擴展現實（XR）：空天影像制作的創新應用

趙靖東 李 悅 馬瑞青 /文

空天影像及其傳統制作應用方法

空天影像可以泛指航空航天領域的一切圖形與影像內容。狹義上講，空天影像主要指基于空基平臺的航拍影像，以及來自天基平臺的衛星數據等。廣義上看，可將空天影像定義為涵蓋“地理空間”和“宇宙空間”的地?？仗觳煌N類的相關影像。

空天影像的應用領域非常廣泛，包括航空航天和大多數地球科學學科（例如水文學、生態學、氣象學、海洋學、冰川學、地質學等），以及與之相關的數據測繪、科學工程、教育科普等。

實景拍攝

實景拍攝是最為常見的空天影像制作應用方法之一，往往利用各種空天攝影平臺，直接對真實景物進行影像的拍攝工作。從氣球、風箏甚至鴿子，到火箭、飛艇、各式飛機，再到衛星、飛船和空間站，可以通過利用這些攝影平臺表現出清晰的地理形態和太空影像，運用于國防軍事、交通建設、水利工程、生態研究、城市規劃、天體觀測等業務，還成為了攝影藝術的一個類別。

現場擴展拍攝場景

在影視作品創作中，也會采用地球上的現實場景模擬空天影像。例如空天題材科幻電影《火星救援》（2015）中，攝制組選擇了約旦玫瑰沙漠作為火星室外場景的拍攝地；該沙漠景色開闊、荒蕪壯麗，非常接近火星表面的形態。但地球上天空是藍色，與火星實際情況不符，還需要結合計算機成像技術進行后期處理。

搭景拍攝

搭景拍攝是指先在攝影棚等場景內搭建布景、再進行影像的拍攝工作，常應用于各類場景再現、影視創作等。例如空天影像制作中會涉及到的火箭、飛船、空間站等場景，難以通過實景拍攝來自由地實現拍攝角度、鏡頭運動等畫面控制；同時，在攝影棚中的物理空間中搭建出可觸摸、感知的布景，能夠實現一些計算機成像難以達到的擬真質感。

計算機成像（Computer-Generated Imagery）

計算機成像或計算機圖像（Computer Graphics）可以指通過計算機軟件所繪制的一切圖形圖像的總稱，包括計算機圖形設計、二維動畫、三維動畫，以及通常所說的電影視效（Visual Effects,VFX）等。

在電影《流浪地球》（2019）中，大量絢麗宏偉的太空景觀，都是依靠計算機成像技術、通過數字繪景工作完成的。例如影片中的行星發動機，首先由電影美術設計人員繪制了其整體輪廓，再結合計算機繪圖軟件對部分細節進行完善，但并不需要在攝影棚中將其搭建出來。

實拍與計算機成像相結合

實拍與計算機成像相結合，就是指將實景拍攝、搭景拍攝等與計算機成像技術相結合的綜合性制作方法。一般而言，其影像制作的主要步驟為真人、實景在綠幕前進行拍攝，再在后期制作階段對人物進行摳像，進而與計算機成像獲得的虛擬場景進行結合，從而完成實拍難以實現的畫面，為創作者提供更廣泛的拍攝思路、拓寬了特效電影制作的道路。

擴展現實技術及其應用領域

擴展現實技術（Extended Reality，XR）泛指通過計算機制作、顯示與交互技術等軟硬件條件，所創作的一個真實與虛擬結合、可人機交互的環境。

有觀點認為，擴展現實技術是對此前的虛擬現實、增強現實、混合現實等技術的統稱；也有觀點將其視為對這些技術的高度整合與創造性應用，通過將這些沉浸式交互技術融合在一起，對人的感知系統進行延展。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）

虛擬現實技術是一種創建和體驗交互式三維虛擬環境的計算機仿真技術，它能為用戶提供視覺、聽覺、觸覺等多重感官刺激，用戶可以通過頭盔顯示器、數據手套、體感控制器等傳感設備在虛擬環境中實現交互。

增強現實（Augmented Reality，AR）

增強現實是由虛擬現實技術發展而來的新型技術，通過攝像設備和角度位置判別，來呈現相應的文字、圖像、3D 對象等多媒體信息，從而將虛擬空間圖像與真實世界共同呈現在同一屏幕上，實現虛擬世界和真實世界的無縫連接。

混合現實（Mixed Reality，MR）

混合現實是基于計算機技術、可視化設計以及傳感技術等為用戶打通虛擬和現實通道的新一代信息技術，通過對現實世界與虛擬物體進行二次計算，將虛擬情景與現實融為一體，利用計算機構造出全新的三維空間，讓用戶在混合現實創建的畫面中能夠進行實時的交互。

擴展現實技術在航空航天與國防等領域的應用

虛擬現實與增強現實技術，已被廣泛運用于許多國家的航空航天與國防軍事領域，包括飛行員飛行模擬與訓練、任務規劃與預演及單兵情景意識共享等。例如美國國家試飛員學院開發的融合現實（Fused Reality）創新性虛擬與增強現實綜合系統，可通過外部攝像頭，捕捉飛行環境信息，并置入顯示單元的慣性測量單元來檢測用戶頭部方向，再結合航空總線提供的飛行移動數據生成精確的圖像，為飛行員提供虛實融合的飛行環境，實現在航線上生成虛擬空中加油機、模擬危險的空中加油動作等。

擴展現實影像制作工作流程示意

擴展現實影像制作系統架構示意

歐洲宇航員中心（EAC） 于2015 年創建了XR 實驗室，EAC的XR 活動以多種方式涵蓋了國際空間站的任務。例如，XR 實驗室開發了一款虛擬現實應用程序，以訓練宇航員操作國際空間站17 米長的機械臂，并讓他們熟悉空間站的布局；XR 實驗室的虛擬環境允許訓練宇航員在軌道或行星表面進行太空行走；XR 實驗室的“月球門戶”設計通過虛擬現實技術對失重狀態的高質量模擬，為訓練宇航員探索月球提供了條件。

擴展現實技術在國防軍事領域上最重要的應用特性是消除時空障礙，使士兵能夠實現高效的情景模擬，或者提高人與其他軍事資源調動等協同作戰的效率。例如，美國軍方研制的PARASIM 傘兵指揮官系統，能夠實現與其他系統的無限聯網，使傘兵指揮官能夠在跳傘過程中實時掌握其他成員的位置、狀態信息，提高作戰指揮素養；又如美國軍方研制的Nett Warrior集成化步兵情景意識系統，利用頭戴式光學顯示器，通過聯網平視設備增強士兵的情景意識，使他們能夠準確辨別戰場情況，從而提高生存概率。

擴展現實技術在影像制作領域的應用

擴展現實技術應用于影像制作領域，可以看作是對“電影虛擬化制作”體系的延伸，在實時交互預演與基于LED 背景墻的電影虛擬化制作技術等電影虛擬化制作的分支基礎上更進一步，使影像在現場拍攝與制作過程中實現了對虛擬背景的無限拓展、虛擬前景、甚至是部分虛實交互能力。這一技術不論是對當前影視制作領域的發展，還是對空天影像制作的發展，均有著開拓性的重要意義。

擴展現實影像制作的工作流程也可以參考傳統影像制作流程，劃分為前期籌備、現場拍攝、后期制作、顯示與放映等四個階段。但它與傳統影像制作流程的重要區別在于，強調虛擬場景的前期制作，以及現場拍攝制作環節的統籌協調；整個影像制作周期相較傳統制作周期更短、部門協作性更強，對于創作者的技術能力要求更高。

擴展現實技術在空天影像制作中的應用實例

結合空天影像傳統制作應用方法與擴展現實技術的創新特點，本項目選取了航天器分離、降落與宇航員出艙、行走作為示例影片內容，用以探索擴展現實技術在空天影像制作中的實際應用。在這一示例影片中，需要保持與真實空天環境的一致性，要能夠精確描述地月軌道的運行速度、地球月球自轉公轉速度、空間站距地月距離、月球環境光照情況、月球環境造成可改變的物理狀態等，具有一定的內容典型性與技術挑戰性。

在這一示例影片中，計算機成像場景面積占比較大、高光反射現象普遍、動態范圍和色彩范圍大、拍攝幀率要求較高，其空天影像制作系統的整體架構如圖2 所示。

該制作系統需要分為三部分：首先是實拍場景，包括人物對象表演與物理置景部分；第二是與實景在鏡頭運動、焦點、透視、畸變等方面都匹配一致的虛擬背景，包括由現場LED 立屏顯示的部分以及通過引擎實時擴展合成的部分；第三是虛擬前景（圖2 中藍色部分），前景元素可以分為三種類型，一種是不跟隨實景運動的前景效果，如風霜雨雪、云層或外太空的星際塵埃等粒子效果，一種是跟隨實景運動但無交互的虛擬前景，還有一種是既跟隨實景運動又與演員有交互效果的虛擬前景。與傳統空天影像制作不同的是，為了體現太空的縱深感，需要系統三個部分同時協調，完成對空間感的塑造。

啟示與建議

示例影片《探月模擬》呈現出了擴展現實技術在空天影像制作應用領域的廣闊發展前景?？仗煊跋竦膫鹘y制作應用方法如實景拍攝等，已經愈發難以滿足當下用戶對于直觀呈現、沉浸與交互式體驗的需求；而實拍與計算機成像等傳統的綜合性制作應用方法，不僅制作周期長、成本高，同時在通過其所生產的空天影像科學性、準確性上還有進一步提升的空間。

現場擴展拍攝場景

而在利用擴展現實技術完成的示例影片《探月模擬》中，航天器、宇航員等影像元素在拍攝過程中實時協調、共同完成對空間感的塑造，不僅能夠在教育科普、文化娛樂等領域進一步提升空天影像的科學性、準確性，增強大眾對于空天科學的認知；同時在航空航天、國防軍事等領域，還體現出軍民應用場景轉化與融合的發展可能。

隨著擴展現實技術的持續發展以及在空天影像制作中的深入應用，還應該重視以下關鍵問題。

規范影像制作標準

擴展現實技術是對空天影像制作傳統應用方法的轉型和升級，其拍攝周期有所縮短、在影像制作和呈現方面的形式更為新穎，但影像制作難度仍然較大，需要使用更多的專業設備。因此，有必要將示例影片制作過程中所探索出的空天影像制作應用規范、標準，進一步總結、推廣，實現基于擴展現實技術空天影像制作應用的標準化。

控制影像制作成本

雖然擴展現實技術在進行空天影像制作時縮短了拍攝周期、有利于成本控制，但是仍然涉及到大量的拍攝與顯示設備投入、軟件調試、人員培訓等費用支出。隨著擴展現實技術應用的進一步普及化、標準化，以及在空天影像領域數字資產的逐漸累積，有利于控制影像制作成本。

提升個體學習效能

擴展現實技術是全新的影像制作應用技術，有許多設施設備、配套軟件、操作流程等仍在實驗狀態，除價格因素外，還需要投入一定的學習成本。在規范影像制作標準、控制影像制作成本的基礎上，應當逐步推進相關影像的應用與制作技術的普及工作，在航空航天教育和文化發展方面也有著重大意義。（國家國防科工局新聞宣傳中心）