Artec Eva揭秘后維京時代埋藏829年之久的沉船秘密

概要：一支德國小型海洋考古學家團隊正在與時間賽跑，他們需要在冬天來臨前，為古沉船228條木材進行清理、掃描、標注和照相工作。

目標：使用專業(yè)手持式3D掃描儀，在5-10分鐘內，清晰捕獲26.2英尺（8米）長的木材四個表面，隨后加工并標注3D模型，以收錄木材詳細信息。

使用工具：Artec Eva、Artec Space Spider

在德國Mecklenburg-Western Pomerania擴建維斯馬港口時，考古學家發(fā)現(xiàn)了幾艘沉船。其中之一，也是最新發(fā)現(xiàn)的一艘，僅位于水下9.8英尺（3米）的距離。

因為海港海底厭氧、低堿度、無菌無腐、無蟲蛀的環(huán)境，波羅的海和港口的淤泥完好保存了沉船木材。 

這艘?guī)в新短旒装宓拇笮痛婚L78.7英尺（24米），寬13英尺（4米），可追溯至1188年。之后的3D掃描顯示，這艘船是完*通過斧頭和扁斧制作的，樹木年代學研究顯示，這艘船的橡木和松木來自瑞典。據(jù)估算，船員人數(shù)約為8-12人。 

“這是一艘后維京時代的船，”海洋考古學家兼項目負責人Jens Auer博士說道，“幾個世紀以來，這艘船都被埋在砂石和淤泥之下。”他繼續(xù)說道，“這是一艘重型大噸位貨船，北歐設計，制作精良，堅固耐用…有重疊松木木板，焦炭風格，船身曲線優(yōu)美…應該是在和平年代所建，當年很有可能運輸過木材、石塊，甚至大量啤酒。”

“從海底吊起沉船后，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，松木狀態(tài)依舊完好，就好像是前一天剛砍的一樣，” Auer說道。

接下來，需要比較三艘船的原始建筑風格。前兩艘一艘是平底船，另一艘是尖頭船、維京風格，而第三艘船，我們稱之為“大船”，是一艘非常堅固的貨船，掛著橫帆，在波羅的海周圍運輸大量貨物。

下一步，考古學家決定深入研究這艘船，并做好記錄，這既能保護這件寶貴的文化遺產(chǎn)，又能幫助今后的研究者和世人深入了解這件特殊的文物。

但這也是一場同時間的賽跑。冬天到來后，這些剛被發(fā)現(xiàn)的木材埋在淤泥水下，很容易受到傷害。他們必須立刻行動，把沉船從海港底部吊起，并在嚴格保護下，盡快開始研究和建檔工作，保護這艘幸免于難的船只。 

Auer了解了他們過去進行3D掃描和建檔的方式，以及當時的技術，他立刻意識到，這種方式不可能在一年內對228件大船木材完成清洗、掃描、加工、描述、標注、照相等工序。 

Auer盡可能組建了一支優(yōu)秀的專家團隊：他邀請了來自Ubi3D的3D記錄專家和海洋考古學家Thomas Van Damme，他帶來了可在Rhino中掃描并標注3D網(wǎng)格的特殊方法（見下文解釋），他還邀請到了負責3D掃描的海洋考古學家Massimiliano Ditta，以及比利時攝影測量和3D記錄專家Marie Couwenberg，和丹麥海洋考古學家Benjamin Halkier。

“我們只花了一周時間，就決定了掃描方式、整個流程和方法，以及精確的順序，”Auer說道。

他們過去使用的是Faro Arm接觸式3D掃描儀。接觸式掃描時通過收集單獨的點，再轉換成固體，最后制作成3D模型。這一過程非常漫長，而且需要專業(yè)人員才能保證不會出錯。

過去的經(jīng)驗表明，即便一整天都在掃描，那一天最快也只能對1.5塊木材完成掃描和全部標注。228塊木材，則需要超過一年的時間。這速度太慢了，所以只能尋求他法。

在Auer進行前一個項目的生態(tài)影響評估和沉船保護時，來自Artec金牌授權經(jīng)銷商KLIB的一位專家，見多識廣，經(jīng)驗豐富，他向Auer介紹了專業(yè)3D掃描儀Artec Eva。Eva是一款質量輕便、全彩色3D掃描儀，廣泛用于考古、逆向工程等領域。Auer被眼前的一切所震撼。他最后用Eva在一些潮濕的木頭上進行了嘗試。當他發(fā)現(xiàn)這款手持式結構光掃描儀居然能夠又快又準地捕獲木材的全部細節(jié)，他立刻決定選擇Eva。

于是，在Auer的強烈推薦下，團隊開始采用Eva掃描大船。 

“正常情況下，過去的方法需要一年時間才能完成所有木材的掃描和標注，但使用Eva，只需要一個月！”Auer說道。

Eva的木材掃描流程如下：

在離著名什未林城堡不遠的什未林倉庫開始掃描。 

“每天7塊木材，包括清洗、掃描、標注、描述、照相…228塊可以由一個4人團隊在33天內完成，” Massimiliano Ditta說道。

每天備好7塊木材等待掃描，其中2塊拍干，一次性掃描，剩下的5塊蓋上濕布。這是因為暴露在空氣中20-30分鐘，干燥的空氣會讓木材變形碎裂。

“掃描一塊26.2英尺（8米）長、7.1英尺（2-3米）厚的木材四個表面只需要5-10分鐘，” Massimiliano Ditta說道。

“即使Eva對我來說很陌生，但沒多久我就學會如何使用了，非常喜歡…它為我們節(jié)省了大量時間，而且和Faro接觸式掃描儀相比，用起來也很舒適，” Ditta表示。

他繼續(xù)說道，“我們掃描了部分木材的側面，但有些因為平放時略有壓彎，所以不得不把它們用繩子從天花板吊起，然后再進行掃描。” 

Van Damme解釋了整個流程，他和Auer、Ditta等其他項目人員一起制作并進行了調整，然后將成果帶去了ISBSA會議。

“首先，掃描每塊木材的四個表面，然后，在Artec Studio中將掃描數(shù)據(jù)加工成美觀彩色的紋理網(wǎng)格。這些是效果*好的木材數(shù)據(jù)模型了。隨后，將這些數(shù)據(jù)以OBJ文件格式導出至Rhino 5進行標注。” 

“在Rhino中，木材的每個特征都會通過PolylineOnMesh功能進行完善的標注，存于單獨的圖層，精確記錄它在木材上的位置。標注包括每一處切痕、釘眼，每一處劃痕、木紋，使用的釘子類型，是鐵釘還是木栓，當初使用了哪些工具，是否有維修痕跡，使用了何種木材，甚至包括木材取自于樹木的哪個部位，樹干還是樹枝等等。”

“標注過程中，我們看到的不僅是數(shù)字化的紋理網(wǎng)格，還可以親眼感受到真實的木材，這就是我們標注的對象。” 

“這兩步完成后，我們?yōu)樗心静囊患患?、完整詳盡地制作了2D工程圖。這些工程圖都是基于3D模型精簡的，只涵蓋對研究人員有用的解讀信息，包括反應木材外形的木材輪廓和橫截面，以及在Rhino標注木材特征的彩色線段。有了木材的2D工程圖，研究員可以對木材的特征一目了然，” Van Damme說道。

“和攝影測量法相比，Artec Eva最大的優(yōu)點就是用戶友好，換句話說，即便沒有3D掃描經(jīng)驗的人也能完成建檔工作，另外，其設計也使整個木材掃描變得非常有趣和高效，不用再為每塊木材從奇奇怪怪的角度拍攝300多張照片了，” Van Damme解釋道。 

這些工程圖和木材紋理網(wǎng)格2D視圖，以及書面描述，都會載入發(fā)布報告結尾的木材記錄中，這么做可以讓研究人員觀察到每塊木材的細節(jié)。木材記錄還包括一段文字說明，解釋工程圖上不同色彩的不同含義。

“過去，木材的每個邊緣都得用接觸式掃描儀（如FaroArm）追蹤，這一過程非常耗時。而我們的方式有一項優(yōu)勢，就是Rhino的工具可以直接將標注的掃描數(shù)據(jù)（3D紋理網(wǎng)格+解讀木材的多線段圖層）轉換成工程圖。所以，2D工程圖事實上是根據(jù)掃描標注自動生成的，不需要我們去記錄木材輪廓，”Van Damme說道。

但如果要通過高分辨率網(wǎng)格直接數(shù)字化重建這艘船，并不是毫無困難：一些木材保存得沒有另一些好。Auer解釋了他們的解決方案，“靠近港口的那一側，狀態(tài)幾乎完*，所以我們用Eva掃描了那一側，然后鏡像處理，就能根據(jù)Eva捕獲的數(shù)據(jù)制作出一艘美觀的船只了。”

Massimiliano Ditta對所有木材進行了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，和原始船體完*一樣，好找到一些松散元件的位置。”

縮放的模型也被用于一系列科學分析，如流體靜力學、CFD（計算流體動力學）等，還向公眾開放，通過互聯(lián)網(wǎng)向世界傳播，讓世人了解這艘船的真實面貌。

Auer和Ditta使用新購置的Artec Space Spider掃描了大船模型，這是一款超高精度彩色3D掃描儀，能為精密物體制作的數(shù)字模型。

Auer表示，整個項目非常順利，Mecklenburg-Vorpommern文化保護部門新也購置了Artec新款手持式專業(yè)3D掃描儀Artec Leo，且很快就會到貨。Leo是一款已獲殊榮的革命性3D掃描儀，搭載內置觸摸屏，能帶來真正的無線掃描體驗。