數字化實景采集技術在汽車造型開發中的應用

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

引言

隨著計算機圖形技術與軟件的發展，各行各業積極投身數字化轉型，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。行業環境的變化促使汽車行業的開發流程與方法也朝著數字化、虛擬化的方向不斷邁進。從方案評審、生產制造到終端銷售，流程中的各環節數字化、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境的視覺觀感。以上因素催生了數字化實景采集技術，近年來在影視、建筑、交通出行和工業設計等領域中得到了廣泛應用，在未來具有廣闊的發展前景。數字化實景采集技術因其同時具有逼真的視覺呈現與快捷方便的可操作性的特點，在汽車造型開發中具有重大應用價值，對推動汽車造型設計的發展具有重要意義。目前國內外各大車企在數字化實景采集技術的應用逐漸廣泛，但尚未形成統一的方法。

數字化實景采集技術概述

數字化實景采集技術，是指通過相機等成像設備， 從系統外部采集圖像信息并通過軟件將其合成轉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。在汽車造型開發工作中，數字化實景采集技術被主要用于采集與構建虛擬展示環境，在造型方案評審、靜態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境中的細節，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范圍圖像。

HDRI（High Dynamic Range Image，高動態范圍圖像） 是指通過照相機捕捉實現從黑暗陰影到高亮光源的更大動態范圍圖像。它的核心特點是：相比其他如jpg、png 等日常使用的低動態范圍圖像格式，HDRI 具有更大擴充的光照動態范圍。HDRI 的核心優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境下的亮度值。因此，HDRI 能夠良好地模擬真實環境下的光照效果，成為數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

數字化實景采集技術在汽車造型開發中的可行性分析

3.1數字化實景采集技術傳統替代手段

由上文可知，數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。在數字化實景采集技術出現之前，傳統汽車造型場景采集的方法主要為實車現場采集，即全部使用實車實景。隨著計算機技術的發展和普及，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過程中，往往在實體模型完成制作交付的時間節點之前，就有對實景仿真的需求，這對于實車現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據呈現，所以場景的可編輯性高，可以靈活地根據需求進行修改，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數字化實景采集技術的優勢

數字化實景采集技術在現場拍攝獲取實景信息，并通過軟件進行處理、渲染及合成，將傳統采集技術與計算機后期處理技術相結合。在避免了傳統實車現場采集與計算機場景建模的缺點的同時，又兼顧了二者的優點。不僅效果逼真、制作快速高效，又把對采集現場的要求降低到了可以接受的范圍內。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，通過應用數字化實景采集技術能夠輸出高質量的虛擬展示環境，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。同時由于現場采集與后期合成的工作能夠單獨拆分出來，成員調動較為靈活，團隊便可以在緊湊項目開發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，對現實場景進行處理和再現，因而展現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三維軟件限時商業許可證費用。

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

5）適用性：數字化實景采集技術不僅可以用于靜態高質量渲染圖片，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場架設拍攝設備，根據實際光照信息調整參數，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：根據項目需求，首先需要確定在哪個季節進行實景采集。四季的植被環境的呈現是完全不同的， 所以需要最先確定以哪個季節作為基調。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車身的整體比例姿態及造型細節。

2）地利：根據項目中車型所體現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，不能出現明顯突出的物體，以免因透視比例失調影響視覺效果。

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境使用的影響，以保證環境的泛用性。

4.2數字化實景采集與合成流程

數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。為了保證拍攝連續階段曝光，需要根據色板調整曝光補償與機內白平衡，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，最后通過專業的軟件進行HDRI 合成，實現比普通數字圖像技術更大曝光動態范圍的效果進行汽車造型虛擬展示的實際應用。數字化實景采集一般流程圖如圖3 所示。

圖3 數字化實景采集流程圖

4.3數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，應用數字化實景采集技術的載體主要分為實時虛擬環境與靜幀環境，兩者都是汽車造型開發中可視化設計工作的重要呈現方式。

以汽車造型設計中最常用的可視化設計軟件Vred 為例，數字化實景采集技術所輸出的全景圖像數據通過與軟件中的半球空間相匹配，構建出實時虛擬環境。它允許觀看者的視角在其中自由旋轉切換，從而得以全方位的觀察汽車內外飾造型。實時虛擬環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實沉浸式體驗。只需載入不同的虛擬環境數據，便可以模擬汽車造型在不同環境條件下的視覺效果。

靜幀渲染是數字化實景采集技術的另一種呈現方式。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境的靈活性，但能在單一角度上獲得更高的實景采集質量。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，無論是用于內部造型評審的造型條線定義與材質定義渲染圖，還是用于對外發布及公關宣傳的高質量渲染圖，都是以靜幀渲染作為基礎。

圖4 靜幀渲染示例

發展前景

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

基于不同車型項目的開發需求，造型可視化設計團隊可以逐步采集所需的實景數據，構建實景采集數據庫， 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，當數據庫得到充分擴張后，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界青睞。相比計算機場景建模與實車現場采集，數字化實景采集技術能夠在規避兩者缺點的同時，兼顧兩者的優點。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成本， 節省開發時間，提高汽車造型展示質量，并以虛擬現實等新技術為載體，推動汽車造型設計的發展，提高虛擬展示的效果。