三维扫描解决方案

埃太科三维支持乌克兰

“从未扫过如此规模的庞然大物!”——埃太科三维扫描卢森堡燃气发动机

挑战:为世上最大、全长26米的高炉燃气发动机进行三维扫描

解决方案:Artec Leo, Artec Ray, Artec Studio

效果:完成带有3亿个多边形的国家级遗产原尺寸3D模型,以飨后世。

现代化专业级三维扫描仪能捕获各类物体,从螺钉、牙齿等微型物件到车辆、房屋、甚至整幢楼房等大型复杂物体,都能搞定。既可以舒适地在工作桌前直接扫描,也能带着扫描仪去到遥远的地方,哪怕没有电源、网络也无妨。

但过去并非如此轻松。之前,三维扫描仪只能在光源、电源稳定的室内,配合强大的电脑才能使用。它们体型笨重,扫描时往往难以移动。最大的问题是,适合扫描仪扫描的物体尺寸十分有限,只有类似半身像、花盆等可以放在工作桌上的物体才能扫描。任何大型物体不是难度太大,就是耗时太久,或者压根没法扫描。

这正是2016年卢森堡科学中心面临的情况。当时,他们决定为卢森堡国家遗产“11号燃气发动机”(Groussgasmaschinn)完成数字化工作,这是世界上最大的高炉燃气发动机。为找到最佳采集途径,他们找到了卢森堡埃太科总部的三维扫描专家。

11号燃气发动机

1938 年,Ehrhardt & Sehmer 公司制造了 Groussgasmaschinn 这座世上最大的燃气发动机

1938年,一家法比联营企业Hauts-fourneaux et Aciéries de Differdange, St-Ingbert & Rumelange(HADIR)向德国制造公司Ehrhardt & Sehmer下单订购制作了Groussgasmaschinn燃气机。设备内放下一整个网球场还绰绰有余。燃气机长26米,宽10.5米,高6.5米,重1100吨,能产生11000马力,或7000千瓦的动力。它有四个汽缸,每个汽缸容量为3000升。一个11米、150吨的飞轮转速达94转/分。这座发动机每班需要12名工人操作,在使用期内(1942-1979年),利用高炉煤气(高炉中焦炭燃料燃烧产生的废品)共生产了6000多千瓦的电力。

1940 年,位于迪弗当日燃气厂的 Groussgasmaschinn 燃气机。卢森堡科学中心供图

卢森堡工业重镇距离卢森堡市西南方向27公里。这座重达1100吨的工业巨作收藏于旧时一家钢铁生产厂内,目前这家生产厂属于世界领先的钢铁和矿业公司安赛乐米塔尔,它是卢森堡钢铁工业从繁荣到没落的最后一位见证人。

从1986至1940年代,迪弗当日燃气发动机厂共有14座尺寸各异、马力不同的燃气发动机,Groussgasmaschinn是其中最大一座。1942年二战期间,卢森堡被德国占领两年,这年5月,发动机安装完毕,并全面投入运行。尽管被纳粹占领,但整个战争期间,都未出现过服务中断、轰炸等情况,附近也没有被埋过爆炸物。战争结束后,燃气机被完整保留了下来。

这座燃气机不仅体型最大,也许也是工业时代留下的最后几座燃气机之一。之后,它们被更高效、更易制造的蒸汽轮机取代。1979年,Groussgasmaschinn停机后被废弃了30年。2007年,卢森堡文化部将其列为国家修复和保护文物,从此改变了它被世人遗忘的命运。在Groussgasmaschinn协会(后发展为卢森堡科学中心)的支持以及私人公司GGM11的赞助下,修复工作于5年后的2012年启动,目前仍在进行当中。

修复期间,科学中心决定,除了将巨型燃气机修复至最佳状态外,还要为世人制作一份数字文物。2016年,他们找到了位于卢森堡的埃太科三维,然而在当时,即便是最顶尖的扫描技术也无法扫描这样的庞然大物。转眼数年后,随着三维扫描技术的飞速发展,埃太科目前已经可以胜任如此规模的项目。

卢森堡科学中心总裁兼总经理Nicolas Didier说道:“扫描发动机的念头已经产生很久了。很高兴技术终于发展到了这一步。这座发动机绝无仅有,如果能记录下它当前的模样,会很有意义。”

“这些数据不仅可以帮我们复制一些缺失的零部件,辅助修复,还能远程展示GGM11的三维模型,让大家领略三维扫描等创新科技的无限潜力,我们正打算今年下半年在中心介绍并培训这项技术。”

巨物扫描挑战

埃太科三维部署和技术支持工程师Vadim Zaremba在2020年11月第一次到访燃气厂,评估未来的工作内容时不禁感叹:“这是我们扫描过的体型最庞大的物体!”2021年初,在检查燃气发动机并通过了所有必需的安全程序后,Vadim和同事Raul Monteiro(技术支持专家)带着扫描必备装备,一同返回了燃气厂。

多数情况下,物体的尺寸和复杂程度决定了使用何种型号的扫描仪。由于Artec Ray可以远距离捕获大型物体,且精度高达亚毫米级,因此被选为扫描整座发动机的主扫描仪。同时,无线便携式三维扫描仪Artec Leo作为辅助扫描仪,负责采集发动机小型部件和某些部位的大量细节。

Zaremba 补充道:“GGM11不仅是我们扫描过的最大物体,而且本身也是极为复杂。设备上有很多空腔和难以到达的区域,因此必须配合两台扫描仪,才能完成整台设备以及小型部件的高清捕获(当然,还需两名操作员)。”

扫描物体的尺寸和复杂程度决定了必须使用 Artec Ray 和 Artec Leo 两台扫描仪

团队计划先用Ray从各个角度扫描整座发动机,采集完整物体,随后再用Leo重新扫描第一次遗漏的区域以及较小且难以到达的部分。Ray采用最高分辨率(点密度)扫描,为节省时间,团队决定分头行动。Zaremba保持特定角度把Ray放在不同位置,距离发动机5-15米,同时,Monteiro使用Leo扫描发动机小型部位(不在Ray扫描范围内的部分)。随后,Zaremba移动至下一个定位点,Monteiro也按相同路线推进。

Ray 默默扫描发动机时,Zaremba 走到一边,花上一两分钟,和 Leo 一起扫描小块面积

难度最高的任务就是要从发动机上方扫描。为完成这项任务,他们必须爬上一座1940-1950年代特制的桥梁,这里有一个距离地面10米高的机舱。因为只有这里才能多角度扫描发动机。但说着容易,做起来难。这座桥年代久远,又不稳固,承载两个人加一台三维扫描仪的重量,并不利于制作高质量扫描。为保证扫描数据完美无瑕,Zaremba和Monteiro必须在扫描仪工作时保持几分钟完全静止的状态。

团队总共用了4天时间完成项目,每天都要花3-4小时轮流扫描。Artec Ray分别从18个角度进行扫描,随后在Artec Studio中与Artec Leo完成的67份扫描合并。最后项目共计186 GB,其中170 GB为Leo扫描,16 GB为Ray扫描。

强大可靠的处理工艺

处理这样一头庞然大物,本身就是一项巨大的挑战。为确保处理不出错,埃太科三维技术支持工程师Dmitry Potoskuev将整个流程分为几步:

他从Ray的数据着手。他先删除(使用橡皮擦)了扫描仪捕获的所有多余对象,例如燃气厂建筑、窗体、墙体、GGM11周围的各种设备,完成数据清理。

随后,他继续使用橡皮擦删除某些帧的数据,通过18份扫描,合并飞轮等其他部件的数据。这步很关键,因为好几份扫描都不是同一天完成的,GGM11有次被打开向工作人员演示,飞轮和其他部件的位置还变动了几次。如果直接合并数据,会出现诸多不匹配的地方。

下一步,Ray的所有扫描都经过整体配准,完成两两匹配。18份扫描每一份都通过“Ray扫描三角测量”算法处理成网格,多边形边长(最大)为10毫米。这样就能过滤所有顶点间的长距表面,最后获得一份更精细、更干净的表面。随后,所有18份三角测量网格都经过尖锐融合算法进一步处理,合成一份网格,也就完成了整个发动机模型的“骨架”。

下一步要加入Leo捕获的细节。由于数据很大(170 GB),Potoskuev又将这部分内容分成几步。

首先,他复制并锁定了原始Ray网格。复制后的数据简化成500-1000万个多边形后同样锁定。这样就能加快之后的配准流程。然后,他将所有Leo扫描(扫描时分成17个组)加载到复制后的Ray项目中,每一份分别配准到简化后的Ray项目上,高质量对齐数据。

Leo扫描全部配准后,Potoskuev选择了原始Ray网格以及4-5份原始配准的Leo扫描,通过尖锐融合算法制作全新网格。不断重复这步操作,直到将所有Leo扫描和原始Ray网格匹配,完成燃气发动机的最终网格。

最终网格共包含3.5亿个多边形,随后又简化至1亿个多边形,使用填补孔、光滑刷、桥等工具,完成进一步后期处理。所以为世上最大的燃气发动机模型处理到底要多久?不到两周,或者说80小时。

Groussgasmaschinn 的最终版多边形 3D 模型

当问起Potoskuev处理模型遇到哪些难题时,他回答道:“时间是最大的问题。项目规模如此之大,不仅扫描处理要花很多时间,而且从扫描仪将数据传输到电脑、再到Artec Studio,也要花上5、6个小时…对!单纯传输数据而已!毕竟有200 GB的数据,这绝对是我们处理过最大、也是耗时最久的物体了。”

最终得偿所愿,他们的耐心付出得到了回报。Potoskuev 表示:“我从未处理过这么壮观的项目。当今的三维扫描科技,竟然可以为这样一个难以靠近的庞然大物完成细节精美的数字模型。”

从 1940 年代到 2020 年代,在三维扫描科技的帮助下,Groussgasmaschinn 获得了二次生命

成果斐然

虽然这项规模巨大的任务已经完成,但发动机的故事还远未结束。

卢森堡科学中心总裁兼总经理Nicolas Didier说道:“扫描了这座巨型发动机后,我们就能利用数据复制遗失部件,并保存下它当前的状态。所以,哪怕时间的流逝带走了它的英姿,我们也能找回3D模型,向未来展示它的过去,用于历史遗产的修复。”

“我们希望能在2027-2028年完成发动机修复工作,并保存在科学中心互动站,访客不仅可以亲眼所见,还能与之互动。今年上半年,我们为‘未来技能’项目购买了两台Leo,学生和员工很快就能亲自进行三维扫描了!”

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