楊順超

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 應用背景

中國制造2025的提出,推動著裝備制造領域中智能制造技術的大力發(fā)展。作為智能制造的核心技術,虛擬技術方興未艾。2016年被業(yè)界認為是虛擬現(xiàn)實技術元年,虛擬現(xiàn)實技術利用計算機生成模擬環(huán)境,借助專業(yè)設備使用戶進入虛擬空間,實時感知,從而獲取身臨其境的真實感受[1]。

隨著現(xiàn)代科技和經濟的發(fā)展,傳統(tǒng)的表現(xiàn)方式已不能適應現(xiàn)實需求。360°全景技術廣泛應用于各行各業(yè),為家裝、公共設施、旅游業(yè)、會展、企業(yè)宣傳、產品和服務提供了更現(xiàn)代化和科技化的數(shù)字化展示方案[2]。

全景虛擬現(xiàn)實技術同樣可以應用于工廠的對外展示。使用者只需要戴上虛擬現(xiàn)實技術頭顯設備,便可以體驗沉浸式漫游,巡視工廠內的設備布局、運行原理、職工的精神面貌等,可省去往返工廠及巡游的時間,具有便捷式參觀的效果,還保障了安全性。隨著全球信息化建設的深入推進,數(shù)字化、網(wǎng)絡化、移動化的科技浪潮為人們獲取新知識增添了更多元化的途徑,筆者介紹全景虛擬技術在工廠展示中的應用。

2 全景虛擬現(xiàn)實技術

全景虛擬現(xiàn)實是基于全景圖像的真實場景虛擬現(xiàn)實技術。使用全景相機或將相機環(huán)360°拍攝的一組或多組照片拼接成一個全景圖像,通過計算機技術實現(xiàn)全方位互動式觀看的真實場景還原展示。全景虛擬現(xiàn)實圖像如圖1所示,在播放插件的支持下,使用鼠標控制環(huán)視的方向,可左可右,可近可遠,使用者好像處在現(xiàn)場環(huán)境中,由一個三維窗口進行瀏覽。若使用全景視頻,則可以在計算機端或虛擬現(xiàn)實一體機中進行沉浸式漫游[3]。全景虛擬現(xiàn)實技術相比傳統(tǒng)三維建模,更加簡便與快捷,免去了煩瑣的模型制作、圖像渲染等操作,通過相機進行真實場景捕捉,便可以獲得全方位的視角。通過全景圖片漫游制作平臺,還可以在場景中添加圖片、文字、視頻、音頻等元素,使使用者在獲得整體認識的同時,還能夠深入了解每個細節(jié)。全景漫游可以通過網(wǎng)頁、移動設備、虛擬現(xiàn)實頭顯設備等進行瀏覽,能夠廣泛應用于家裝、企業(yè)宣傳等多個領域。

圖1 全景虛擬現(xiàn)實圖像

3 拍攝方案

全景虛擬現(xiàn)實的呈現(xiàn)形式可以分為圖片漫游與視頻漫游。通過專業(yè)平臺將全景圖片按參觀路徑進行整合形成圖片漫游。用鼠標進行上下左右前后拖動觀看,還可以通過鼠標滾輪放大、縮小場景。圖像內部可以設置熱點,點擊熱點可以實現(xiàn)場景的來回切換。還可以插入語音解說、圖片及文字說明。通過拍攝全景視頻的方式采集素材,進行素材整理后通過專業(yè)剪輯軟件按客戶需求對所有片段進行整合,形成視頻漫游,還可以添加虛擬的特效元素以豐富體驗。

具體而言,全景虛擬現(xiàn)實技術有三種拍攝方案。

3.1 定點拍攝

全景素材采集既可以使用普通單反相機,也可以使用全景魚眼相機。普通相機由于視角不夠寬廣,要拍幾百上千張照片,才能夠保證后期完整拼接。每個角度連拍三張,一張正常曝光,一張欠曝,一張過度曝光。在后期修圖時,可以將勻態(tài)過度曝光的地方修正常,也可以將過暗的地方恢復到正常亮度。

全景相機配備六個及以上的魚眼鏡頭,可以拍攝分辨率為8 K的超清全景視頻,拍攝的同時可以通過移動電話進行遠程監(jiān)控,并且可以精確調整亮度、對比度、曝光等重要參數(shù)。一鍵拍攝之后會存儲一組六張照片,極大提高了效率。

全景相機與三腳架組合,可以定點采集某些場景的素材,通常用于記錄一個對象的整體過程。為了使視頻內容更加豐富,可以采用多角度、多機位方法,在比較有特色的視角同時錄制,為后期剪輯提供素材[4]。定點拍攝方案如圖2所示。

3.2 移動式拍攝

移動式拍攝指設備在移動的同時采集素材。在一個全景虛擬現(xiàn)實視頻中,如果所有的拍攝形式都是定點拍攝,那么即使內容再豐富,觀眾也會因為單調的拍攝形式而感到疲勞。因此,移動式拍攝可以使視頻的運鏡模式更加多樣化。

圖2 定點拍攝方案

移動式拍攝的呈現(xiàn)效果十分震撼,但是拍攝的難度比定點拍攝大很多。全景相機在采集素材時,六個魚眼鏡頭同時記錄周邊的事物,因此單獨靠手持式移動拍攝,其中必然會有一兩個鏡頭拍攝到當事人,影響到整部視頻的畫面效果。就算當事人將攝像機舉在自己的正上方,也會因為移動產生的抖動而影響畫質。

如果要虛擬參觀工廠實景,單靠定點記錄不同設備的工作流程顯得單調,并且不真實,對此,在工廠內部可以借助平衡車,實現(xiàn)移動式全景拍攝。平衡車運動速度慢并且穩(wěn)定,最終呈現(xiàn)的效果中不會存在強烈的抖動及光線的快速轉變。平衡車移動式拍攝方案如圖3所示。

圖3 平衡車移動式拍攝方案

在工廠外部取景時,可以將全景相機和三腳架放置在轎車頂上,通過約束固定拍攝設備,緩慢行駛即可。

3.3 航拍

航拍畫面大氣磅礴,賞心悅目,與地面拍攝相比更具視覺沖擊力。一般的消費級無人機都配備了高像素攝像頭,但是只能拍攝普通的二維視頻,若想實現(xiàn)全景航拍,就必須配備全景相機。

消費級無人機目前尚不存在和全景相機的組合方案,少數(shù)人會將全景相機綁定在小無人機上采集全景素材,但是效果一般,并且伴有一定的危險性。筆者采用大疆專業(yè)級無人機,能夠承受一定的負重,并且具有較高的安全性[5]。

全景相機航拍方案主要有兩種。第一種為采用insta360pro或insta360pro2,分別與無人機組裝在一起,如圖4所示。insta360pro2自帶防抖功能,無需另外增設云臺,屬于一體機拍攝,后期拼接處理也較為方便。第二種將六個運動相機鑲嵌在特制的固定架上,組成一個能夠拍攝上下左右前后六個方位的拍攝系統(tǒng),由于每個運動相機分別采集分辨率為2 704×1 520的素材,因此最終拼接得到的畫質比第一種方案更為清晰。使用運動相機的最大缺點是,如果有一個運動相機出現(xiàn)故障,那么其余五個運動相機拍攝的素材就報廢了。

圖4 航拍方案

4 后期編輯

全景虛擬現(xiàn)實技術的交付成果文件由拍攝與編輯兩部分組成,前期會花費一半的時間進行素材采集,待所有內容拍攝完成后,即可進行后期編輯。

4.1 素材拼接

由于采用六鏡頭全景相機進行拍攝,因此每部分素材都由六張照片或者六個視頻組成。可用官方配套的拼接軟件進行素材拼接[6],如圖5所示。拼接過程中可以對亮度、對比度、飽和度、曝光等參數(shù)進行微調,也可以在后期剪輯軟件內進行調試。如果在素材采集過程中都是使用raw格式或低飽和度模式進行拍攝,那么可以在后期軟件中進行調色,提高視頻的質感[6]。

圖5 素材拼接

在拍攝地面與天空時,全景相機會拍攝到底部三腳架及頂部無人機葉片,因此在拼接完成之后需要進行補天與補地操作。拼接軟件中自帶的功能是將一張圓形圖片覆蓋在視頻底部,通常會使用企業(yè)標志圖片,但是用這一方法會遮擋較多的底部畫面,并且影響美觀,顯得與視頻整體效果不協(xié)調。建議消除無人機葉片時,可以用一張全景天空圖進行遮擋,隨后調節(jié)羽化、色彩等參數(shù)。對于地面全景,則摳出三腳架,用內容填充的方式進行增補。

4.2 內容剪輯

待所有的視頻片段拼接完成并進行補天補地操作后,可以按照參觀路徑順序對過渡片段根據(jù)邏輯進行拼接剪輯。素材剪輯如圖6所示。為了使素材盡可能完整,不造成遺漏,在剪輯軟件中不僅要將所有片段整合在一起,而且要對某些特定的素材進行裁剪、加速、減速等操作。所有的素材都整合完畢之后,再添加字幕、解說、背景音樂等輔助元素,使全景視頻更富層次感,內容更加飽滿[7]。

4.3 視頻特效

特效指通常由計算機軟件制作的,現(xiàn)實中一般不會出現(xiàn)的特殊效果。全景視頻的片頭片尾需要展示內容主題及鳴謝等片段,這些畫面相機無法拍攝,需要使用特效軟件進行制作。同時,為了增加視頻的科幻感,經常會在某些場景或對象上增加粒子效果,此類效果都是靠特效制作來實現(xiàn)的。

圖6 素材剪輯

5 展示效果

上海電氣電站設備有限公司臨港工廠位于聯(lián)合廠房5-6區(qū),于2008年8月1日投入生產,廠房面積近30 000 m2,加工汽輪機、發(fā)電機的核心部件,以及核電常規(guī)島部分。以上海電氣臨港工廠為展示對象,利用全景相機、工業(yè)級無人機與運動攝像頭組成的拍攝系統(tǒng),通過全景虛擬現(xiàn)實技術進行展示。

參觀者乘坐廠內班車對上海電氣電站設備有限公司臨港工廠每個車間進行參觀,存在缺點與不足:① 參觀及往返路程需要花費較長時間;② 前期準備工作需要消耗大量人力與物力;③ 難以提供用戶定制化參觀路線,需要按標準路線進行參觀;④ 參觀機加工與熱處理相關技術的車間時,無法保障絕對安全;⑤ 無法在任意時間段對指定的關機設備及加工工藝流程進行參觀。

通過全景拍攝技術,對廠區(qū)的整體布局進行全景航拍,如圖7所示,并且對所有車間內部設備及工作狀態(tài)進行視頻采集。在前期準備工作完成之后,可以制作多種腳本,根據(jù)不同主題與參觀路線進行素材整合及后期加工,添加音頻、字幕、標注、特效等元素,最終將成品導入虛擬現(xiàn)實一體機或移動終端,針對不同參觀者提供不同的全景視頻。利用沉浸式漫游方案,可以不受天氣與節(jié)假日約束,解決參觀者隨時隨地進行廠區(qū)參觀的問題。整個廠區(qū)的參觀方案以數(shù)字化形式進行存儲,后期新添加或更換關鍵部件只需要進行補拍,極大降低了人工成本[8]。

6 結束語

虛擬現(xiàn)實作為戰(zhàn)略性新興產業(yè),給人們的生活帶來了翻天覆地的變化,社會各界對虛擬現(xiàn)實產業(yè)的關注度持續(xù)提高,國家高度重視虛擬現(xiàn)實產業(yè)的發(fā)展,并在國家層面積極規(guī)劃和布局重點,以促進虛擬現(xiàn)實產業(yè)的多元化、規(guī)范化發(fā)展。全景虛擬現(xiàn)實技術在工廠展示中是發(fā)展的方向。未來,越來越多的參觀展示將由傳統(tǒng)的帶隊游覽發(fā)展為沉浸式虛擬現(xiàn)實漫游。傳統(tǒng)的平面視頻宣傳片也會逐漸被全景視頻替代。隨著虛擬現(xiàn)實技術及全景設備的發(fā)展,工廠展示、新員工技術培訓、項目招標和評審會變得更多元化、數(shù)字化、虛擬化[9]。

圖7 工廠全景航拍

虛擬現(xiàn)實是新生代的信息交互技術,自2016年以來,經過不斷發(fā)展和完善,迅速在各個領域和行業(yè)得到了廣泛應用,對人們的知覺體驗有著良好的增強作用[10]。全景虛擬現(xiàn)實技術在工廠展示中應用,可以為參觀者呈現(xiàn)一個真實的沉浸式場景,減少參觀者在路途中所花費的時間,并且參觀者可以根據(jù)自身需求反復參觀各個場景,具有推廣價值。