全景虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工廠展示中的應(yīng)用

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(yīng)用背景

中國制造2025的提出,推動著裝備制造領(lǐng)域中智能制造技術(shù)的大力發(fā)展。作為智能制造的核心技術(shù),虛擬技術(shù)方興未艾。2016年被業(yè)界認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實技術(shù)元年,虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用計算機生成模擬環(huán)境,借助專業(yè)設(shè)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(jīng)濟的發(fā)展,傳統(tǒng)的表現(xiàn)方式已不能適應(yīng)現(xiàn)實需求。360°全景技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),為家裝、公共設(shè)施、旅游業(yè)、會展、企業(yè)宣傳、產(chǎn)品和服務(wù)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(shù)同樣可以應(yīng)用于工廠的對外展示。使用者只需要戴上虛擬現(xiàn)實技術(shù)頭顯設(shè)備,便可以體驗沉浸式漫游,巡視工廠內(nèi)的設(shè)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(shè)的深入推進,數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)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(shù)在工廠展示中的應(yīng)用。

2 全景虛擬現(xiàn)實技術(shù)

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(shù)。使用全景相機或?qū)⑾鄼C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(shù)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(biāo)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(shù)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(rèn)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(shè)備、虛擬現(xiàn)實頭顯設(shè)備等進行瀏覽,能夠廣泛應(yīng)用于家裝、企業(yè)宣傳等多個領(lǐng)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(biāo)進行上下左右前后拖動觀看,還可以通過鼠標(biāo)滾輪放大、縮小場景。圖像內(nèi)部可以設(shè)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(shù)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?qū)拸V,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(fù)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(diào)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(nèi)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(shè)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(nèi)容再豐富,觀眾也會因為單調(diào)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(dāng)事人,影響到整部視頻的畫面效果。就算當(dāng)事人將攝像機舉在自己的正上方,也會因為移動產(chǎn)生的抖動而影響畫質(zhì)。

如果要虛擬參觀工廠實景,單靠定點記錄不同設(shè)備的工作流程顯得單調(diào),并且不真實,對此,在工廠內(nèi)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(zhuǎn)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(shè)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(fù)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(shè)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(zhì)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(shù)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(nèi)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?？捎霉俜脚涮椎钠唇榆浖M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(diào),也可以在后期剪輯軟件內(nèi)進行調(diào)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(diào)色,提高視頻的質(zhì)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(biāo)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(diào)。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(diào)節(jié)羽化、色彩等參數(shù)。對于地面全景,則摳出三腳架,用內(nèi)容填充的方式進行增補。

4.2 內(nèi)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?qū)^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(nèi)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(nèi)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(jīng)常會在某些場景或?qū)ο笊显黾恿Ｗ有Ч?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(shè)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(chǎn),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(shù)進行展示。

參觀者乘坐廠內(nèi)班車對上海電氣電站設(shè)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)路線進行參觀;④ 參觀機加工與熱處理相關(guān)技術(shù)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(guān)機設(shè)備及加工工藝流程進行參觀。

通過全景拍攝技術(shù),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(nèi)部設(shè)備及工作狀態(tài)進行視頻采集。在前期準(zhǔn)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(biāo)注、特效等元素,最終將成品導(dǎo)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(guān)鍵部件只需要進行補拍,極大降低了人工成本[8]。

6 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的關(guān)注度持續(xù)提高,國家高度重視虛擬現(xiàn)實產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的多元化、規(guī)范化發(fā)展。全景虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shù)及全景設(shè)備的發(fā)展,工廠展示、新員工技術(shù)培訓(xùn)、項目招標(biāo)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(shù),自2016年以來,經(jīng)過不斷發(fā)展和完善,迅速在各個領(lǐng)域和行業(yè)得到了廣泛應(yīng)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(shù)在工廠展示中應(yīng)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(fù)參觀各個場景,具有推廣價值。