數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)在汽車造型開發(fā)中的應(yīng)用

本文通過介紹數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)的基本概念及其在汽車造型開發(fā)中的具體應(yīng)用，對比分析出該技術(shù)在汽車造型開發(fā)中制作虛擬場景的可行性與優(yōu)勢，由此展望了數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)對汽車造型開發(fā)領(lǐng)域的影響及發(fā)展前景。數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)在汽車造型開發(fā)中的應(yīng)用研究，對于深入了解數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)在汽車造型開發(fā)領(lǐng)域的重要性、推動汽車造型設(shè)計(jì)的發(fā)展具有重要意義。

引言

隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)與軟件的發(fā)展，各行各業(yè)積極投身數(shù)字化轉(zhuǎn)型，這使得工作不斷朝著短周期、低成本、高效率的方向推進(jìn)，市場競爭進(jìn)一步加劇。行業(yè)環(huán)境的變化促使汽車行業(yè)的開發(fā)流程與方法也朝著數(shù)字化、虛擬化的方向不斷邁進(jìn)。從方案評審、生產(chǎn)制造到終端銷售，流程中的各環(huán)節(jié)數(shù)字化、虛擬化展示占比不斷提升。同時(shí)人們對三維場景中的視覺仿真度需求隨之不斷提高， 要求三維圖像能最大程度還原真實(shí)環(huán)境的視覺觀感。以上因素催生了數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)，近年來在影視、建筑、交通出行和工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，在未來具有廣闊的發(fā)展前景。數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)因其同時(shí)具有逼真的視覺呈現(xiàn)與快捷方便的可操作性的特點(diǎn)，在汽車造型開發(fā)中具有重大應(yīng)用價(jià)值，對推動汽車造型設(shè)計(jì)的發(fā)展具有重要意義。目前國內(nèi)外各大車企在數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)的應(yīng)用逐漸廣泛，但尚未形成統(tǒng)一的方法。

數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)概述

數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)，是指通過相機(jī)等成像設(shè)備， 從系統(tǒng)外部采集圖像信息并通過軟件將其合成轉(zhuǎn)化為可使用的虛擬場景，從而在造型虛擬軟件中應(yīng)用的技術(shù)。在汽車造型開發(fā)工作中，數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)被主要用于采集與構(gòu)建虛擬展示環(huán)境，在造型方案評審、靜態(tài)圖片渲染及視頻動畫制作等方面都得到了應(yīng)用。

汽車造型設(shè)計(jì)工作對數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)所輸出的全景圖像是有一定要求的。為了最大程度還原真實(shí)環(huán)境， 除了圖像本身的分辨率及所搭配的三維模型要盡可能還原真實(shí)環(huán)境中的細(xì)節(jié)，光照也是非常重要的影響因素。無論是使用普通格式的圖片還是在軟件中采用虛擬燈光來模擬現(xiàn)實(shí)中的效果，往往都存在諸多局限。解決此問題的有效方法便是使用高動態(tài)范圍圖像。

HDRI（High Dynamic Range Image，高動態(tài)范圍圖像） 是指通過照相機(jī)捕捉實(shí)現(xiàn)從黑暗陰影到高亮光源的更大動態(tài)范圍圖像。它的核心特點(diǎn)是：相比其他如jpg、png 等日常使用的低動態(tài)范圍圖像格式，HDRI 具有更大擴(kuò)充的光照動態(tài)范圍。HDRI 的核心優(yōu)點(diǎn)在于更加精確的記錄大光比信息，諸如還原太陽直射等對比極強(qiáng)的環(huán)境下的亮度值。因此，HDRI 能夠良好地模擬真實(shí)環(huán)境下的光照效果，成為數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)最理想的輸出載體。拍攝合成的HDRI 示例如圖1 所示。

圖1 拍攝合成的HDRI 示例

數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)在汽車造型開發(fā)中的可行性分析

3.1數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)傳統(tǒng)替代手段

由上文可知，數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)主要應(yīng)用于汽車造型設(shè)計(jì)的造型展示場景采集，但其并不是唯一的選擇。在數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)汽車造型場景采集的方法主要為實(shí)車現(xiàn)場采集，即全部使用實(shí)車實(shí)景。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，也催生了完全依靠計(jì)算機(jī)建模的方式來搭建展示場景的方法。

實(shí)車現(xiàn)場采集即將實(shí)車、布景設(shè)備及采集團(tuán)隊(duì)集中在采集地進(jìn)行場景采集。這種方法能夠完整還原展車在真實(shí)光影中的造型，但局限性也顯而易見，只能依賴于物理模型。而在實(shí)際的造型項(xiàng)目開發(fā)過程中，往往在實(shí)體模型完成制作交付的時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前，就有對實(shí)景仿真的需求，這對于實(shí)車現(xiàn)場采集技術(shù)是一個(gè)無法突破的需求瓶頸。

計(jì)算機(jī)場景建模指通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行場景建模，無需前往現(xiàn)場進(jìn)行場景采集，所以具有很高的自由度。同時(shí)由于所有工作都通過電子數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，所以場景的可編輯性高，可以靈活地根據(jù)需求進(jìn)行修改，顯著提高了迭代速度。但通過建模制作展示場景結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要漫長的制作時(shí)間，無法對時(shí)間節(jié)點(diǎn)緊湊的工作任務(wù)作出快速響應(yīng)，導(dǎo)致工作耗時(shí)會明顯提高，開發(fā)成本增加。計(jì)算機(jī)場景建模示例如圖2 所示。

圖2計(jì)算機(jī)場景建模示例

3.2數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)的優(yōu)勢

數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)在現(xiàn)場拍攝獲取實(shí)景信息，并通過軟件進(jìn)行處理、渲染及合成，將傳統(tǒng)采集技術(shù)與計(jì)算機(jī)后期處理技術(shù)相結(jié)合。在避免了傳統(tǒng)實(shí)車現(xiàn)場采集與計(jì)算機(jī)場景建模的缺點(diǎn)的同時(shí)，又兼顧了二者的優(yōu)點(diǎn)。不僅效果逼真、制作快速高效，又把對采集現(xiàn)場的要求降低到了可以接受的范圍內(nèi)。汽車造型場景采集所使用的不同手段特點(diǎn)對比見下表，其優(yōu)勢主要包括以下幾個(gè)方面。

1）高效率：實(shí)景采集流程簡單、快捷，免去了技術(shù)復(fù)雜的建模過程，在有限的時(shí)間內(nèi)，通過應(yīng)用數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)能夠輸出高質(zhì)量的虛擬展示環(huán)境，提高了造型可視化團(tuán)隊(duì)的虛擬展示場景制作效率，從而讓團(tuán)隊(duì)的整體工作時(shí)效得到提升。同時(shí)由于現(xiàn)場采集與后期合成的工作能夠單獨(dú)拆分出來，成員調(diào)動較為靈活，團(tuán)隊(duì)便可以在緊湊項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間中快速開展工作。

2）真實(shí)感強(qiáng)：實(shí)景采集不是利用計(jì)算機(jī)生成的模擬圖像，而是通過對物體進(jìn)行實(shí)地拍攝，對現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行處理和再現(xiàn)，因而展現(xiàn)的是完全真實(shí)的場景。相比計(jì)算機(jī)建模得到的視覺效果，實(shí)景采集更加真實(shí)可信，更能使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。在汽車展示和評審過程中能夠達(dá)到更好的效果。

3）低成本：數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)的主要成本除人員外， 來自于實(shí)景采集硬件設(shè)備與后期合成軟件。這兩者的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)車現(xiàn)場采集所需的布景費(fèi)用與在計(jì)算機(jī)場景建模中所需要購買的專業(yè)三維軟件限時(shí)商業(yè)許可證費(fèi)用。

4）交互性出色：可以進(jìn)行上下、左右、前后范圍的漫游式瀏覽。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)多人評審交互，提升評審體驗(yàn)[4]。

5）適用性：數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)不僅可以用于靜態(tài)高質(zhì)量渲染圖片，同時(shí)適用于可視化實(shí)時(shí)虛擬展示中， 滿足不同條件下的使用需求。

表汽車造型場景采集所使用的不同手段特點(diǎn)對比

數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用方法

4.1數(shù)字化實(shí)景采集核心要素

在實(shí)景采集開始之前，需要首先根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行地點(diǎn)的定位分析，然后開展實(shí)地勘測，采集光照信息， 并根據(jù)氣象分析來確定最合適的采集時(shí)間。做好充分準(zhǔn)備后到達(dá)現(xiàn)場架設(shè)拍攝設(shè)備，根據(jù)實(shí)際光照信息調(diào)整參數(shù)，盡快完成采集。成功的實(shí)景采集關(guān)鍵在于對天時(shí)地利人和的兼顧。

1）天時(shí)：根據(jù)項(xiàng)目需求，首先需要確定在哪個(gè)季節(jié)進(jìn)行實(shí)景采集。四季的植被環(huán)境的呈現(xiàn)是完全不同的， 所以需要最先確定以哪個(gè)季節(jié)作為基調(diào)。其次需要確定在特定的一天中什么時(shí)刻的光照對于展示最合適。一般而言，清晨與傍晚的光照方向與寬容度都會比正午陽光直射的環(huán)境更加理想。最后，在一天中的同一時(shí)刻，晴天與陰天的光照效果也是完全不同的，比如晴天的直射陽光易于展示金屬車漆的顆粒層次感，而陰天相對柔和的光照也利于均衡展現(xiàn)車身的整體比例姿態(tài)及造型細(xì)節(jié)。

2）地利：根據(jù)項(xiàng)目中車型所體現(xiàn)的風(fēng)格與定位的不同，實(shí)景采集需要挑選合適的地點(diǎn)才能與車型匹配。比如具有商務(wù)屬性的轎車會選擇都市商務(wù)區(qū)的街道作為合適的背景，而運(yùn)動屬性強(qiáng)的車型則會選擇賽道、山野等場地進(jìn)行實(shí)景采集。與此同時(shí)，實(shí)景采集的場地中心附近需要是空曠的，不能出現(xiàn)明顯突出的物體，以免因透視比例失調(diào)影響視覺效果。

3）人和：在進(jìn)行實(shí)景采集的過程中，需要盡量保證采集場景中的物體靜止不動，尤其要避免移動的路人對畫面造成的干擾，因?yàn)槠鋾?dǎo)致最終合成時(shí)出現(xiàn)模糊、重影等干擾。同時(shí)，需要盡量避免人文信息尤其是文字信息對環(huán)境使用的影響，以保證環(huán)境的泛用性。

4.2數(shù)字化實(shí)景采集與合成流程

數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)包括實(shí)景采集與后期合成兩方面。首先在實(shí)景采集過程中，拍攝手法與技巧至關(guān)重要。為了保證拍攝連續(xù)階段曝光，需要根據(jù)色板調(diào)整曝光補(bǔ)償與機(jī)內(nèi)白平衡，測試合適的階段曝光范圍。在拍攝過程中，第一張與第二張畫面需保留三分之一位置的重合， 同時(shí)固定每次相機(jī)偏移角度，保證拍攝張數(shù)少于90 組。

在完成拍攝采集真實(shí)場景后，要進(jìn)行720°全景圖像合成。這一過程中需要捕捉整個(gè)場景的圖像信息進(jìn)行圖片拼合，并用專門的播放器進(jìn)行播放，即將平面照片或者計(jì)算機(jī)建模圖片變成720°全景，用于虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽， 把二維的平面圖模擬成真實(shí)的三維空間，最后通過專業(yè)的軟件進(jìn)行HDRI 合成，實(shí)現(xiàn)比普通數(shù)字圖像技術(shù)更大曝光動態(tài)范圍的效果進(jìn)行汽車造型虛擬展示的實(shí)際應(yīng)用。數(shù)字化實(shí)景采集一般流程圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)字化實(shí)景采集流程圖

4.3數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用載體

在汽車造型設(shè)計(jì)領(lǐng)域，應(yīng)用數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)的載體主要分為實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境與靜幀環(huán)境，兩者都是汽車造型開發(fā)中可視化設(shè)計(jì)工作的重要呈現(xiàn)方式。

以汽車造型設(shè)計(jì)中最常用的可視化設(shè)計(jì)軟件Vred 為例，數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)所輸出的全景圖像數(shù)據(jù)通過與軟件中的半球空間相匹配，構(gòu)建出實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境。它允許觀看者的視角在其中自由旋轉(zhuǎn)切換，從而得以全方位的觀察汽車內(nèi)外飾造型。實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境因其兼具有沉浸感強(qiáng)與視角自由可變的特點(diǎn)，在汽車造型設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用于造型實(shí)時(shí)評審與展車虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式體驗(yàn)。只需載入不同的虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)，便可以模擬汽車造型在不同環(huán)境條件下的視覺效果。

靜幀渲染是數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)的另一種呈現(xiàn)方式。它基于所采集的二維靜止圖像來制作，雖沒有達(dá)到實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境的靈活性，但能在單一角度上獲得更高的實(shí)景采集質(zhì)量。靜幀渲染示例如圖4 所示。靜幀渲染在汽車造型設(shè)計(jì)中被廣泛用于造型可視化圖片輸出，無論是用于內(nèi)部造型評審的造型條線定義與材質(zhì)定義渲染圖，還是用于對外發(fā)布及公關(guān)宣傳的高質(zhì)量渲染圖，都是以靜幀渲染作為基礎(chǔ)。

圖4 靜幀渲染示例

發(fā)展前景

實(shí)景采集的造型虛擬場景制作完成后，其數(shù)據(jù)可以重復(fù)使用，適配不同車型。這使得造型設(shè)計(jì)方案可以在開發(fā)初期就導(dǎo)入虛擬場景，以盡早評估方案在擬真環(huán)境中的效果，從而使得可視化設(shè)計(jì)更早介入造型開發(fā)流程。同時(shí)，數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)也使虛擬展示環(huán)境的用途得到拓展。例如，在早期市場調(diào)研階段，用戶便可在沒有實(shí)車的情況下，通過應(yīng)用數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)制作的虛擬展示環(huán)境體驗(yàn)新車型。

基于不同車型項(xiàng)目的開發(fā)需求，造型可視化設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以逐步采集所需的實(shí)景數(shù)據(jù)，構(gòu)建實(shí)景采集數(shù)據(jù)庫， 以不斷增加虛擬展示場景的多樣性[5]。由于實(shí)景采集場景可以重復(fù)使用，當(dāng)數(shù)據(jù)庫得到充分?jǐn)U張后，會為涉及汽車造型可視化設(shè)計(jì)的工作帶來極大便利。

結(jié)束語

數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)因其場景真實(shí)感強(qiáng)、制作流程快捷高效及交互性出色等特點(diǎn)受到業(yè)界青睞。相比計(jì)算機(jī)場景建模與實(shí)車現(xiàn)場采集，數(shù)字化實(shí)景采集技術(shù)能夠在規(guī)避兩者缺點(diǎn)的同時(shí)，兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用將進(jìn)一步降低造型開發(fā)成本， 節(jié)省開發(fā)時(shí)間，提高汽車造型展示質(zhì)量，并以虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)為載體，推動汽車造型設(shè)計(jì)的發(fā)展，提高虛擬展示的效果。