ความท้าทาย: เพื่อสแกน 3D ทั้งหมด 26 เมตรของเครื่องยนต์ก๊าซจากเตาหลอมที่ใหญ่ที่สุดในโลก

วิธีแก้ปัญหา: Artec Leo, Artec Ray, Artec Studio

ผลลัพธ์: แบบจำลอง 3D โพลิกอนขนาดเต็ม 300 ล้านของอนุสรณ์สถานแห่งชาติที่จะได้รับการอนุรักษ์แบบดิจิทัลสำหรับคนรุ่นอนาคต

สแกนเนอร์ 3D ระดับมืออาชีพที่ทันสมัยสามารถจับภาพวัตถุได้ทุกประเภท ตั้งแต่สิ่งเล็ก ๆ เช่น สกรูหรือฟันมนุษย์ ไปจนถึงวัตถุที่ใหญ่กว่าและซับซ้อนกว่ามาก รวมถึงยานพาหนะ, ห้อง หรือแม้แต่อาคารทั้งหลัง คุณสามารถใช้งานได้จากความสะดวกสบายบนโต๊ะทำงานของคุณเอง หรือพกพาไปยังสถานที่ห่างไกล แม้กระทั่งสถานที่ที่ไม่มีปลั๊กไฟหรือการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต

มันไม่ได้เป็นแบบนี้เสมอไป จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ สแกนเนอร์ 3D สามารถใช้ได้ในอาคารภายใต้สภาพแสงบางอย่างเท่านั้น โดยมีแหล่งพลังงานที่คงที่และคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลัง พวกมันมักจะเทอะทะและหนัก ทำให้ยากหรือเป็นไปไม่ได้ในการเคลื่อนที่ขณะสแกน สิ่งสำคัญที่สุดคือ สแกนเนอร์ดังกล่าวสามารถจับภาพวัตถุที่มีขนาดจำกัดเท่านั้น ซึ่งเป็นวัตถุที่มีขนาดพอดีกับโต๊ะของคุณ เช่น รูปปั้นครึ่งตัวหรือกระถางดอกไม้ อะไรก็ตามที่ใหญ่กว่านั้นก็ยากเกินไป ใช้เวลานานเกินไป หรือสแกนไม่ได้เลย

นี่คือสถานการณ์ที่ทีมงานที่ศูนย์วิทยาศาสตร์ลักเซมเบิร์กพบว่าตัวเองต้องย้อนกลับไปในปี 2016 เมื่อพวกเขาตัดสินใจแปลงอนุสรณ์สถานแห่งชาติแห่งหนึ่งของลักเซมเบิร์กให้เป็นดิจิทัล ซึ่งเรียกว่า “Groussgasmaschinn” ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ก๊าซจากเตาหลอมเหล็กที่ใหญ่ที่สุดในโลก เพื่อหาวิธีที่ดีที่สุดในการจับภาพวัตถุที่มีขนาดใหญ่เท่านี้ พวกเขาติดต่อผู้เชี่ยวชาญด้านการสแกน 3Dที่สำนักงานใหญ่ Artec 3D ในลักเซมเบิร์ก

Gas Engine #11

Groussgasmaschinn สร้างขึ้นในปี 1938 โดย Ehrhardt & Sehmer เป็นเครื่องยนต์แก๊สที่ใหญ่ที่สุดที่เคยสร้างมา

Groussgasmaschinn สร้างขึ้นในปี 1938 โดยบริษัทผู้ผลิตสัญชาติเยอรมัน Ehrhardt & Sehmer ตามคำสั่งของสมาคมฝรั่งเศส-เบลเยียมชื่อ “Hauts-fourneaux et Aciéries de Differdange, St-Ingbert & Rumelange” (HADIR) Groussgasmaschinn มีขนาดใหญ่จนสามารถบรรจุสนามเทนนิสทั้งสนามได้ แล้วบางส่วน มีความยาว 26 เมตร กว้าง 10.5 เมตร สูง 6.5 เมตร หนัก 1,100 ตัน และสามารถผลิตกำลังได้ 11,000 แรงม้า หรือมากถึง 7,000 กิโลวัตต์ มีสี่กระบอกสูบ แต่ละอันมีความจุ 3,000 ลิตร และมู่เล่ยาว 11 เมตรและ 150 ตัน ซึ่งหมุนที่ 94 รอบต่อนาที เครื่องยนต์ทำงานโดยคนงาน 12 คนต่อกะ และตลอดอายุการใช้งาน (1942-1979) ผลิตพลังงานได้มากกว่า 6,000 กิโลวัตต์จากก๊าซเตาหลอม (ของเสียที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงโค้กในเตาหลอมเหล็ก)

Groussgasmaschinn ในโรงงานก๊าซ Differdange ในปี 1940 ได้รับความอนุเคราะห์จากศูนย์วิทยาศาสตร์ลักเซมเบิร์ก

ตั้งอยู่ใน Differdange เมืองอุตสาหกรรมของลักเซมเบิร์ก ห่างจากเมืองลักเซมเบิร์กไปทางตะวันตกเฉียงใต้ 27 กิโลเมตร ในโรงงานผลิตเหล็กเก่าที่ปัจจุบันเป็นเจ้าของโดย ArcelorMittal บริษัทเหล็กและเหมืองแร่ชั้นนำของโลก ผลงานชิ้นเอกทางอุตสาหกรรมขนาด 1,100 ตันชิ้นนี้ถือเป็นพยานคนสุดท้ายของความเฟื่องฟูที่ครั้งหนึ่งได้หายไปแล้ว ยุคของอุตสาหกรรมเหล็กลักเซมเบิร์ก

เป็นหนึ่งในเครื่องจักรก๊าซขนาดต่าง ๆ และแรงม้า 14 เครื่องที่ติดตั้งในโรงงานเครื่องยนต์ก๊าซ Differdange ระหว่างปี 1896 ถึง 1940 โดย Groussgasmaschinn เป็นเครื่องที่ใหญ่ที่สุด เครื่องยนต์ได้รับการติดตั้งและใช้งานเต็มรูปแบบในเดือนพฤษภาคม 1942 สองปีหลังจากที่ราชรัฐลักเซมเบิร์กถูกยึดครองโดยเยอรมนีในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 แม้จะมีการยึดครองของนาซี แต่ก็ไม่มีการหยุดชะงักของการบริการ การทิ้งระเบิด หรือวัตถุระเบิดในบริเวณใกล้เคียงกับโรงแก๊สเลยตลอดช่วงสงคราม และเมื่อสิ้นสุดสงคราม เครื่องยนต์แก๊สก็เหลือสภาพเดิม

เครื่องยนต์ไม่ได้เป็นเพียงเครื่องยนต์ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา แต่อาจเป็นหนึ่งในเครื่องยนต์รุ่นสุดท้ายด้วยเช่นกัน เนื่องจากการเกิดขึ้นของกังหันไอน้ำที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและพร้อมใช้งาน หลังจากปิดตัวลงในปี 1979 Groussgasmaschinn ก็ยังคงถูกทิ้งร้างเป็นเวลาเกือบ 30 ปี มันกลับมาจากการลืมเลือนในปี 2007 เมื่อกระทรวงวัฒนธรรมของลักเซมเบิร์กกำหนดให้เป็นอนุสรณ์สถานแห่งชาติที่ควรค่าแก่การอนุรักษ์และบูรณะ ด้วยการสนับสนุนจากสมาคม Groussgasmaschinn (พัฒนาต่อไปเป็นศูนย์วิทยาศาสตร์ลักเซมเบิร์ก) และบริษัทเอกชนชื่อ “GGM11” ซึ่งทำหน้าที่เป็นผู้สนับสนุนโครงการ งานบูรณะเริ่มขึ้นในอีก 5 ปีต่อมาในปี 2012 และยังคงดำเนินต่อไป

ในช่วงเวลานี้เองที่ศูนย์ได้พัฒนาแนวคิดที่ไม่ใช่แค่การฟื้นฟูเครื่องยนต์ขนาดมหึมาให้กลับเป็นรูปร่างที่ดีที่สุด แต่ยังรวมถึงการเก็บรักษาแบบดิจิทัลสำหรับคนรุ่นต่อไปในอนาคตด้วย ในปี 2016 พวกเขาติดต่อ Artec 3D ในประเทศลักเซมเบิร์ก แต่แม้แต่เทคโนโลยีการสแกนที่ดีที่สุดที่มีอยู่ในขณะนั้น ก็ยังจับภาพขนาดใหญ่ขนาดนี้ไม่ได้ ก้าวไปข้างหน้าอย่างรวดเร็วไม่กี่ปี และด้วยตัวเลือกการสแกน 3D ใหม่ที่พัฒนาและพร้อมใช้งาน Artec ก็พร้อมที่จะสแกนวัตถุที่มีขนาดใหญ่เท่านี้

“เราตั้งใจที่จะสแกนเครื่องมือนี้มานานแล้ว และเราดีใจที่ในที่สุดเทคโนโลยีก็มาช่วยเราในการดำเนินการ ไม่มีเครื่องยนต์แก๊สอื่นใดเหมือนเครื่องยนต์นี้ และจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องจับภาพเครื่องยนต์ในสภาพปัจจุบัน” Nicolas Didier ประธานและผู้จัดการทั่วไปของศูนย์วิทยาศาสตร์ลักเซมเบิร์กกล่าว

“ข้อมูลนี้ไม่เพียงช่วยเราในกระบวนการฟื้นฟูโดยสามารถสร้างชิ้นส่วนและองค์ประกอบที่ขาดหายไปจากการสแกน 3D ได้ แต่ยังเป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการแสดง GGM11 ต่อผู้เข้าชมระยะไกลของเรา ตลอดจนแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมดังกล่าว ในรูปแบบการสแกน 3D ซึ่งเราวางแผนที่จะเปิดตัวและสอนที่ศูนย์ในปลายปีนี้”

สแกนขนาดใหญ่

“มันเป็นวัตถุที่ใหญ่ที่สุดที่เราเคยสแกนมา! และใหญ่กว่าที่ฉันคาดไว้มาก” Vadim Zaremba วิศวกรการปรับใช้และการสนับสนุนด้านเทคนิคของ Artec 3D กล่าวเมื่อเขาเยี่ยมชมโรงงานก๊าซเป็นครั้งแรกเพื่อประเมินขอบเขตของงานในอนาคตในเดือนพฤศจิกายน 2020 หลังจากตรวจสอบเครื่องยนต์แก๊สและผ่านการรักษาความปลอดภัยที่จำเป็นทั้งหมด ขั้นตอนในต้นปี 2021 Vadim กลับไปที่โรงงานก๊าซพร้อมกับเพื่อนร่วมงาน ผู้เชี่ยวชาญด้านการสนับสนุนทางเทคนิค Raul Monteiro และอุปกรณ์ที่จำเป็นทั้งหมด

ในกรณีส่วนใหญ่ ขนาดและความซับซ้อนของวัตถุจะเป็นตัวกำหนดสแกนเนอร์ที่จะใช้ Artec Ray ได้รับเลือกให้เป็นสแกนเนอร์หลักในการจับภาพเครื่องยนต์ทั้งหมด เนื่องจากความสามารถในการสแกนวัตถุขนาดใหญ่จากระยะไกลด้วยความแม่นยำในระดับมิลลิเมตร ในขณะที่ Artec Leo ซึ่งเป็นเครื่องสแกน 3D แบบพกพาแบบไร้สาย ได้รับเลือกให้เป็นอุปกรณ์ที่สองโดยเฉพาะสำหรับ จับรายละเอียดระดับสูงจากชิ้นส่วนและส่วนต่าง ๆ ของเครื่องยนต์

“GGM11 ไม่ใช่แค่วัตถุที่ใหญ่ที่สุดที่เราเคยสแกนเท่านั้น แต่ยังเป็นวัตถุที่ซับซ้อนมากด้วย” Zaremba กล่าวเสริม “มีโพรงจำนวนมากและอยู่ในจุดที่ยากต่อการเข้าถึง นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการมีเครื่องสแกน 2 เครื่องที่สามารถจับภาพทั้งเครื่องและชิ้นส่วนขนาดเล็กด้วยความละเอียดสูง (และด้วยคนสองคนที่ควบคุมเครื่อง) จึงเป็นสิ่งจำเป็น”

ขนาดและความซับซ้อนของวัตถุเป็นตัวกำหนดเครื่องสแกนที่จะใช้: Artec Ray และ Artec Leo

แผนแรกคือการสแกนเครื่องยนต์ด้วย Ray จากมุมต่าง ๆ ให้ได้มากที่สุด เพื่อจับภาพวัตถุทั้งหมด จากนั้นกลับไปสแกนส่วนที่ขาดหายไป มีขนาดเล็กลง และยากต่อการเข้าถึงด้วย Leo เนื่องจาก Ray กำลังสแกนที่ความละเอียดสูงสุด (ความหนาแน่นของจุด) เพื่อประหยัดเวลา ทีมงานจึงตัดสินใจแยกทางกัน Zaremba วางตำแหน่ง Ray ในตำแหน่งต่าง ๆ ในมุมหนึ่ง ห่างจากเครื่องยนต์ 5 ถึง 15 เมตร ขณะที่ Monteiro กำลังสแกนส่วนเล็ก ๆ ของเครื่องยนต์ (ซึ่งไม่ได้อยู่ในขอบเขตการมองเห็นของ Ray) กับ Leo จากนั้นซาเรมบาก็ไปยังจุดถัดไป และมอนเตโรก็ตามมาตามเส้นทางเดิม

ในขณะที่ Ray สแกนเครื่องยนต์อย่างเงียบ ๆ Zaremba ก้าวออกไป 1 หรือ 2 นาทีเพื่อสแกนส่วนที่เล็กกว่าใกล้กับ Leo

หนึ่งในงานที่ท้าทายที่สุดคือการสแกนเครื่องยนต์จากด้านบน เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ทีมงานต้องปีนสะพานพิเศษที่สร้างขึ้นในช่วงปี 1940-1950 ซึ่งมีห้องโดยสารที่ลอยอยู่เหนือพื้น 10 เมตร เนื่องจากเป็นจุดที่เหมาะสำหรับการสแกนเครื่องยนต์จากหลาย ๆ มุม พูดง่ายกว่าทำ สะพานเก่าและไม่มั่นคง และภายใต้น้ำหนักของคนสองคนบวกกับเครื่องสแกน 3D รากฐานดังกล่าวไม่เอื้อต่อการสร้างงานสแกนคุณภาพสูง เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลการสแกนไม่มีที่ติ Zaremba และ Monteiro ต้องอยู่นิ่ง ๆ เป็นเวลาหลายนาทีในขณะที่เครื่องสแกนทำงาน

โดยรวมแล้ว ทีมงานใช้เวลา 4 วันทำการในการดำเนินโครงการให้เสร็จสิ้น โดยมีกะทำงานสแกน 3-4 ชั่วโมงทุกวัน เครื่องยนต์ได้รับการสแกนจาก 18 มุมที่แตกต่างกันด้วย Artec Ray และต่อมาได้รวมการสแกนเหล่านี้ใน Artec Studio ด้วยการสแกนอีก 67 รายการที่ทำโดย Artec Leo ขนาดสุดท้ายของโครงการรวมเป็น 186 GB โดยมี Leo scans 170 GB และ Ray scans 16 GB

การประมวลผลที่ทรงพลัง

การประมวลผลวัตถุที่ใหญ่เท่านี้ถือเป็นความท้าทายในตัวเอง เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลทั้งหมดได้รับการประมวลผลอย่างถูกต้อง Artec 3D Tech Support Engineer Dmitry Potoskuev ได้แบ่งกระบวนการออกเป็นหลายชุด:

เขาเริ่มต้นด้วยข้อมูล Ray ก่อน เขาทำความสะอาดข้อมูลโดยการลบวัตถุที่ไม่จำเป็นทั้งหมดที่เครื่องสแกนหยิบขณะสแกนเครื่องยนต์ (โดยใช้เครื่องมือ Eraser) เช่น ส่วนของอาคารโรงไฟฟ้า, หน้าต่าง, ผนัง และอุปกรณ์อื่น ๆ รอบ GGM11

จากนั้นเขามุ่งเน้นไปที่การรวมล้อตุนกำลังและข้อมูลส่วนอื่น ๆ เข้าด้วยกันในการสแกนทั้ง 18 ครั้งโดยการลบข้อมูลเฉพาะจากบางเฟรมโดยใช้เครื่องมือ Eraser สิ่งนี้จำเป็นเนื่องจากมีการสแกนหลายครั้งในวันต่าง ๆ กัน และตำแหน่งของล้อตุนกำลังและชิ้นส่วนอื่น ๆ บางส่วนก็เปลี่ยนไปสองสามครั้งเมื่อเจ้าหน้าที่ GGM11 เปิดเครื่องยนต์เพื่อทำการสาธิต ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดความไม่ตรงกันหากการสแกนเหล่านั้นถูกรวมเข้าด้วยกันอย่างที่เป็นอยู่

หลังจากนั้น การสแกนเรย์ทั้งหมดจะผ่านการลงทะเบียนทั่วโลกเพื่อลงทะเบียนระหว่างกัน จากนั้นการสแกนแต่ละรายการจากทั้งหมด 18 รายการจะถูกประมวลผลเป็นตาข่ายโดยใช้อัลกอริทึม “สามเหลี่ยมการสแกนด้วยรังสี” ที่มีความยาวขอบโพลิกอน (สูงสุด) ที่ 10 มม. การดำเนินการนี้ทำขึ้นเพื่อกรองพื้นผิวทั้งหมดที่มีระยะห่างระหว่างจุดยอดมาก และส่งผลให้ได้พื้นผิวที่ละเอียดและสะอาดขึ้นในภายหลัง หลังจากนั้น ตาข่ายสามเหลี่ยมทั้ง 18 ชิ้นได้รับการประมวลผลโดยใช้อัลกอริทึม Sharp Fusion เพื่อสร้างตาข่ายเดียวหรือที่เรียกว่า “โครงร่าง” ของโมเดลเครื่องยนต์

ขั้นตอนต่อไปคือการเพิ่มรายละเอียดทั้งหมดที่บันทึกด้วย Leo เนื่องจากขนาดของข้อมูลทั้งหมด (170 GB) Potoskuev จึงแบ่งกระบวนการออกเป็นหลายขั้นตอน

ขั้นแรก เขาทำซ้ำและล็อคตาข่าย Ray เดิม สำเนาที่ทำซ้ำถูกทำให้ง่ายขึ้นเป็น 5-10 ล้านโพลิกอนและล็อคด้วย สิ่งนี้ทำขึ้นเพื่อเร่งขั้นตอนการลงทะเบียนเพิ่มเติม จากนั้น เขาอัปโหลดการสแกนของ Leo ทั้งหมด (แบ่งออกเป็น 17 กลุ่มระหว่างการสแกน) ไปยังโครงการ Ray ที่ทำซ้ำ และแต่ละรายการได้รับการลงทะเบียนกับโครงการ Ray ที่ง่ายขึ้นแยกกันเพื่อการจัดตำแหน่งข้อมูลที่มีคุณภาพสูงขึ้น

หลังจากลงทะเบียน Leo scan ทั้งหมดแล้ว Potoskuev ได้เลือก Ray mesh ดั้งเดิมและ Leo scan ที่ลงทะเบียนดิบ 4-5 รายการ และใช้อัลกอริทึม Sharp Fusion เพื่อสร้าง mesh ใหม่ เขาทำซ้ำขั้นตอนจนกระทั่ง Leo สแกนทั้งหมดได้รับการประมวลผลด้วยตาข่าย Ray ดั้งเดิมเป็นตาข่ายสุดท้ายของเครื่องยนต์แก๊ส

เมชขั้นสุดท้ายประกอบด้วยโพลิกอนประมาณ 350 ล้านรูป ซึ่งจากนั้นจะลดลงเหลือ 10 ล้านโพลิกอนสำหรับการประมวลผลภายหลัง โดยใช้คุณสมบัติต่าง ๆ เช่น เครื่องมืออุดรู, Smooth Brush และ Bridges เวลาประมวลผลทั้งหมดสำหรับเครื่องยนต์แก๊สที่ใหญ่ที่สุดที่เคยสร้างมา? ทั้งหมดเสร็จสิ้นภายใน 2 สัปดาห์ หรือ 80 ชั่วโมงตามเวลาจริง

โมเดล 3D โพลิกอนสุดท้ายของ Groussgasmaschinn

Potoskuev พูดถึงความท้าทายบางอย่างที่เขาเผชิญขณะทำงานกับโมเดลว่า “เวลาเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดอย่างแน่นอน โปรเจกต์นี้ใหญ่มาก ไม่เพียงแต่การสแกนและประมวลผลที่ใช้เวลานานเท่านั้น แต่การถ่ายโอนข้อมูลจากเครื่องสแกนไปยังคอมพิวเตอร์ แล้วส่งไปยัง Artec Studio อาจใช้เวลานานถึง 5-6 ชั่วโมง…เพียงเพื่อ โอน! เรากำลังพูดถึงข้อมูลเกือบ 200 กิกะไบต์ ซึ่งเป็นอ็อบเจกต์ที่ใหญ่ที่สุดและใช้เวลานานที่สุดที่เราประมวลผลอย่างแน่นอน”

แต่เช่นเดียวกับสิ่งที่ดีที่สุด ความอดทนจะคุ้มค่า “ฉันไม่เคยทำงานในโครงการขนาดใหญ่เท่านี้มาก่อน” Potoskuev กล่าว “มันน่าทึ่งมากที่เทคโนโลยีการสแกน 3D ที่เรามีอยู่ทุกวันนี้ บางสิ่งบางอย่างที่กว้างใหญ่และไม่สามารถเข้าถึงได้ได้ถูกแปลงเป็นดิจิทัลจนถึงรายละเอียดที่ดีที่สุด”

จากปี 1940 จนถึงปี 2020 Groussgasmaschinn ได้รับลมหายใจอีกครั้งด้วยพลังของเทคโนโลยีการสแกน 3D

ผลลัพธ์สุดท้าย

แม้ว่าภารกิจอันยิ่งใหญ่นี้จะเสร็จสิ้นลงแล้ว แต่เรื่องราวของเครื่องยนต์นั้นยังไม่สิ้นสุด

“ด้วยการสแกน 3D ของเครื่องยนต์ขนาดมหึมานี้ เราสามารถใช้ข้อมูลนี้เพื่อกู้คืนชิ้นส่วนที่ขาดหายไปบางส่วนและรักษาไว้ในสถานะปัจจุบัน ดังนั้นแม้ว่าโมเดลจะสูญเสียรูปร่างไปตามกาลเวลา เราก็ยังสามารถกลับไปที่โมเดล 3D นี้และแสดงให้เราเห็นได้ ผู้มาเยือนในอนาคต และใช้เพื่อจุดประสงค์ในการบูรณะ” Nicolas Didier ประธานและผู้จัดการทั่วไปของ Luxembourg Science Center กล่าว

“เราหวังว่าจะปรับปรุงเครื่องยนต์ให้เสร็จภายในปี 2027-28 และทำให้มันเป็นส่วนหนึ่งของศูนย์วิทยาศาสตร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในสถานีแบบอินเทอร์แอคทีฟที่ผู้เข้าชมของเราไม่เพียงแค่เห็นเท่านั้น แต่ยังสามารถโต้ตอบด้วยได้อีกด้วย และด้วย Leo สองตัวที่เราซื้อเมื่อต้นปีนี้สำหรับโปรแกรมทักษะแห่งอนาคต นักเรียนและเจ้าหน้าที่ของเราจะสามารถสแกน 3D ได้ด้วยตัวเอง!”