合考察。对于小形态和小对象研究而言，也需要高精度和大量的样本来进行
对比研究。因此对于缺少对应科研设备的大学实验室和科研院所而言，成本问题依然是一个
需要仔细考量的问题。
此外，尽管虚拟人类学在测量中尽可能避免了研究者的主观差异，但虚拟人类学应用到
实践中的效果依然取决于研究者本身的一些“主观性选择”。例如，历史上针对奥兹冰人进行
过数次 CT 扫描68，但直到 2001 年才发现他肩部的箭伤69。虽然在早期的 CT 影像上可以依
稀辨认出箭头的模糊痕迹，但在当时却并没有得到足够的重视。再如，虽然利用 CT 影像重
建的三维模型可以很方便的进行颅骨脑腔容量的测定，但针对颅底孔洞（圆孔、卵圆孔、枕
骨大孔等）的处理方式不同也会导致脑容量计算结果出现些许差异。研究中的很多情况下，
依然依赖于人类学家本身的思维与选择习惯。
这些问题都需要在虚拟人类学的不断实践中来解决。失误可以通过经验的积累来减少，
标准的选择也可以通过学界的共同探讨来制定；学科交叉领域的有其固有的规律，研究不能
一蹴而就，试错与积累的过程不可避免；成本上，没有扫描设备的机构可以通过提供扫描服
务的提供商来解决。
依据精度的不同，
欧洲的 Micro-CT 扫描的费用已经降低到了每次 30~60
欧元70，国内的成本目前在 500~1500 元人民币。相信随着技术的进步与推广，成本将进一
步的降低。
始终需要强调的是，虚拟人类学是一种多学科结合的研究方法。尽管虚拟人类学的方法
不要求研究人员掌握所有相关学科的理论、算法与技术细节，但实践中的应用效果依然受到
研究者对相关学科理论方法掌握程度的影响。毕竟所有科学的理论与方法都有其应用的假设
与前提，这是一切理论方法应用的基础。因此，如何促进多学科融合，推动虚拟人类学的应
用与进步，将是在未来很长一段时间内需要仔细思考的问题。
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