"그것은 우리가 스캔한 것 중 가장 큰 물체입니다!" Artec 3D, 룩셈부르크에서 거대한 가스 엔진을 스캔하다

현대의 전문 3D 스캐너는 나사나 사람의 치아와 같은 작은 것에서부터 차량, 실내 또는 건물 전체를 포함한 훨씬 크고 복잡한 물체까지 모든 유형의 물체를 캡처할 수 있습니다. 이러한 스캐너는 책상에서 편안하게 사용하거나 멀리 떨어진 곳, 심지어 전기가 들어오지 않거나 인터넷 연결이 안 되는 곳으로 가져갈 수도 있습니다.

하지만 항상 이런 것은 아니었습니다. 아주 최근까지 3D 스캐너는 일정한 전원과 강력한 컴퓨터가 있는 특정 조명 환경의 실내에서만 사용할 수 있었습니다. 이들 스캐너는 종종 부피가 크고 무거워서 스캔하는 동안 이동하면서 작업하기가 불가능하지는 않더라도 어려웠습니다. 가장 중요한 것은 이러한 스캐너는 흉상이나 화분과 같이 책상 위에 놓을 수 있는 제한된 크기의 물체만 캡처할 수 있었다는 것입니다. 대형 물체는 스캔하기 어렵거나, 시간이 오래 걸리거나 불가능했습니다.

이것이 2016년 룩셈부르크 과학 센터(Luxembourg Science Center)의 팀이 세계에서 가장 큰 고로 가스 엔진인 "Grouss gasmaschinn"이라고 불리는 룩셈부르크의 국가 기념물 중 하나를 디지털화하기로 했을 때의 상황이었습니다. 이 팀은 이렇게 큰 물체를 캡처할 수 있는 최선의 방법을 찾기 위해 룩셈부르크의 Artec 3D 본사에 있는 3D 스캐닝 전문가들에게 연락했습니다.

가스 엔진 #11

1938년 Ehrhardt & Sehmer가 건설한 Groussgasmaschinn 는 지금까지 건설된 것 중 가장 큰 가스 엔진이다.

1938년 독일의 제조회사인 Ehrhardt & Sehmer가 "Hauts-4neau et Aciéries de Differdange, St-Ingbert & Rumelange"(HADIR)라고 하는 프랑스-벨기에 컨소시엄의 주문으로 건설한 Groussgasmaschinn은 너무 커서 테니스 코트 전체가 들어가고도 남을 정도였다. 길이가 26m, 너비가 10.5m, 높이가 6.5m, 무게가 1,100t인 이 가스 엔진은 11,000마력 또는 최대 7,000kW를 생산할 수 있었으며, 각각 3,000L의 용량을 가진 4개의 실린더와 94rpm으로 회전하는 길이가 11m, 무게가 150t인 플라이휠이 있습니다. 이 엔진은 교대 조 당 12명의 작업자가 가동했으며, 수명 기간(1942~1979년) 동안 고로 가스(고로에서 코크스 연료의 연소로 인해 발생하는 폐기물)에서 6,000kW 이상의 전력을 생산했습니다.

1940 년 디페르당주 가스 플랜트(Differdange Gas Plant) 의 Groussgasmaschinn. 사진 제공: 룩셈부르크 과학 센터

룩셈부르크 시에서 남서쪽으로 27km 떨어진 룩셈부르크의 산업 도시인 디페르당주(Differdange)에 있는 현재는 세계 유수의 철강 및 광산 회사인 ArcelorMittal이 소유하고 있는 이전의 철강 생산 공장에 있는 이 1,100t 규모의 산업 걸작은 한때 호황을 누렸던 이제는 과거가 된 룩셈부르크 철강 산업 시대의 마지막 목격자입니다.

그것은 1896년부터 1940년대 사이에 디페르당주 가스 엔진 공장에 설치된 다양한 크기와 마력의 다른 14개 가스 기계 중 하나였으며, 그 중 Groussgasmaschinn이 가장 컸습니다. 이 엔진은 제2차 세계대전 중 룩셈부르크 대공국이 독일에 점령된 지 2년 만인 1942년 5월에 설치되어 본격 가동되었습니다. 나치 점령에도 불구하고 전쟁 내내 가스 플랜트 주변에는 정전, 폭격 또는 설치된 폭발물이 없었습니다. 그리고 전쟁이 끝났을 때 가스 엔진은 그대로 남아있었습니다.

이 엔진은 지금까지 건설된 것 중 가장 컸을 뿐만 아니라 더 효율적이고 쉽게 사용할 수 있는 증기 터빈의 출현으로 인해 아마도 마지막 엔진 중 하나였을 것입니다. 1979년 폐쇄된 후 Groussgasmaschinn은 거의 30년 동안 버려져 있었습니다. 2007년 룩셈부르크 문화부가 보존 및 복원할 가치가 있는 국가 기념물로 지정하면서 잊힐 뻔하다가 돌아왔습니다. Groussgasmaschinn Association(룩셈부르크 과학 센터로 발전)과 이 프로젝트의 후원사 역할을 한 "GGM11"이라는 비상장 회사의 지원 덕분에 복원 작업은 5년이 지난 2012년에 시작되었고 지금도 진행 중입니다.

이 기간에 룩셈부르크 과학 센터는 이 거대한 엔진을 최상의 형태로 복원하는 것뿐만 아니라 미래 세대를 위해 디지털 방식으로 보존하는 아이디어를 개발했습니다. 2016년에 이 센터는 룩셈부르크의 Artec 3D에 도움을 요청했지만, 당시 가능했던 최고의 스캐닝 기술로도 이렇게 거대한 물체를 캡처할 수 없었습니다. 몇 년 후, 새로운 3D 스캐닝 옵션이 개발되어 사용 가능해짐에 따라 Artec은 이와 같은 거대한 물체를 스캔할 준비가 되었습니다.

룩셈부르크 과학 센터의 Nicolas Didier 회장 겸 총관리자는 "우리는 오랫동안 이 엔진을 스캔하려고 했으며 마침내 이 기술이 우리를 도울 수 있게 되어 기쁩니다. 이것과 같은 다른 가스 엔진은 없으며 현재 상태로 그것을 캡처하는 것이 중요합니다.

"이 데이터는 3D 스캔에서 누락된 일부 부품과 요소를 재생성하여 복원 과정에 도움이 될 뿐만 아니라, 원격 방문자에게 GGM11을 보여주고 3D 스캐닝과 같은 혁신적인 기술의 잠재력을 보여줄 수 있는 좋은 방법입니다. 올해 후반에 센터에서 소개하고 가르칠 계획입니다.”라고 말했습니다.

대형 물체 스캐닝

"그것은 우리가 스캔한 것 중 가장 큰 물체입니다!" 그리고 제가 예상했던 것보다 훨씬 더 큽니다.”라고 2020년 11월에 향후 작업 범위를 평가하기 위해 이 가스 플랜트를 처음 방문했을 때 말했습니다. 2021년 초 가스 엔진을 검사하고 필요한 보안 절차를 모두 통과한 후, Vadim은 동료인 기술 지원 전문가 Raul Monteiro와 함께 필요한 모든 장비를 갖고 가스 플랜트로 다시 갔습니다.

대부분의 경우처럼 물체의 크기와 복잡도에 따라 사용할 스캐너가 결정됩니다. Artec Ray는 서브밀리미터의 정확도로 큰 물체를 멀리서 스캔할 수 있기 때문에 전체 엔진을 캡처하기 위한 주 스캐너로 선택되었으며, 무선 휴대용 3D 스캐너인 Artec Leo는 특히 엔진의 작은 부품과 부분에서 높은 수준의 디테일을 캡처하기 위한 보조 장치로 선택되었습니다.

Zaremba는 "GGM11은 우리가 스캔한 것 중 가장 큰 물체일 뿐만 아니라 매우 복잡한 물체입니다. 구멍이 많고 접근하기 어려운 곳이 많기 때문에 기계 전체와 작은 부품을 고화질로 캡처할 수 있는 두 대의 스캐너(그리고 스캐너를 작동할 두 사람)가 필요했습니다.”라고 덧붙였습니다.

물체의 크기와 복잡도로 인해 Artec Ray 와 Artec Leo 를 스캐닝에 사용하기로 했다.

계획은 먼저 Ray로 가능한 한 다양한 각도에서 엔진을 스캔하고 전체 물체를 캡처한 다음 Leo로 누락되거나 작고 접근하기 어려운 부분을 스캔하는 것이었습니다. Ray는 최대 해상도(포인트 밀도)로 스캔했기 때문에 시간을 절약하기 위해 팀을 나누기로 했습니다. Zaremba는 Ray를 엔진에서 5~15m 떨어진 곳에서 특정 각도로 다양한 위치에 배치하고 있었고 Monteiro는 Leo를 사용하여 (Ray의 시야에 들어오지 않은) 엔진의 작은 부분을 스캔하고 있었습니다. 그런 다음 Zaremba는 다음 지점으로 이동했고 Monteiro는 같은 경로를 따라 뒤를 따랐습니다.

Ray 가 조용히 엔진을 스캔하는 동안 Zaremba 가 1~2 분 동안 자리를 옮겨 Leo 로 작은 부분을 가까이에서 스캔하고 있다.

가장 어려운 작업 중 하나는 위에서 엔진을 스캔하는 작업이었습니다. 이 작업을 수행하기 위해 팀은 바닥에서 10m 높이에 조종실이 매달려 있는 1940년대에서 1950년대에 건설된 특별한 다리를 올라야 했는데, 이 다리가 여러 각도에서 엔진을 스캔하기에 적합한 지점이었기 때문입니다. 그것은 말이 쉽지 실행하기 어려웠습니다. 다리는 낡고 불안정했으며, 두 사람과 3D 스캐너의 무게로 인해 그러한 기초는 고품질 스캔을 만드는 데 도움이 되지 않았습니다. 스캔 데이터에 결함이 없도록 하기 위해 Zaremba와 Monteiro는 스캐너가 작동하는 동안 몇 분 간 그대로 가만히 있어야 했습니다.

전체적으로 팀이 프로젝트를 완료하는 데 영업일 기준 4일이 걸렸으며 매일 3~4시간씩 활발하게 스캔했습니다. 엔진은 Artec Ray로 18개의 다른 각도에서 스캔하였고, 이 스캔들은 나중에 Artec Studio에서 Artec Leo로 만든 67개의 스캔과 결합하였습니다. 프로젝트의 최종 크기는 Leo 스캔 170GB과 Ray 스캔 16GB을 합해 총 186GB이었습니다.

강력한 처리

이렇게 큰 물체를 처리하는 것 자체가 어려운 일이었습니다. Artec 3D 기술 지원 엔지니어인 Dmitry Potoskuev는 모든 데이터가 올바르게 처리되도록 프로세스를 여러 묶음으로 분할했습니다.

먼저 Ray 데이터로 시작했습니다. 그는 가스 발전소 건물의 일부, 창문, 벽 및 GGM11 주변의 다양한 다른 장비와 같이 엔진을 스캔하는 동안 (지우개 도구를 사용하여) 스캐너가 선택한 불필요한 물체를 모두 제거하여 데이터를 정리했습니다.

그런 다음 지우개 도구를 사용하여 일부 프레임에서 특정 데이터를 지워 플라이휠 및 기타 부품 데이터를 18개 스캔 전체에서 통합하는 데 주력했습니다. 이 작업은 여러 날에 여러 번의 스캔이 수행되었고 시연을 위해 GGM11 직원이 엔진을 켤 때 플라이휠과 몇 가지 다른 부품의 위치가 몇 번 바뀌었기 때문에 필요했습니다. 스캔을 있는 그대로 병합한 경우 일부 불일치가 발생할 수 있습니다.

그 후 모든 Ray 스캔은 전역 정합을 거쳐 서로 간에 정합되었습니다. 그런 다음 (최대) 다각형 가장자리 길이가 10mm인 "Ray 스캔 삼각 측량” 알고리즘을 사용하여 18개 스캔을 각각 메시로 처리했습니다. 이 작업은 꼭짓점 사이의 거리가 먼 모든 표면을 걸러내어 결과적으로 더 세밀하고 깨끗한 표면을 얻기 위해 행해졌습니다. 그 후, Sharp Fusion 알고리즘을 사용하여 18개의 삼각형 메시를 모두 처리하여 일명 "골격"이라고 하는 엔진 모델의 단일 메시를 생성했습니다.

다음 단계는 Leo로 캡처한 모든 디테일을 추가하는 것이었습니다. 모든 데이터의 크기(170GB) 때문에 Potoskuev는 프로세스를 여러 단계로 나누었습니다.

먼저, 그는 원래의 Ray 메시를 복제하고 잠갔습니다. 복제된 사본은 500만~1,000만 개의 다각형으로 단순화하여 잠갔습니다. 이는 추가 등록 프로세스를 고정하기 위해 행해졌습니다. 그런 다음 (스캔 중 17개 그룹으로 나누어진) 모든 Leo 스캔을 복제된 Ray 프로젝트에 업로드하고, 각각의 스캔은 데이터의 고품질 정렬을 위해 별도로 단순화된 Ray 프로젝트에 정합하였습니다.

모든 Leo 스캔이 정합된 후 Potoskuev는 원래의 Ray 메시와 4~5개의 원시 정합 Leo 스캔을 선택하고 Sharp Fusion 알고리즘을 적용하여 새 메시를 생성했습니다. 그는 모든 Leo 스캔이 원래의 Ray 메시로 가스 엔진의 최종 메시로 처리될 때까지 그 과정을 반복했습니다.

최종 메시는 약 3억 5천만 개의 다각형으로 구성되었으며 구멍 채우기 도구, 부드러운 브러시 및 브리지와 같은 기능을 사용하여 추가 후처리를 위해 1,000만 개의 다각형으로 줄였습니다. 지금까지 만들어진 것 중 가장 큰 가스 엔진의 총 처리 시간은 얼마나 될까요? 모두 2주 또는 실제 시간으로 80시간 이내에 완료되었습니다.

Groussgasmaschinn 의 최종 다각형 3D 모델

모델을 작업하는 동안 직면했던 몇 가지 문제에 대해 말하면서 Potoskuev는 "시간은 분명히 가장 큰 문제이었습니다. 이 프로젝트는 너무 커서 스캐닝과 처리에 오랜 시간이 걸렸을 뿐만 아니라 스캐너에서 컴퓨터로 그리고 나서 Artec Studio로 데이터를 전송하는 데 5~6시간이 걸릴 수 있었습니다. 그냥 전송하는 데만 말입니다! 데이터는 200GB에 가까웠습니다. 이는 지금까지 처리한 것 중 가장 크고 시간이 오래 걸리는 물체임이 틀림없습니다."라고 말했습니다.

하지만, 최고의 것들이 그러하듯이, 인내는 결실을 봅니다. Potoskuev는 "저는 이렇게 큰 프로젝트를 해본 적이 없습니다. "오늘날 우리가 가지고 있는 3D 스캐닝 기술로 그토록 방대하고 접근할 수 없는 것을 가장 미세한 부분까지 디지털화했다는 것은 놀라운 일입니다."라고 말했습니다.

1940 년대부터 2020 년까지 Groussgasmaschinn 은 3D 스캐닝 기술의 힘 덕분에 두 번째로 소생했다.

최종 결과

이 방대한 작업은 이제 완료되었지만, 엔진 이야기는 아직 끝나지 않았습니다.

룩셈부르크 과학 센터의 회장 겸 총관리자인 Nicolas Didier는 "이 거대한 엔진을 3D 스캔하면 얻은 데이터를 사용하여 일부 누락된 부품을 복원하고 현재 상태를 보존할 수 있습니다. 따라서 시간이 지남에 따라 엔진이 형태를 잃더라도 이 3D 모델을 미래의 방문객들에게 보여주고 복원 목적으로 사용할 수 있습니다.

우리는 2027~2028년까지 엔진 개조를 완료하여 방문객들이 그것을 볼 수 있게 할 뿐만 아니라 상호 교류할 수 있는 인터랙티브 스테이션 중 하나인 룩셈부르크 과학 센터의 필수적인 부분으로 만들기를 바라고 있습니다. 그리고 올해 초 미래 기술(Future Skills) 프로그램을 위해 구매한 2개의 Leo를 사용하여 학생과 교직원이 직접 3D 스캔을 할 수 있을 것입니다!"라고 말했습니다.