数字化实景采集技术在汽车造型开发中的应用
本文通过介绍数字化实景采集技术的基本概念及其在汽车造型开发中的具体应用，对比分析出该技术在汽车造型开发中制作虚拟场景的可行性与优势，由此展望了数字化实景采集技术对汽车造型开发领域的影响及发展前景。数字化实景采集技术在汽车造型开发中的应用研究，对于深入了解数字化实景采集技术在汽车造型开发领域的重要性、推动汽车造型设计的发展具有重要意义。
引言
随着计算机图形技术与软件的发展，各行各业积极投身数字化转型，这使得工作不断朝着短周期、低成本、高效率的方向推进，市场竞争进一步加剧。行业环境的变化促使汽车行业的开发流程与方法也朝着数字化、虚拟化的方向不断迈进。从方案评审、生产制造到终端销售，流程中的各环节数字化、虚拟化展示占比不断提升。同时人们对三维场景中的视觉仿真度需求随之不断提高， 要求三维图像能最大程度还原真实环境的视觉观感。以上因素催生了数字化实景采集技术，近年来在影视、建筑、交通出行和工业设计等领域中得到了广泛应用，在未来具有广阔的发展前景。数字化实景采集技术因其同时具有逼真的视觉呈现与快捷方便的可操作性的特点，在汽车造型开发中具有重大应用价值，对推动汽车造型设计的发展具有重要意义。目前国内外各大车企在数字化实景采集技术的应用逐渐广泛，但尚未形成统一的方法。
数字化实景采集技术概述
数字化实景采集技术，是指通过相机等成像设备， 从系统外部采集图像信息并通过软件将其合成转化为可使用的虚拟场景，从而在造型虚拟软件中应用的技术。在汽车造型开发工作中，数字化实景采集技术被主要用于采集与构建虚拟展示环境，在造型方案评审、静态图片渲染及视频动画制作等方面都得到了应用。
汽车造型设计工作对数字化实景采集技术所输出的全景图像是有一定要求的。为了最大程度还原真实环境， 除了图像本身的分辨率及所搭配的三维模型要尽可能还原真实环境中的细节，光照也是非常重要的影响因素。无论是使用普通格式的图片还是在软件中采用虚拟灯光来vwin 现实中的效果，往往都存在诸多局限。解决此问题的有效方法便是使用高动态范围图像。
HDRI（High Dynamic Range Image，高动态范围图像） 是指通过照相机捕捉实现从黑暗阴影到高亮光源的更大动态范围图像。它的核心特点是：相比其他如jpg、png 等日常使用的低动态范围图像格式，HDRI 具有更大扩充的光照动态范围。HDRI 的核心优点在于更加精确的记录大光比信息，诸如还原太阳直射等对比极强的环境下的亮度值。因此，HDRI 能够良好地模拟真实环境下的光照效果，成为数字化实景采集技术最理想的输出载体。拍摄合成的HDRI 示例如图1 所示。
图1 拍摄合成的HDRI 示例
数字化实景采集技术在汽车造型开发中的可行性分析
3.1数字化实景采集技术传统替代手段
由上文可知，数字化实景采集技术主要应用于汽车造型设计的造型展示场景采集，但其并不是唯一的选择。在数字化实景采集技术出现之前，传统汽车造型场景采集的方法主要为实车现场采集，即全部使用实车实景。随着计算机技术的发展和普及，也催生了完全依靠计算机建模的方式来搭建展示场景的方法。
实车现场采集即将实车、布景设备及采集团队集中在采集地进行场景采集。这种方法能够完整还原展车在真实光影中的造型，但局限性也显而易见，只能依赖于物理模型。而在实际的造型项目开发过程中，往往在实体模型完成制作交付的时间节点之前，就有对实景仿真的需求，这对于实车现场采集技术是一个无法突破的需求瓶颈。
计算机场景建模指通过计算机进行场景建模，无需前往现场进行场景采集，所以具有很高的自由度。同时由于所有工作都通过电子数据呈现，所以场景的可编辑性高，可以灵活地根据需求进行修改，显著提高了迭代速度。但通过建模制作展示场景结构复杂，需要漫长的制作时间，无法对时间节点紧凑的工作任务作出快速响应，导致工作耗时会明显提高，开发成本增加。计算机场景建模示例如图2 所示。
图2计算机场景建模示例
3.2数字化实景采集技术的优势
数字化实景采集技术在现场拍摄获取实景信息，并通过软件进行处理、渲染及合成，将传统采集技术与计算机后期处理技术相结合。在避免了传统实车现场采集与计算机场景建模的缺点的同时，又兼顾了二者的优点。不仅效果逼真、制作快速高效，又把对采集现场的要求降低到了可以接受的范围内。汽车造型场景采集所使用的不同手段特点对比见下表，其优势主要包括以下几个方面。
1）高效率：实景采集流程简单、快捷，免去了技术复杂的建模过程，在有限的时间内，通过应用数字化实景采集技术能够输出高质量的虚拟展示环境，提高了造型可视化团队的虚拟展示场景制作效率，从而让团队的整体工作时效得到提升。同时由于现场采集与后期合成的工作能够单独拆分出来，成员调动较为灵活，团队便可以在紧凑项目开发时间中快速开展工作。
2）真实感强：实景采集不是利用计算机生成的模拟图像，而是通过对物体进行实地拍摄，对现实场景进行处理和再现，因而展现的是完全真实的场景。相比计算机建模得到的视觉效果，实景采集更加真实可信，更能使人产生身临其境的感觉。在汽车展示和评审过程中能够达到更好的效果。
3）低成本：数字化实景采集技术的主要成本除人员外， 来自于实景采集硬件设备与后期合成软件。这两者的成本远远低于实车现场采集所需的布景费用与在计算机场景建模中所需要购买的专业三维软件限时商业许可证费用。
4）交互性出色：可以进行上下、左右、前后范围的漫游式浏览。通过虚拟现实技术能够实现实时多人评审交互，提升评审体验[4]。
5）适用性：数字化实景采集技术不仅可以用于静态高质量渲染图片，同时适用于可视化实时虚拟展示中， 满足不同条件下的使用需求。
表汽车造型场景采集所使用的不同手段特点对比
数字化实景采集技术在汽车造型设计中的具体应用方法
4.1数字化实景采集核心要素
在实景采集开始之前，需要首先根据项目需求进行地点的定位分析，然后开展实地勘测，采集光照信息， 并根据气象分析来确定最合适的采集时间。做好充分准备后到达现场架设拍摄设备，根据实际光照信息调整参数，尽快完成采集。成功的实景采集关键在于对天时地利人和的兼顾。
1）天时：根据项目需求，首先需要确定在哪个季节进行实景采集。四季的植被环境的呈现是完全不同的， 所以需要最先确定以哪个季节作为基调。其次需要确定在特定的一天中什么时刻的光照对于展示最合适。一般而言，清晨与傍晚的光照方向与宽容度都会比正午阳光直射的环境更加理想。最后，在一天中的同一时刻，晴天与阴天的光照效果也是完全不同的，比如晴天的直射阳光易于展示金属车漆的颗粒层次感，而阴天相对柔和的光照也利于均衡展现车身的整体比例姿态及造型细节。
2）地利：根据项目中车型所体现的风格与定位的不同，实景采集需要挑选合适的地点才能与车型匹配。比如具有商务属性的轿车会选择都市商务区的街道作为合适的背景，而运动属性强的车型则会选择赛道、山野等场地进行实景采集。与此同时，实景采集的场地中心附近需要是空旷的，不能出现明显突出的物体，以免因透视比例失调影响视觉效果。
3）人和：在进行实景采集的过程中，需要尽量保证采集场景中的物体静止不动，尤其要避免移动的路人对画面造成的干扰，因为其会导致最终合成时出现模糊、重影等干扰。同时，需要尽量避免人文信息尤其是文字信息对环境使用的影响，以保证环境的泛用性。
4.2数字化实景采集与合成流程
数字化实景采集技术包括实景采集与后期合成两方面。首先在实景采集过程中，拍摄手法与技巧至关重要。为了保证拍摄连续阶段曝光，需要根据色板调整曝光补偿与机内白平衡，测试合适的阶段曝光范围。在拍摄过程中，第一张与第二张画面需保留三分之一位置的重合， 同时固定每次相机偏移角度，保证拍摄张数少于90 组。
在完成拍摄采集真实场景后，要进行720°全景图像合成。这一过程中需要捕捉整个场景的图像信息进行图片拼合，并用专门的播放器进行播放，即将平面照片或者计算机建模图片变成720°全景，用于虚拟现实浏览， 把二维的平面图模拟成真实的三维空间，最后通过专业的软件进行HDRI 合成，实现比普通数字图像技术更大曝光动态范围的效果进行汽车造型虚拟展示的实际应用。数字化实景采集一般流程图如图3 所示。
图3 数字化实景采集流程图
4.3数字化实景采集技术在汽车造型设计中的应用载体
在汽车造型设计领域，应用数字化实景采集技术的载体主要分为实时虚拟环境与静帧环境，两者都是汽车造型开发中可视化设计工作的重要呈现方式。
以汽车造型设计中最常用的可视化设计软件Vred 为例，数字化实景采集技术所输出的全景图像数据通过与软件中的半球空间相匹配，构建出实时虚拟环境。它允许观看者的视角在其中自由旋转切换，从而得以全方位的观察汽车内外饰造型。实时虚拟环境因其兼具有沉浸感强与视角自由可变的特点，在汽车造型设计中被广泛应用于造型实时评审与展车虚拟现实沉浸式体验。只需载入不同的虚拟环境数据，便可以模拟汽车造型在不同环境条件下的视觉效果。
静帧渲染是数字化实景采集技术的另一种呈现方式。它基于所采集的二维静止图像来制作，虽没有达到实时虚拟环境的灵活性，但能在单一角度上获得更高的实景采集质量。静帧渲染示例如图4 所示。静帧渲染在汽车造型设计中被广泛用于造型可视化图片输出，无论是用于内部造型评审的造型条线定义与材质定义渲染图，还是用于对外发布及公关宣传的高质量渲染图，都是以静帧渲染作为基础。
图4 静帧渲染示例
发展前景
实景采集的造型虚拟场景制作完成后，其数据可以重复使用，适配不同车型。这使得造型设计方案可以在开发初期就导入虚拟场景，以尽早评估方案在拟真环境中的效果，从而使得可视化设计更早介入造型开发流程。同时，数字化实景采集技术也使虚拟展示环境的用途得到拓展。例如，在早期市场调研阶段，用户便可在没有实车的情况下，通过应用数字化实景采集技术制作的虚拟展示环境体验新车型。
基于不同车型项目的开发需求，造型可视化设计团队可以逐步采集所需的实景数据，构建实景采集数据库， 以不断增加虚拟展示场景的多样性[5]。由于实景采集场景可以重复使用，当数据库得到充分扩张后，会为涉及汽车造型可视化设计的工作带来极大便利。
结束语
数字化实景采集技术因其场景真实感强、制作流程快捷高效及交互性出色等特点受到业界青睐。相比计算机场景建模与实车现场采集，数字化实景采集技术能够在规避两者缺点的同时，兼顾两者的优点。该技术在汽车造型设计中的广泛应用将进一步降低造型开发成本， 节省开发时间，提高汽车造型展示质量，并以虚拟现实等新技术为载体，推动汽车造型设计的发展，提高虚拟展示的效果。
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