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“從未掃過如此規(guī)模的龐然大物！”——埃太科三維掃描盧森堡燃氣發(fā)動機 SHAPE \* MERGEFORMAT

3D掃描儀

·         Artec Leo

·         Artec Ray II

·         Artec Ray*

*舊版掃描儀。將Artec Ray升級至Ray II。

挑戰(zhàn)：為世上全長26米的高爐燃氣發(fā)動機進行三維掃描

解決方案：Artec Leo, Artec Ray, Artec Studio

效果：完成帶有3億個多邊形的國家級遺產(chǎn)原尺寸3D模型，以饗后世。

現(xiàn)代化專業(yè)級三維掃描儀能捕獲各類物體，從螺釘、牙齒等微型物件到車輛、房屋、甚至整幢樓房等大型復(fù)雜物體，都能搞定。既可以舒適地在工作桌前直接掃描，也能帶著掃描儀去到遙遠的地方，哪怕沒有電源、網(wǎng)絡(luò)也無妨。

但過去并非如此輕松。之前，三維掃描儀只能在光源、電源穩(wěn)定的室內(nèi)，配合強大的電腦才能使用。它們體型笨重，掃描時往往難以移動。問題是，適合掃描儀掃描的物體尺寸十分有限，只有類似半身像、花盆等可以放在工作桌上的物體才能掃描。任何大型物體不是難度太大，就是耗時太久，或者壓根沒法掃描。

這正是2016年盧森堡科學中心面臨的情況。當時，他們決定為盧森堡國家遺產(chǎn)“11號燃氣發(fā)動機”（Groussgasmaschinn）完成數(shù)字化工作，這是世界上大的高爐燃氣發(fā)動機。為找到采集途徑，他們找到了盧森堡埃太科總部的三維掃描專家。

11號燃氣發(fā)動機

1938 年，Ehrhardt & Sehmer 公司制造了 Groussgasmaschinn 這座世上大的燃氣發(fā)動機

1938年，一家法比聯(lián)營企業(yè)Hauts-fourneaux et Aciéries de Differdange, St-Ingbert & Rumelange（HADIR）向德國制造公司Ehrhardt & Sehmer下單訂購制作了Groussgasmaschinn燃氣機。設(shè)備內(nèi)放下一整個網(wǎng)球場還綽綽有余。燃氣機長26米，寬10.5米，高6.5米，重1100噸，能產(chǎn)生11000馬力，或7000千瓦的動力。它有四個汽缸，每個汽缸容量為3000升。一個11米、150噸的飛輪轉(zhuǎn)速達94轉(zhuǎn)/分。這座發(fā)動機每班需要12名工人操作，在使用期內(nèi)（1942-1979年），利用高爐煤氣（高爐中焦炭燃料燃燒產(chǎn)生的廢品）共生產(chǎn)了6000多千瓦的電力。

1940 年，位于迪弗當日燃氣廠的 Groussgasmaschinn 燃氣機。盧森堡科學中心供圖

盧森堡工業(yè)重鎮(zhèn)距離盧森堡市西南方向27公里。這座重達1100噸的工業(yè)巨作收藏于舊時一家鋼鐵生產(chǎn)廠內(nèi)，目前這家生產(chǎn)廠屬于世界領(lǐng)先的鋼鐵和礦業(yè)公司安賽樂米塔爾，它是盧森堡鋼鐵工業(yè)從繁榮到?jīng)]落的最后一位見證人。

從1986至1940年代，迪弗當日燃氣發(fā)動機廠共有14座尺寸各異、馬力不同的燃氣發(fā)動機，Groussgasmaschinn是其中大一座。1942年二戰(zhàn)期間，盧森堡被德國占領(lǐng)兩年，這年5月，發(fā)動機安裝完畢，并全面投入運行。盡管被納粹占領(lǐng)，但整個戰(zhàn)爭期間，都未出現(xiàn)過服務(wù)中斷、轟炸等情況，附近也沒有被埋過爆炸物。戰(zhàn)爭結(jié)束后，燃氣機被完整保留了下來。

這座燃氣機不僅體型大，也許也是工業(yè)時代留下的最后幾座燃氣機之一。之后，它們被更高效、更易制造的蒸汽輪機取代。1979年，Groussgasmaschinn停機后被廢棄了30年。2007年，盧森堡文化部將其列為國家修復(fù)和保護文物，從此改變了它被世人遺忘的命運。在Groussgasmaschinn協(xié)會（后發(fā)展為盧森堡科學中心）的支持以及私人公司GGM11的贊助下，修復(fù)工作于5年后的2012年啟動，目前仍在進行當中。

修復(fù)期間，科學中心決定，除了將巨型燃氣機修復(fù)至好的狀態(tài)外，還要為世人制作一份數(shù)字文物。2016年，他們找到了位于盧森堡的埃太科三維，然而在當時，即便是頂尖的掃描技術(shù)也無法掃描這樣的龐然大物。轉(zhuǎn)眼數(shù)年后，隨著三維掃描技術(shù)的飛速發(fā)展，埃太科目前已經(jīng)可以勝任如此規(guī)模的項目。

盧森堡科學中心總裁兼總經(jīng)理Nicolas Didier說道：“掃描發(fā)動機的念頭已經(jīng)產(chǎn)生很久了。很高興技術(shù)終于發(fā)展到了這一步。這座發(fā)動機絕無僅有，如果能記錄下它當前的模樣，會很有意義?！?

“這些數(shù)據(jù)不僅可以幫我們復(fù)制一些缺失的零部件，輔助修復(fù)，還能遠程展示GGM11的三維模型，讓大家領(lǐng)略三維掃描等創(chuàng)新科技的無限潛力，我們正打算今年下半年在中心介紹并培訓(xùn)這項技術(shù)。”

巨物掃描挑戰(zhàn)

埃太科三維部署和技術(shù)支持工程師Vadim Zaremba在2020年11月第一次到訪燃氣廠，評估未來的工作內(nèi)容時不禁感嘆：“這是我們掃描過的體型龐大的物體！”2021年初，在檢查燃氣發(fā)動機并通過了所有必需的安全程序后，Vadim和同事Raul Monteiro（技術(shù)支持專家）帶著掃描必備裝備，一同返回了燃氣廠。

多數(shù)情況下，物體的尺寸和復(fù)雜程度決定了使用何種型號的掃描儀。由于Artec Ray可以遠距離捕獲大型物體，且精度高達亞毫米級，因此被選為掃描整座發(fā)動機的主掃描儀。同時，無線便攜式三維掃描儀Artec Leo作為輔助掃描儀，負責采集發(fā)動機小型部件和某些部位的大量細節(jié)。

Zaremba 補充道：“GGM11不僅是我們掃描過的大物體，而且本身也是為復(fù)雜。設(shè)備上有很多空腔和難以到達的區(qū)域，因此必須配合兩臺掃描儀，才能完成整臺設(shè)備以及小型部件的高清捕獲（當然，還需兩名操作員）?！?

掃描物體的尺寸和復(fù)雜程度決定了必須使用 Artec Ray 和 Artec Leo 兩臺掃描儀

團隊計劃先用Ray從各個角度掃描整座發(fā)動機，采集完整物體，隨后再用Leo重新掃描第一次遺漏的區(qū)域以及較小且難以到達的部分。Ray采用高分辨率（點密度）掃描，為節(jié)省時間，團隊決定分頭行動。Zaremba保持特定角度把Ray放在不同位置，距離發(fā)動機5-15米，同時，Monteiro使用Leo掃描發(fā)動機小型部位（不在Ray掃描范圍內(nèi)的部分）。隨后，Zaremba移動至下一個定位點，Monteiro也按相同路線推進。

Ray 默默掃描發(fā)動機時，Zaremba 走到一邊，花上一兩分鐘，和 Leo 一起掃描小塊面積

難度高的任務(wù)就是要從發(fā)動機上方掃描。為完成這項任務(wù)，他們必須爬上一座1940-1950年代特制的橋梁，這里有一個距離地面10米高的機艙。因為只有這里才能多角度掃描發(fā)動機。但說著容易，做起來難。這座橋年代久遠，又不穩(wěn)固，承載兩個人加一臺三維掃描儀的重量，并不利于制作高質(zhì)量掃描。為保證掃描數(shù)據(jù)好，Zaremba和Monteiro必須在掃描儀工作時保持幾分鐘完全靜止的狀態(tài)。

團隊總共用了4天時間完成項目，每天都要花3-4小時輪流掃描。Artec Ray分別從18個角度進行掃描，隨后在Artec Studio中與Artec Leo完成的67份掃描合并。最后項目共計186 GB，其中170 GB為Leo掃描，16 GB為Ray掃描。

強大可靠的處理工藝

處理這樣一頭龐然大物，本身就是一項巨大的挑戰(zhàn)。為確保處理不出錯，埃太科三維技術(shù)支持工程師Dmitry Potoskuev將整個流程分為幾步：

他從Ray的數(shù)據(jù)著手。他先刪除（使用橡皮擦）了掃描儀捕獲的所有多余對象，例如燃氣廠建筑、窗體、墻體、GGM11周圍的各種設(shè)備，完成數(shù)據(jù)清理。

隨后，他繼續(xù)使用橡皮擦刪除某些幀的數(shù)據(jù)，通過18份掃描，合并飛輪等其他部件的數(shù)據(jù)。這步很關(guān)鍵，因為好幾份掃描都不是同一天完成的，GGM11有次被打開向工作人員演示，飛輪和其他部件的位置還變動了幾次。如果直接合并數(shù)據(jù)，會出現(xiàn)諸多不匹配的地方。

下一步，Ray的所有掃描都經(jīng)過整體配準，完成兩兩匹配。18份掃描每一份都通過“Ray掃描三角測量”算法處理成網(wǎng)格，多邊形邊長為10毫米。這樣就能過濾所有頂點間的長距表面，最后獲得一份更精細、更干凈的表面。隨后，所有18份三角測量網(wǎng)格都經(jīng)過尖銳融合算法進一步處理，合成一份網(wǎng)格，也就完成了整個發(fā)動機模型的“骨架”。

下一步要加入Leo捕獲的細節(jié)。由于數(shù)據(jù)很大（170 GB），Potoskuev又將這部分內(nèi)容分成幾步。

首先，他復(fù)制并鎖定了原始Ray網(wǎng)格。復(fù)制后的數(shù)據(jù)簡化成500-1000萬個多邊形后同樣鎖定。這樣就能加快之后的配準流程。然后，他將所有Leo掃描（掃描時分成17個組）加載到復(fù)制后的Ray項目中，每一份分別配準到簡化后的Ray項目上，高質(zhì)量對齊數(shù)據(jù)。

Leo掃描全部配準后，Potoskuev選擇了原始Ray網(wǎng)格以及4-5份原始配準的Leo掃描，通過尖銳融合算法制作全新網(wǎng)格。不斷重復(fù)這步操作，直到將所有Leo掃描和原始Ray網(wǎng)格匹配，完成燃氣發(fā)動機的最終網(wǎng)格。

最終網(wǎng)格共包含3.5億個多邊形，隨后又簡化至1億個多邊形，使用填補孔、光滑刷、橋等工具，完成進一步后期處理。所以為世上大的燃氣發(fā)動機模型處理到底要多久？不到兩周，或者說80小時。

Groussgasmaschinn 的最終版多邊形 3D 模型

當問起Potoskuev處理模型遇到哪些難題時，他回答道：“時間是大的問題。項目規(guī)模如此之大，不僅掃描處理要花很多時間，而且從掃描儀將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X、再到Artec Studio，也要花上5、6個小時…對！單純傳輸數(shù)據(jù)而已！畢竟有200 GB的數(shù)據(jù)，這絕對是我們處理過耗時久的物體了?！?

最終得償所愿，他們的耐心付出得到了回報。Potoskuev 表示：“我從未處理過這么壯觀的項目。當今的三維掃描科技，竟然可以為這樣一個難以靠近的龐然大物完成細節(jié)精美的數(shù)字模型。”

從 1940 年代到 2020 年代，在三維掃描科技的幫助下，Groussgasmaschinn 獲得了二次生命

成果斐然

雖然這項規(guī)模巨大的任務(wù)已經(jīng)完成，但發(fā)動機的故事還遠未結(jié)束。

盧森堡科學中心總裁兼總經(jīng)理Nicolas Didier說道：“掃描了這座巨型發(fā)動機后，我們就能利用數(shù)據(jù)復(fù)制遺失部件，并保存下它當前的狀態(tài)。所以，哪怕時間的流逝帶走了它的英姿，我們也能找回3D模型，向未來展示它的過去，用于歷史遺產(chǎn)的修復(fù)?！?

“我們希望能在2027-2028年完成發(fā)動機修復(fù)工作，并保存在科學中心互動站，訪客不僅可以親眼所見，還能與之互動。今年上半年，我們?yōu)椤磥砑寄堋椖抠徺I了兩臺Leo，學生和員工很快就能親自進行三維掃描了！”