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

引言

隨著計算機圖形技術與軟件的發(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，市場競爭進一步加劇。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。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環(huán)境的視覺觀感。以上因素催生了數(shù)字化實景采集技術，近年來在影視、建筑、交通出行和工業(yè)設計等領域中得到了廣泛應用，在未來具有廣闊的發(fā)展前景。數(shù)字化實景采集技術因其同時具有逼真的視覺呈現(xiàn)與快捷方便的可操作性的特點，在汽車造型開發(fā)中具有重大應用價值，對推動汽車造型設計的發(fā)展具有重要意義。目前國內(nèi)外各大車企在數(shù)字化實景采集技術的應用逐漸廣泛，但尚未形成統(tǒng)一的方法。

數(shù)字化實景采集技術概述

數(shù)字化實景采集技術，是指通過相機等成像設備， 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用的技術。在汽車造型開發(fā)工作中，數(shù)字化實景采集技術被主要用于采集與構建虛擬展示環(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用。

汽車造型設計工作對數(shù)字化實景采集技術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環(huán)境中的細節(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） 是指通過照相機捕捉實現(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 具有更大擴充的光照動態(tài)范圍。HDRI 的核心優(yōu)點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的環(huán)境下的亮度值。因此，HDRI 能夠良好地模擬真實環(huán)境下的光照效果，成為數(shù)字化實景采集技術最理想的輸出載體。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)字化實景采集技術在汽車造型開發(fā)中的可行性分析

3.1數(shù)字化實景采集技術傳統(tǒng)替代手段

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

實車現(xiàn)場采集即將實車、布景設備及采集團隊集中在采集地進行場景采集。這種方法能夠完整還原展車在真實光影中的造型，但局限性也顯而易見，只能依賴于物理模型。而在實際的造型項目開發(fā)過程中，往往在實體模型完成制作交付的時間節(jié)點之前，就有對實景仿真的需求，這對于實車現(xiàn)場采集技術是一個無法突破的需求瓶頸。

計算機場景建模指通過計算機進行場景建模，無需前往現(xiàn)場進行場景采集，所以具有很高的自由度。同時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)需求進行修改，顯著提高了迭代速度。但通過建模制作展示場景結構復雜，需要漫長的制作時間，無法對時間節(jié)點緊湊的工作任務作出快速響應，導致工作耗時會明顯提高，開發(fā)成本增加。計算機場景建模示例如圖2 所示。

圖2計算機場景建模示例

3.2數(shù)字化實景采集技術的優(yōu)勢

數(shù)字化實景采集技術在現(xiàn)場拍攝獲取實景信息，并通過軟件進行處理、渲染及合成，將傳統(tǒng)采集技術與計算機后期處理技術相結合。在避免了傳統(tǒng)實車現(xiàn)場采集與計算機場景建模的缺點的同時，又兼顧了二者的優(yōu)點。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對比見下表，其優(yōu)勢主要包括以下幾個方面。

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

2）真實感強：實景采集不是利用計算機生成的模擬圖像，而是通過對物體進行實地拍攝，對現(xiàn)實場景進行處理和再現(xiàn)，因而展現(xiàn)的是完全真實的場景。相比計算機建模得到的視覺效果，實景采集更加真實可信，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到更好的效果。

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

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

5）適用性：數(shù)字化實景采集技術不僅可以用于靜態(tài)高質(zhì)量渲染圖片，同時適用于可視化實時虛擬展示中， 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對比

數(shù)字化實景采集技術在汽車造型設計中的具體應用方法

4.1數(shù)字化實景采集核心要素

在實景采集開始之前，需要首先根據(jù)項目需求進行地點的定位分析，然后開展實地勘測，采集光照信息， 并根據(jù)氣象分析來確定最合適的采集時間。做好充分準備后到達現(xiàn)場架設拍攝設備，根據(jù)實際光照信息調(diào)整參數(shù)，盡快完成采集。成功的實景采集關鍵在于對天時地利人和的兼顧。

1）天時：根據(jù)項目需求，首先需要確定在哪個季節(jié)進行實景采集。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季節(jié)作為基調(diào)。其次需要確定在特定的一天中什么時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)及造型細節(jié)。

2）地利：根據(jù)項目中車型所體現(xiàn)的風格與定位的不同，實景采集需要挑選合適的地點才能與車型匹配。比如具有商務屬性的轎車會選擇都市商務區(qū)的街道作為合適的背景，而運動屬性強的車型則會選擇賽道、山野等場地進行實景采集。與此同時，實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：在進行實景采集的過程中，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，因為其會導致最終合成時出現(xiàn)模糊、重影等干擾。同時，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)字化實景采集與合成流程

數(shù)字化實景采集技術包括實景采集與后期合成兩方面。首先在實景采集過程中，拍攝手法與技巧至關重要。為了保證拍攝連續(xù)階段曝光，需要根據(jù)色板調(diào)整曝光補償與機內(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， 同時固定每次相機偏移角度，保證拍攝張數(shù)少于90 組。

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

圖3 數(shù)字化實景采集流程圖

4.3數(shù)字化實景采集技術在汽車造型設計中的應用載體

在汽車造型設計領域，應用數(shù)字化實景采集技術的載體主要分為實時虛擬環(huán)境與靜幀環(huán)境，兩者都是汽車造型開發(fā)中可視化設計工作的重要呈現(xiàn)方式。

以汽車造型設計中最常用的可視化設計軟件Vred 為例，數(shù)字化實景采集技術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，構建出實時虛擬環(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。實時虛擬環(huán)境因其兼具有沉浸感強與視角自由可變的特點，在汽車造型設計中被廣泛應用于造型實時評審與展車虛擬現(xiàn)實沉浸式體驗。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)字化實景采集技術的另一種呈現(xiàn)方式。它基于所采集的二維靜止圖像來制作，雖沒有達到實時虛擬環(huán)境的靈活性，但能在單一角度上獲得更高的實景采集質(zhì)量。靜幀渲染示例如圖4 所示。靜幀渲染在汽車造型設計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)布及公關宣傳的高質(zhì)量渲染圖，都是以靜幀渲染作為基礎。

圖4 靜幀渲染示例

發(fā)展前景

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

基于不同車型項目的開發(fā)需求，造型可視化設計團隊可以逐步采集所需的實景數(shù)據(jù)，構建實景采集數(shù)據(jù)庫， 以不斷增加虛擬展示場景的多樣性[5]。由于實景采集場景可以重復使用，當數(shù)據(jù)庫得到充分擴張后，會為涉及汽車造型可視化設計的工作帶來極大便利。

結束語

數(shù)字化實景采集技術因其場景真實感強、制作流程快捷高效及交互性出色等特點受到業(yè)界青睞。相比計算機場景建模與實車現(xiàn)場采集，數(shù)字化實景采集技術能夠在規(guī)避兩者缺點的同時，兼顧兩者的優(yōu)點。該技術在汽車造型設計中的廣泛應用將進一步降低造型開發(fā)成本， 節(jié)省開發(fā)時間，提高汽車造型展示質(zhì)量，并以虛擬現(xiàn)實等新技術為載體，推動汽車造型設計的發(fā)展，提高虛擬展示的效果。