聚焦
2021年4月14日
“信天翁”号：将一段历史带入虚拟现实
欧洲最后一辆特快蒸汽机车“信天翁”号承载着无数故事，但遗憾的是，并非每个人都能亲临现场近距离接触。正因如此，Artzenal借助RealityScan，将这一备受珍视的标志性机车转化为数字模型，并将其带入虚拟现实世界，供所有人欣赏。
“信天翁”号蒸汽机车498.104的外观令人印象深刻。其总长25.6米，车身采用抛光的皇家蓝色涂装，搭配鲜艳的红色车轮，在同时代的机车中瞬间脱颖而出。“信天翁”号也是其技术时代的最后代言人：它是中欧干线柴油和电力机车出现前的最后一款大型特快蒸汽机车。
多年来，这辆标志性机车一直由“信天翁”号俱乐部负责保护，该俱乐部由其主席Veres先生领导，成员均为火车专家和爱好者。“信天翁”号常作为重大活动和纪念列车巡游的焦点频繁亮相，还经常牵引前捷克斯洛伐克共和国总统专列。然而，由于其庞大体积的限制，人们如果想亲眼目睹这辆机车，必须亲自前往参观，因为几乎无法将它安置到博物馆中。
为了让更多公众能够近距离接触“信天翁”号，相关方决定委托斯洛伐克数字化服务公司Artzenal对该列车进行扫描，并将其放到虚拟现实体验中。
“信天翁”号机车或许是迄今为止扫描难度最高的单体目标之一。它几乎集齐了所有“最好避而远之”的特征：体型庞大，仅依赖外部照明，使用反光的金属表面，具有玻璃材质，结构复杂，工业美感层层叠叠地隐匿在难以触及的角落和缝隙中。
来自Artzenal的团队使用FARO FOCUS 150激光扫描仪在数十个位置进行扫描，并从中选定了18个位置的数据，同时，他们使用多台尼康D850相机为“信天翁”号蒸汽机车拍摄了45858张照片。然后，他们使用RealityScan将图像处理成了一个精细的3D模型。
为了让更多公众能够近距离接触“信天翁”号，相关方决定委托斯洛伐克数字化服务公司Artzenal对该列车进行扫描，并将其放到虚拟现实体验中。
扫描“信天翁”号
“信天翁”号机车或许是迄今为止扫描难度最高的单体目标之一。它几乎集齐了所有“最好避而远之”的特征：体型庞大，仅依赖外部照明，使用反光的金属表面，具有玻璃材质，结构复杂，工业美感层层叠叠地隐匿在难以触及的角落和缝隙中。
来自Artzenal的团队使用FARO FOCUS 150激光扫描仪在数十个位置进行扫描，并从中选定了18个位置的数据，同时，他们使用多台尼康D850相机为“信天翁”号蒸汽机车拍摄了45858张照片。然后，他们使用RealityScan将图像处理成了一个精细的3D模型。
即使对于Artzenal的资深专业团队而言，扫描过程也颇具挑战性。“我们必须精心规划每一步，才能取得理想成果。我们将蒸汽机车划分为多个部分，按照每日计划分别处理，并根据天气和光照条件进行调整，以确保整体效果均匀一致，”Artzenal扫描部门负责人Richard Dömös说，“我们还必须开发新的流程，以捕捉高光泽金属表面和仪表的精准表面模型。”
Dömös补充说，团队在现场花了六天时间，在合适的条件下进行全面采集，以获得高度精细且均匀一致的结果。
Dömös补充说，团队在现场花了六天时间，在合适的条件下进行全面采集，以获得高度精细且均匀一致的结果。
整合数据
对于团队、硬件和软件而言，另一项挑战与考验在于，要利用收集的海量数据（超过700GB）一次性构建出“信天翁”号蒸汽机车及其煤水车的精准单一模型。团队需要对齐海量输入数据，以确保最终结果在每个技术细节和尺寸上都绝对精确、忠实于原物。尽管使用了RealityScan，并投入了Artzenal有史以来最高的算力，团队仍历经了多次尝试，而每次对齐与数据生成都需耗时数日，最终，他们终于获得了令人满意的结果，完美复现了原物的雄伟风姿。
“‘信天翁’号蒸汽机车是我们在RealityScan中尝试生成过的规模最大的单体资产。”Artzenal创始人兼3D管线负责人Marcel Petras说，“此前我们处理的所有项目，单个物体的照片数量均未超过2万张。而此次‘信天翁’号项目的照片数量翻了一倍多，我们完全进入了未知领域。”
Petras表示，这一过程犹如攀登学习曲线，期间经历多次推倒重来，但最终成果与积累的专业知识足以证明，所有投入与努力都是值得的。“这个过程也是对RealityScan软件的考验，”他说，“至少就我们而言，此前从未尝试针对单一物体处理如此大量且类型各异（包括激光扫描和照片）的输入数据。最终成果证明了这款工具的性能，我们对未来迎接更多挑战充满信心。”
RealityScan的初步处理生成了以下数据输出：
Petras表示，这一过程犹如攀登学习曲线，期间经历多次推倒重来，但最终成果与积累的专业知识足以证明，所有投入与努力都是值得的。“这个过程也是对RealityScan软件的考验，”他说，“至少就我们而言，此前从未尝试针对单一物体处理如此大量且类型各异（包括激光扫描和照片）的输入数据。最终成果证明了这款工具的性能，我们对未来迎接更多挑战充满信心。”
原始数据
RealityScan的初步处理生成了以下数据输出：
- 点云：超过700 GB的输入数据
- 模型：13.8亿个三角形
- 纹理：36种材质和150种纹理
导入虚幻引擎
要将“信天翁”号蒸汽机车以虚拟体验的形式呈现（这正是最主要的应用场景），需要将原始数据转换为适配虚幻引擎的优化格式。虚幻引擎提供了强大的视觉渲染套件，并使人们能够轻松为目标平台创建构建版本，自然而然地成为了首选工具。
为了在未来的应用场景中实现快速实时渲染性能，同时确保在高性能硬件上仍能保持最高画质，项目初期设定的目标是将原始模型中的13.8亿个三角形削减至500万个以下，并维持大约150张纹理贴图和36种材质，最终创建一个实时渲染的主模型。
最终，“信天翁”号蒸汽机车及其煤水车的主模型网格体三角形数量降到了300万个以下，同时保留了150张纹理贴图和36种材质。该版本在标准个人电脑上的虚幻引擎中运行时，可稳定保持60帧/秒的流畅度，并为针对不同目标硬件配置的后续优化工作奠定了良好基础。
在这个步骤中，原本作为单一对象的源模型被拆分为多个独立对象和子组。为此，Veres先生和“信天翁”号俱乐部为Artzenal安排了一场详尽的实地导览，逐一讲解蒸汽机车的各个功能部件及驾驶舱内的操控装置。随后，他们进行了现场演示，以便记录这台宏伟壮观的机器运转时的动作，以及由此产生的声音和效果（火焰、烟雾与蒸汽）。这些资料将帮助Artzenal在虚拟体验中还原蒸汽机车的每一处运行细节。
在这个步骤中，原本作为单一对象的源模型被拆分为多个独立对象和子组。为此，Veres先生和“信天翁”号俱乐部为Artzenal安排了一场详尽的实地导览，逐一讲解蒸汽机车的各个功能部件及驾驶舱内的操控装置。随后，他们进行了现场演示，以便记录这台宏伟壮观的机器运转时的动作，以及由此产生的声音和效果（火焰、烟雾与蒸汽）。这些资料将帮助Artzenal在虚拟体验中还原蒸汽机车的每一处运行细节。
“我们必须提前做出正确决策，否则之后就不得不回到原始模型，重复之前的流程。”Petras说，“基于我们在游戏开发方面的经验以及虚幻引擎这一平台，我们在一个主要步骤中同时完成了划分和优化这两项工作，最终得到了一个‘游戏模型’。现在，这个模型可以在我们的预期实时场景中完全动态地使用。”
在实现让“信天翁”号蒸汽机车在虚幻引擎中平稳运行的关键里程碑后，团队现已着手为这台庞大的虚拟机器注入“生命力”。
“信天翁”号的虚拟未来
在实现让“信天翁”号蒸汽机车在虚幻引擎中平稳运行的关键里程碑后，团队现已着手为这台庞大的虚拟机器注入“生命力”。
接下来的工作将包括添加预期功能、交互性和可操作性，并创建适用于最终目标平台的分支版本：2021年，团队希望将“信天翁”号打造成一个交互式体验项目，应用于虚拟现实和高品质投影领域。将扫描所得的高质量视觉效果与实践性的信息传递及教育价值结合起来，蕴含着巨大潜力，例如，在这个案例中，就是让用户在有趣的游戏化场景中体验蒸汽机车。
“信天翁”号的虚拟现实场景时长约为10-15分钟。在此期间，用户将走近这台“冰冷”的蒸汽机车，通过检查、加润滑油、添煤、注水以及加沙等操作，为机器启动做好准备。完成上述任务后，用户将进入驾驶舱，点燃炉火，提升压力、产生蒸汽，调整阀门和操纵杆，最后，伴随着逼真的画面、声音和动态效果，自豪地拉响汽笛，启程出发。
正如Artzenal的团队所说：“对我们而言，这就是虚拟文化遗产的精髓所在，通过数字化手段让新受众能够接触这些事物，更重要的是，以引人入胜的形式呈现有价值的内容和知识，从而打破重重壁垒。”
正如Artzenal的团队所说：“对我们而言，这就是虚拟文化遗产的精髓所在，通过数字化手段让新受众能够接触这些事物，更重要的是，以引人入胜的形式呈现有价值的内容和知识，从而打破重重壁垒。”
注：撰写本篇博客文章时，RealityScan称为RealityCapture，公司名称为CapturingReality。