“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

3D扫描仪

*旧版扫描仪。将Artec Ray升级至Ray II。

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。”