Artec Eva揭秘后维京时代埋藏829年之久的沉船秘密

概要:一支德国小型海洋考古学家团队正在与时间赛跑,他们需要在冬天来临前,为古沉船228条木材进行清理、扫描、标注和照相工作。

目标:使用专业手持式3D扫描仪,在5-10分钟内,清晰捕获26.2英尺(8米)长的木材四个表面,随后加工并标注3D模型,以收录木材详细信息。

使用工具:Artec Eva、Artec Space Spider

在德国Mecklenburg-Western Pomerania扩建维斯马港口时,考古学家发现了几艘沉船。其中之一,也是最新发现的一艘,仅位于水下9.8英尺(3米)的距离。

因为海港海底厌氧、低碱度、无菌无腐、无虫蛀的环境,波罗的海和港口的淤泥完好保存了沉船木材。

这艘带有露天甲板的大型船只长78.7英尺(24米),宽13英尺(4米),可追溯至1188年。之后的3D扫描显示,这艘船是完全通过斧头和扁斧制作的,树木年代学研究显示,这艘船的橡木和松木来自瑞典。据估算,船员人数约为8-12人。

“这是一艘后维京时代的船,”海洋考古学家兼项目负责人Jens Auer博士说道,“几个世纪以来,这艘船都被埋在砂石和淤泥之下。”他继续说道,“这是一艘重型大吨位货船,北欧设计,制作精良,坚固耐用…有重叠松木木板,焦炭风格,船身曲线优美…应该是在和平年代所建,当年很有可能运输过木材、石块,甚至大量啤酒。”

“从海底吊起沉船后,我们惊讶地发现,松木状态依旧完好,就好像是前一天刚砍的一样,” Auer说道。

接下来,需要比较三艘船的原始建筑风格。前两艘一艘是平底船,另一艘是尖头船、维京风格,而第三艘船,我们称之为“大船”,是一艘非常坚固的货船,挂着横帆,在波罗的海周围运输大量货物。

下一步,考古学家决定深入研究这艘船,并做好记录,这既能保护这件宝贵的文化遗产,又能帮助今后的研究者和世人深入了解这件独特的文物。

但这也是一场同时间的赛跑。冬天到来后,这些刚被发现的木材埋在淤泥水下,很容易受到伤害。他们必须立刻行动,把沉船从海港底部吊起,并在严格保护下,尽快开始研究和建档工作,保护这艘幸免于难的船只。

Auer了解了他们过去进行3D扫描和建档的方式,以及当时的技术,他立刻意识到,这种方式不可能在一年内对228件大船木材完成清洗、扫描、加工、描述、标注、照相等工序。

Auer尽可能组建了一支优秀的专家团队:他邀请了来自Ubi3D的3D记录专家和海洋考古学家Thomas Van Damme,他带来了可在Rhino中扫描并标注3D网格的独特方法(见下文解释),他还邀请到了负责3D扫描的海洋考古学家Massimiliano Ditta,以及比利时摄影测量和3D记录专家Marie Couwenberg,和丹麦海洋考古学家Benjamin Halkier

“我们只花了一周时间,就决定了扫描方式、整个流程和方法,以及精确的顺序,”Auer说道。

他们过去使用的是Faro Arm接触式3D扫描仪。接触式扫描时通过收集单独的点,再转换成固体,最后制作成3D模型。这一过程非常漫长,而且需要专业人员才能保证不会出错。

过去的经验表明,即便一整天都在扫描,那一天最快也只能对1.5块木材完成扫描和全部标注。228块木材,则需要超过一年的时间。这速度太慢了,所以只能寻求他法。

在Auer进行前一个项目的生态影响评估和沉船保护时,来自Artec金牌授权经销商KLIB的一位专家,见多识广,经验丰富,他向Auer介绍了专业3D扫描仪Artec Eva。Eva是一款质量轻便、全彩色3D扫描仪,广泛用于考古、逆向工程等领域。Auer被眼前的一切所震撼。他最后用Eva在一些潮湿的木头上进行了尝试。当他发现这款手持式结构光扫描仪居然能够又快又准地捕获木材的全部细节,他立刻决定选择Eva。

于是,在Auer的强烈推荐下,团队开始采用Eva扫描大船。

“正常情况下,过去的方法需要一年时间才能完成所有木材的扫描和标注,但使用Eva,只需要一个月!”Auer说道。

Eva的木材扫描流程如下:

在离著名什未林城堡不远的什未林仓库开始扫描。

“每天7块木材,包括清洗、扫描、标注、描述、照相…228块可以由一个4人团队在33天内完成,” Massimiliano Ditta说道。

每天备好7块木材等待扫描,其中2块拍干,一次性扫描,剩下的5块盖上湿布。这是因为暴露在空气中20-30分钟,干燥的空气会让木材变形碎裂。

“扫描一块26.2英尺(8米)长、7.1英尺(2-3米)厚的木材四个表面只需要5-10分钟,” Massimiliano Ditta说道。

“即使Eva对我来说很陌生,但没多久我就学会如何使用了,非常喜欢…它为我们节省了大量时间,而且和Faro接触式扫描仪相比,用起来也很舒适,” Ditta表示。

他继续说道,“我们扫描了部分木材的侧面,但有些因为平放时略有压弯,所以不得不把它们用绳子从天花板吊起,然后再进行扫描。”

Van Damme解释了整个流程,他和Auer、Ditta等其他项目人员一起制作并进行了调整,然后将成果带去了ISBSA会议

“首先,扫描每块木材的四个表面,然后,在Artec Studio中将扫描数据加工成美观彩色的纹理网格。这些是效果最好的木材数据模型了。随后,将这些数据以OBJ文件格式导出至Rhino 5进行标注。”

“在Rhino中,木材的每个特征都会通过PolylineOnMesh功能进行完善的标注,存于单独的图层,精确记录它在木材上的位置。标注包括每一处切痕、钉眼,每一处划痕、木纹,使用的钉子类型,是铁钉还是木栓,当初使用了哪些工具,是否有维修痕迹,使用了何种木材,甚至包括木材取自于树木的哪个部位,树干还是树枝等等。”

“标注过程中,我们看到的不仅是数字化的纹理网格,还可以亲眼感受到真实的木材,这就是我们标注的对象。”

“这两步完成后,我们为所有木材一件一件、完整详尽地制作了2D工程图。这些工程图都是基于3D模型精简的,只涵盖对研究人员有用的解读信息,包括反应木材外形的木材轮廓和横截面,以及在Rhino标注木材特征的彩色线段。有了木材的2D工程图,研究员可以对木材的特征一目了然,” Van Damme说道。

“和摄影测量法相比,Artec Eva最大的优点就是用户友好,换句话说,即便没有3D扫描经验的人也能完成建档工作,另外,其设计也使整个木材扫描变得非常有趣和高效,不用再为每块木材从奇奇怪怪的角度拍摄300多张照片了,” Van Damme解释道。

这些工程图和木材纹理网格2D视图,以及书面描述,都会载入发布报告结尾的木材记录中,这么做可以让研究人员观察到每块木材的细节。木材记录还包括一段文字说明,解释工程图上不同色彩的不同含义。

“过去,木材的每个边缘都得用接触式扫描仪(如FaroArm)追踪,这一过程非常耗时。而我们的方式有一项优势,就是Rhino的工具可以直接将标注的扫描数据(3D纹理网格+解读木材的多线段图层)转换成工程图。所以,2D工程图事实上是根据扫描标注自动生成的,不需要我们去记录木材轮廓,”Van Damme说道。

但如果要通过高分辨率网格直接数字化重建这艘船,并不是毫无困难:一些木材保存得没有另一些好。Auer解释了他们的解决方案,“靠近港口的那一侧,状态几乎完美,所以我们用Eva扫描了那一侧,然后镜像处理,就能根据Eva捕获的数据制作出一艘美观的船只了。”

Massimiliano Ditta对所有木材进行了3D打印,制作了一艘迷你船。“我用石膏粉制作了1:20的沉船3D模型,和原始船体完全一样,好找到一些松散元件的位置。”

缩放的模型也被用于一系列科学分析,如流体静力学、CFD(计算流体动力学)等,还向公众开放,通过互联网向世界传播,让世人了解这艘船的真实面貌。

Auer和Ditta使用新购置的Artec Space Spider扫描了大船模型,这是一款超高精度彩色3D扫描仪,能为精密物体制作完美的数字模型。

Auer表示,整个项目非常顺利,Mecklenburg-Vorpommern文化保护部门最新也购置了Artec最新款手持式专业3D扫描仪Artec Leo,且很快就会到货。Leo是一款已获殊荣的革命性3D扫描仪,搭载内置触摸屏,能带来真正的无线扫描体验。

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