Artec為世界最大的高爐燃氣發動機進行 3D 掃描
現代專業級3D掃描儀可以捕捉各種物體——從螺絲或牙齒等微小物體到車輛、房間甚至整座建築物等更大更複雜的物體。您可以在自己的辦公桌上舒適地使用它們，或者將它們帶到偏遠的地方——即使是那些沒有電源插座或互聯網連接的地方。
不過，情況並非總是如此。直到最近，3D掃描儀還只能在室內、特定光照條件下、穩定的電源和功能強大的電腦上使用。它們通常又大又重，即使不是不可能，也很難在掃描時進行操作。最重要的是，此類3D掃描儀只能捕或有限尺寸的物體——只能掃桌上型物件，比如半身雕塑或花盆。任何更大的東西不是太難、太耗時，不然就是根本無法掃描。
早在 2016 年，盧森堡科學中心的團隊就遇到了這種情況，當時他們決定對盧森堡的國家古蹟之一“Groussgasmaschinn”（世界上最大的高爐燃氣發動機）進行數位化處理。為了找到捕捉如此大物體的最佳方式，他們聯繫了盧森堡 Artec 3D 總部的 3D 掃描專家。
3D掃描物件-巨型燃氣發動機介紹
▲Groussgasmaschinn 由 Ehrhardt & Sehmer 於 1938 年建造，是有史以來最大的燃氣發動機
Groussgamaschinn 由德國製造公司 Ehrhardt & Sehmer 於 1938 年根據一家名為“Hauts-fourneaux et Aciéries de Differdange, St-Ingbert & Rumelange” (HADIR) 的指令建造，大到可容納整個網球場，甚至更多。它長 26 米，寬 10.5 米，高 6.5 米，重 1,100 噸，能夠產生 11,000 馬力，或高達 7000 千瓦。它有四個氣缸，每個氣缸容量為 3,000 升，還有一個 11 米長 150 噸的飛輪，轉速為 94 RPM。該發動機每班由 12 名工人操作，在其使用壽命期間（1942 年至 1979 年）從鼓風爐煤氣（鼓風爐中焦炭燃料燃燒產生的廢物）中產生超過 6,000 千瓦的功率。
▲1940 年 Differdange 天然氣廠的 Groussgasmaschinn。照片由盧森堡科學中心提供
它是 1896 年至 1940 年代期間安裝在 Differdange 燃氣發動機廠的其他 14 台各種尺寸和馬力的燃氣機之一，其中 Groussgasmaschinn 是最大的。該發動機於 1942 年 5 月安裝並投入全面運行，即使二戰期間盧森堡大公國被德國占領兩年後。儘管納粹佔領，但在整個戰爭期間，天然氣廠附近沒有中斷服務、轟炸或放置炸藥。在戰爭結束時，燃氣發動機完好無損。
由於更高效且更容易獲得的蒸汽輪機的出現，該發動機不僅是有史以來最大的發動機，而且可能也是最後的發動機之一。Groussgasmaschinn 在 1979 年關閉後，被廢棄了將近 30 年。2007 年，當盧森堡文化部將其指定為值得保護和修復的國家紀念碑時，它從被遺忘的邊緣被想起。得益於 Groussgamaschinn 協會（後來演變為盧森堡科學中心）和一家名為“GGM11”的私人控股公司作為該項目贊助支持，修復工作於五年後的 2012 年開始，並且仍在進行中。
正是在這段時間，該中心提出了一個想法，不僅要將巨大的引擎恢復到最佳狀態，還要為後代以數位化方式保存它。2016 年，他們聯繫盧森堡的 Artec 3D，但即使是當時最好的掃描技術也無法捕捉到這麼大的東西。快轉幾年，隨著新的 3D 掃描選項的開發和推出，Artec 已準備好可掃描如此巨大的物體。
很長一段時間以來，我們一直想掃描這個引擎，我們很高興這項技術終於來幫助我們做到這一點。沒有其他燃氣發動機像這台發動機一樣，在當前狀態下捕獲它至關重要，”盧森堡科學中心總裁兼總經理尼古拉斯·迪迪埃 (Nicolas Didier) 說。
“這些數據不僅可以通過 3D 掃描重建一些缺失的零件和元素，從而幫助我們完成修復過程，而且還是向遠道而來的訪客展示GGM11及展示此類創新技術潛力的好方法程，作為3D 掃描，我們計劃今年末在該中心進行介紹和教學。”
3D掃描大型物件
“這是我們掃描過的最大物體！並且比我預期的要大得多，”Artec 3D 的部署和技術支持工程師 Vadim Zaremba 在 2020 年 11 月第一次訪問天然氣廠以評估未來工作範圍時說道。在檢查燃氣發動機並通過所有必要的安全檢查之後，2021 年初Vadim 和他的同事、技術支持專家 Raul Monteiro 以及所有必備的設備一起回到了天然氣廠。
在大多數情況下，物體的大小和複雜性決定要使用的3D掃描儀。Artec Ray被選為捕獲整個引擎的主要掃描儀，因為它能夠以亞毫米精度從遠處掃描大型物體，而無線手持式3D掃描儀Artec Leo被選為第二台設備，專門用於從發動機的較小零件和部分捕捉高層次的細節。
“GGM11 不僅是我們掃描過的最大物體，而且還是一個非常複雜的物體，”Zaremba 補充道。“它有許多空洞和難以觸及的地方，這就是為什麼需要兩台3D掃描才能擷取整個機器及其較小部件（並且需要兩個人操作）是必不可少的。”
▲依據物體的大小和複雜程度決定選用：Artec Ray 和 Artec Leo
計劃是，首先，用 Ray 盡可能多角度掃描引擎，捕捉整個物體，然後用 Leo 掃描任何缺失的、較小的、難以到達的部分。由於 Ray 以最大分辨率（點密度）掃描，為了節省一些時間，團隊決定分開。Zaremba 將 Ray 定位在不同位置，以一個特定角度進行空間3D掃描，距離發動機 5 到 15 米，而 Monteiro 則與 Leo 一起掃描發動機的較小部分（不在 Ray 的視野中）。然後 Zaremba 移動到下一個位置，Monteiro 緊隨其後，沿著相同的路線。
▲當Ray 靜靜地掃描引擎時，Zaremba 走開一兩分鐘使用Leo 近距離掃描更小的部分。
利用Artec Studio強大的處理能力
處理這麼大的物體本身就是一個挑戰。為確保所有數據都得到正確處理，Artec 3D 技術支持工程師 Dmitry Potoskuev 將流程分為幾個步驟：
首先從Ray 數據開始。他透過刪除掃描儀在掃描引擎時擷取的所有不必要資料（使用橡皮擦工具）來清理數據，例如天然氣廠大樓的部分、窗戶、牆壁和GGM11 周圍的各種其他設備。
然後，他透過使用橡皮擦工具擦除某些偵測中的特定數據，專注統整所有 18 次掃描中的飛輪和其他零件數據。這是必要的，因為在不同的日子進行了幾次掃描，並且在 GGM11 工作人員打開發動機進行演示時，飛輪和其他一些部件的位置發生了幾次變化。如果這些掃描只是按原樣合併在一起，這可能會導致一些不匹配。
之後，所有 Ray 掃描都透過全球登錄在彼此之間進行登錄後使用“Ray三角測量”算法將 18 次掃描中的每一次掃描處理成網格，多邊形邊長（最大）為 10 毫米。這樣做是為過濾所有頂點之間距離較大的表面，從而在之後獲得更詳細、更乾淨的表面。之後，所有 18 個三角網格都使用 Sharp Fusion 算法進行處理，以創建一個單一的網格，也就是引擎模型的“骨架”。
下一步是添加Leo 捕獲的所有細節。由於所有數據的大小(170 GB)，Potoskuev 將該過程分解為幾個步驟。
首先，他複製並鎖定原始的Ray 網格。複製的副本被簡化為5-10 百萬個多邊形後鎖定。這樣做是為了加快進一步的登錄過程。接下來，他將所有 Leo 掃描（掃描時分為17 組）上傳到複製的Ray 項目，並將每個掃描都登錄到單獨簡化的Ray 項目，以實現更高質量的數據對齊。
配準所有Leo 掃描後，Potoskuev 選擇原始Ray 網格和4-5 個原始配準Leo 掃描，並應用Sharp Fusion 算法創建新網格。他重複該過程，直到所有Leo 掃描都使用原始Ray 網格處理成燃氣發動機的最終網格。
最終的網格包含大約3.5 億個多邊形，然後使用孔填充工具、平滑畫筆和橋樑等功能將其減少到1000 萬個多邊形以進行進一步的後期處理。有史以來最大的燃氣發動機的總處理時間全部在兩週內完成，即實際時間的80 小時內。
談到他在製作模型時面臨的一些挑戰，Potoskuev 說：“時間絕對是最大的挑戰。這個項目太大，不僅掃描和處理需要很長時間，而且將數據從3D掃描儀傳輸到電腦，再到Artec Studio，可能需要長達5-6個小時……且僅是轉檔而已！我們談論的是近200 GB 的數據——這無疑是我們處理過的最大、最耗時的物件。”
但與最好的事情一樣，耐心是有回報的。“我從未參與過如此龐大的項目，”Potoskuev 說。“令人驚喜的是，借助我們今天擁有的 3D 掃描技術，如此巨大和難以接近的東西已經被數位化，包括最細微的細節。”
▲從 1940 年代一直到 2020 年代，Groussgasmaschinn 借助 3D 掃描技術的力量再次新生
最後的成果
雖然這項艱鉅的任務現已完成，但引擎的故事遠未結束。
“通過對這個巨大的引擎進行 3D 掃描，我們可以使用這些數據來恢復一些缺失的部件並將其保存在當前狀態，所以即使它隨著時間的推移失去了形狀，我們仍然可以回到這個 3D 模型並將它展示給我們未來的訪客，並將其用於修復目的，”盧森堡科學中心總裁兼總經理 Nicolas Didier 說。
“我們希望在 2027-28 年前完成引擎的翻新，並使其成為科學中心不可或缺的一部分，不僅中心的訪客可以看到，還可以與之互動。有了我們今年早些時候為未來技能計劃購買的兩台 Leo，我們的學生和教職員工也將能夠自己進行 3D 掃描！”
*資料來源:https://www.artec3d.com/cases/luxembourg-gas-engine
掃描大型物件及空間最完美的搭配 Artec Ray+Leo
Artec Ray
高精度遠距雷射3D掃描器，完美適用於大型物件的精準擷取。
Artec Ray遠距3D掃描器掃描速度快又準確，內置高端3D雷射技術，並擁有超大廣角，可迅速精準地完成大型物件計量級精度的捕獲，適合掃描如風力發電機、船用螺旋槳、飛機與建築等大型物件。Artec Ray可生成達亞毫米級測距精度的一流掃描品質，測角精度同樣首屈一指，其擷取的資料與其他遠距雷射掃描器相比，明顯乾淨許多，噪點水準降到最低，極大提高後期處理速度，省去諸多麻煩。
Artec LEO
高解析觸控螢幕，3D掃描影像直接呈現
Artec Leo為首款內建自動3D處理功能的手持式3D掃描器，掃描流程簡單易懂，讓3D掃描如同攝影般簡單。您可以在掃描物體時，親眼看到在Leo觸控面板上即時產生的3D掃描模型，並可旋轉3D模型，檢查已掃描的所有區域，並填補缺漏部位。
Artec Leo手持式3D掃描器掃描速度大幅突破
80 FPS 的3D重建速率使Artec Leo成為市場上最快速的專業手持式3D掃描器。 此外，Artec Leo的拍攝視角大幅提升，能夠快速準確地完成大型物體和場景的3D掃描處理。 若需要更高精度，使用者可以將3D掃描器靠近物件進而方便處理精緻的細節，如同使用攝像放大鏡頭，搭配Artec專利3D計算法生成最精確的3D模型 。
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