基于Alias的汽車(chē)CAS曲面造型

黃 磊，方 成，萬(wàn)茂林

Huang Lei, Fang Cheng, Wan Maolin

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

0 引 言

Alias作為一款主流的汽車(chē)設(shè)計(jì)軟件，它集成的模塊可以運(yùn)用到從概念草圖的繪制到模型的創(chuàng)建以及模型的渲染階段，現(xiàn)在它幾乎已經(jīng)被運(yùn)用到了各行各業(yè)，尤其是在汽車(chē)行業(yè)。

1 Alias的特點(diǎn)

Autodesk Alias 軟件是目前世界上最先進(jìn)的工業(yè)造型設(shè)計(jì)軟件，它擁有靈活控制的三維空間；強(qiáng)勁而眾多的曲線(xiàn)及曲面控制功能，比照片更漂亮的渲染效果；Nurbs曲面輸出不僅可用于快速成型及模具制造用途，更可直接輸送至其他CAD系統(tǒng)；其功能模塊有：交互式草圖及噴繪、自由曲面Nurbs建模、二維至三維數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)化、設(shè)計(jì)動(dòng)畫(huà)，逼真的渲染效果以及 CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等[1]。Alias 是一個(gè)同時(shí)具備 Nurbs曲面和 Bezier 曲面建模功能的軟件。Nurbs 曲面用于快速建模，而B(niǎo)ezier 曲面主要用于高質(zhì)量精準(zhǔn)的曲面建模，它是A級(jí)曲面的基礎(chǔ)，通過(guò)點(diǎn)逼近的方法，獲得B樣條插值的曲面數(shù)學(xué)表達(dá)式。Alias 的造型原理就是根據(jù)這種數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述空間曲面[2]。

2 汽車(chē)A面

A面指的是A級(jí)曲面，也就是汽車(chē)設(shè)計(jì)里面常說(shuō)的CAS（Class-A-Surface）。在汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域這是一個(gè)極為重要的概念也是汽車(chē)設(shè)計(jì)師和A面師的必備技能。CAS指的是具備很高質(zhì)量的曲面，所謂曲面的質(zhì)量在視覺(jué)上的直觀(guān)表達(dá)就是非常光順、沒(méi)有褶皺和無(wú)理由的不連續(xù)。從數(shù)學(xué)上說(shuō)，CAS指的是各個(gè)分面之間具備G2級(jí)連續(xù)性以及曲率半徑跳躍小于一定值的曲面。G2連續(xù)是必備的，但是曲率跳躍則是各個(gè)車(chē)廠(chǎng)的要求不一樣。其中通用的要求比較低，是0.05 mm，豐田次之，是0.03 mm，寶馬和大眾的要求最高，達(dá)到0.02 mm。然而連續(xù)性要求達(dá)到之后，還有一個(gè)半徑跳躍，如果半徑跳躍過(guò)大，從斑馬紋檢測(cè)和環(huán)境反射檢測(cè)出來(lái)的結(jié)果就是S紋和褶皺，看起來(lái)很不舒服。所以做A面要求簡(jiǎn)單、直接、光順，一般橫縱CV不超過(guò)6個(gè)，也就是U和V都是最高D5級(jí)曲線(xiàn)。做A面對(duì)技術(shù)的要求極高，沒(méi)有對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一定理解和長(zhǎng)期Nurbs建模的經(jīng)驗(yàn)是不行的，它的核心就是分面。曲面怎么分割才最容易達(dá)到效果，因?yàn)槠?chē)?yán)锩婧芏喽疾皇菢?biāo)準(zhǔn)Nurbs曲面的四邊結(jié)構(gòu)而是三邊、五邊甚至六邊，這就要求很高的分面技巧。

3 傳統(tǒng)汽車(chē)與現(xiàn)代汽車(chē)的造型開(kāi)發(fā)

產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。所謂“產(chǎn)品”，是指人類(lèi)生產(chǎn)制造的物質(zhì)財(cái)富，它是由一定物質(zhì)材料以一定結(jié)構(gòu)形式結(jié)合而成的，具有相應(yīng)功能的客觀(guān)體，是人造物，而非自然形成的物質(zhì)，也不是抽象的精神世界。所謂“造型”，不是單純的外形設(shè)計(jì)，而是更為廣泛的設(shè)計(jì)與創(chuàng)造活動(dòng)，它不僅包括產(chǎn)品形態(tài)的藝術(shù)設(shè)計(jì)，而且包括與現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品形態(tài)及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)定功能有關(guān)的材料、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、工藝等方面的技術(shù)性設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，產(chǎn)品形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料、工藝與使用功能相統(tǒng)一，與人的心理、生理相協(xié)調(diào)，這些始終是研究和解決的主要內(nèi)容[3]。

3.1 傳統(tǒng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)流程

市場(chǎng)調(diào)研——?jiǎng)?chuàng)意概念設(shè)計(jì)（草圖，概念圖，概念草模）——逆向流程（膠帶圖、油泥模型）——數(shù)字模型（虛擬演示、A級(jí)曲面模型）——工程校驗(yàn)——模型凍結(jié)。

3.2 現(xiàn)代汽車(chē)的開(kāi)發(fā)流程

市場(chǎng)調(diào)研——概念草圖（手繪、效果圖）——概念數(shù)字模型——A級(jí)數(shù)字模型——A級(jí)數(shù)模發(fā)布[4-5]。

在現(xiàn)代汽車(chē)的開(kāi)發(fā)流程中，區(qū)別于傳統(tǒng)的是不需要逆向工程，而且一切校驗(yàn)過(guò)程都在計(jì)算機(jī)上完成，速度快、效率高，這時(shí)Alias作為一款高效、快速的設(shè)計(jì)軟件就能突顯出自己的優(yōu)勢(shì)，下面以Alias為媒介介紹一下現(xiàn)代汽車(chē)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

4 基于Alias的汽車(chē)正向開(kāi)發(fā)

首先，對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品針對(duì)市場(chǎng)以及所要實(shí)現(xiàn)的功能認(rèn)真分析后進(jìn)行參考圖片的繪制，或者使用現(xiàn)成的產(chǎn)品參數(shù)信息的參考圖片，導(dǎo)入Alias后，即可對(duì)車(chē)身的軸距、輪距以及車(chē)身大體輪廓有一個(gè)初步的界定。然后就可以開(kāi)始基于參考圖片的信息繪制模型。繪制模型時(shí)，先進(jìn)行基礎(chǔ)大面與基準(zhǔn)面的繪制，其他的細(xì)節(jié)以及裝飾件或面可以在整體模型繪制完成后進(jìn)行，在完成車(chē)身繪制后進(jìn)行內(nèi)飾的設(shè)計(jì)與繪制。最后，就是曲面連續(xù)性的檢查，檢查能不能達(dá)到A面的要求。

4.1 參考圖片的應(yīng)用

汽車(chē)設(shè)計(jì)師把最初的創(chuàng)意用草圖的形式表現(xiàn)出來(lái)，最終可以根據(jù)造型師設(shè)計(jì)的概念草圖，導(dǎo)入Alias，對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)模的繪制。首先進(jìn)入 Alias 2010，建立Wire文檔。通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊File>Import>Canvas image…，可分別將轎車(chē)的三視圖（Top，Left，Back）導(dǎo)入三視窗[6]，然后調(diào)整圖像，使其在三視圖上的尺寸能夠一一對(duì)應(yīng)。一般行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是在側(cè)視圖中車(chē)頭朝向左邊，在進(jìn)行圖片大小的調(diào)節(jié)時(shí)可以先將前輪中心放在原點(diǎn)處然后畫(huà)出軸距進(jìn)行縮放。如果不是基于標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型的改款或改進(jìn)，則可以導(dǎo)入設(shè)計(jì)師的概念圖，按以上方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成前期的準(zhǔn)備工作。

4.2 車(chē)身曲面的制作

4.2.1 車(chē)身基礎(chǔ)面輪廓線(xiàn)的制作

當(dāng)對(duì)齊好三視圖后，就以三視圖為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)字模型。首先從 Y0線(xiàn)開(kāi)始勾勒出汽車(chē)型體，Y0 線(xiàn)決定了最終汽車(chē)的外型，是繪圖的關(guān)鍵線(xiàn)，在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)或汽車(chē)造型改款時(shí)準(zhǔn)確地繪制Y0線(xiàn)對(duì)車(chē)身的造型影響很大，如圖1所示。

4.2.2 車(chē)身基礎(chǔ)曲面與內(nèi)飾以及車(chē)身細(xì)節(jié)的制作

首先，建立曲線(xiàn)模型，然后由曲線(xiàn)模型再建立曲面模型，在建立曲線(xiàn)模型的階段要注意使用曲率梳對(duì)所繪制的曲線(xiàn)進(jìn)行曲率檢查，且在滿(mǎn)足造型要求的前提下以曲率梳上不出現(xiàn)尖點(diǎn)，在曲線(xiàn)的過(guò)渡處曲率梳能平滑過(guò)渡為最佳。在建立曲面模型時(shí)，利用先前建立的曲線(xiàn)分別構(gòu)建車(chē)前部分、頂棚及前擋風(fēng)玻璃部分和車(chē)身后部的基礎(chǔ)曲面，隨后構(gòu)建車(chē)側(cè)圍基礎(chǔ)曲面，包括車(chē)身肩部、前后翼子板和擋泥板曲面。車(chē)身細(xì)節(jié)與內(nèi)飾可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行繪制，可以在車(chē)身基礎(chǔ)曲面圖里直接繪制也可在確定尺寸的情況下單獨(dú)地新建另外一個(gè)Wire文件進(jìn)行繪制。在繪制車(chē)身基礎(chǔ)曲面的時(shí)候要注意各部分之間的相互關(guān)系，分面的合理性對(duì)繪制效率與繪制圖形能否準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)者的思想有很大的影響。同時(shí)，也要注意各分面之間的連續(xù)性要求，在此之前的曲線(xiàn)建模階段就要保證有連續(xù)關(guān)系的分面之間的曲線(xiàn)必須建立各種連續(xù)關(guān)系（G0點(diǎn)連續(xù)、G1相切連續(xù)、G2曲率連續(xù)、G3曲率變化率連續(xù)），從而在車(chē)身基礎(chǔ)曲面建立起來(lái)之后也能達(dá)到上面所述的各種連續(xù)關(guān)系。在車(chē)身建模階段通過(guò)直接建面就能達(dá)到A Class要求，一般使用Rail Surface、Square、Surface fillet、Freeform blend，使用這幾個(gè)工具建面最好時(shí)能達(dá)到G2曲率連續(xù)，而如果在建面階段無(wú)法達(dá)到曲率連續(xù)，可以在建面后使用Align工具調(diào)整達(dá)到曲率連續(xù)，同時(shí)也可以使 Dynamic section工具按照實(shí)際情況的需要將曲面分成多段進(jìn)行曲率的檢查，均以不出現(xiàn)尖點(diǎn)且在過(guò)渡處能平滑過(guò)渡為最佳狀態(tài)，從而保證能夠做出滿(mǎn)足汽車(chē)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)要求的A Class面，以便在準(zhǔn)確表達(dá)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想的同時(shí)制作出一個(gè)美觀(guān)、漂亮的車(chē)身，如圖2所示。

4.3 輪胎的制作

輪胎可在另一新建的Wire文件里面單獨(dú)構(gòu)建，根據(jù)具體廠(chǎng)家提供的輪胎參數(shù)和外觀(guān)圖片，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)者自己設(shè)計(jì)產(chǎn)品的要求來(lái)自主地創(chuàng)建相應(yīng)的輪胎外表面，輪轂可以根據(jù)設(shè)計(jì)者自己的設(shè)計(jì)思想在滿(mǎn)足行駛要求的條件下自由繪制任何形式的輪轂，如圖3所示。

4.4 曲面連續(xù)性的檢查

在完成以上的曲線(xiàn)建模以及曲面建模之后，最后一步就是對(duì)之前通過(guò)各種手段與方式建立起來(lái)的模型在分面處以及有相關(guān)關(guān)系的地方進(jìn)行連續(xù)性檢查，雖然在之前的建模過(guò)程中已經(jīng)運(yùn)用了可以達(dá)到4種連續(xù)（點(diǎn)連續(xù)、相切連續(xù)、曲率連續(xù)、曲率變化率連續(xù)）的建面工具，但是在汽車(chē)造型設(shè)計(jì)中，對(duì)車(chē)身曲面的要求非常高，單塊曲面的質(zhì)量必須簡(jiǎn)潔、合理與平緩。曲面要盡量用階數(shù)來(lái)描述，同時(shí)盡量不要有多余的Span數(shù)產(chǎn)生，即在完成車(chē)身繪制后要達(dá)到A Class的要求。在曲率出現(xiàn)較大變化或轉(zhuǎn)折的地方要適當(dāng)加一些CV控制點(diǎn)。曲面的CV和Span 分布要均勻合理，不能有明顯的跳動(dòng)。曲面的高光走勢(shì)和曲率變化也應(yīng)力求平緩。Nurbs曲面連續(xù)性包括相切連續(xù)性、曲率連續(xù)性和曲率變化率連續(xù)性等，一般最高要求達(dá)到曲率變化率連續(xù)即可。在 Alias 中曲面連續(xù)性的判斷分為3類(lèi)，一是數(shù)據(jù)檢測(cè)；二是高光環(huán)境檢測(cè)；三是工具檢測(cè)。（l）數(shù)據(jù)檢測(cè)方式。在 Alias中的檢測(cè)方式是Deviation table 列表，將所檢測(cè)的 2 塊曲面的交接線(xiàn)上的G0～G2的相差數(shù)值列出，如果數(shù)值小于用戶(hù)所設(shè)定的連續(xù)性公差，就可以說(shuō)該交界處具有某種連續(xù)性。黃色邊界所示區(qū)域的連續(xù)性數(shù)值列在了列表中，而白色所框選的區(qū)域是邊界檢測(cè)采樣點(diǎn)沒(méi)有達(dá)到公差所設(shè)定范圍的數(shù)值列表，而由于采樣點(diǎn)未達(dá)標(biāo)，反映在模型上就是所檢測(cè)的曲面沒(méi)有達(dá)到連續(xù)[7]。（2）高光環(huán)境檢測(cè)方式。所有曲面的連續(xù)性最終都要反映到曲面映射環(huán)境高光的視覺(jué)效果上來(lái)，而環(huán)境檢測(cè)方式就是利用這個(gè)方法來(lái)判斷2塊曲面的連續(xù)性。Alias 軟件有3種基本的環(huán)境監(jiān)測(cè)方式，一是直接模擬自然光線(xiàn)的光反射效果；二是模擬多個(gè)水平白熾燈組投射效果的斑馬線(xiàn)反射效果，如圖4所示；三是將曲面不連續(xù)的邊界瑕疵以某種數(shù)學(xué)計(jì)算模式放大，最后以一種色彩貼圖顯示出來(lái)的曲率檢測(cè)方法。（3）工具檢測(cè)方式。在Alias中，有專(zhuān)門(mén)的曲率檢查工具，它是一個(gè)可以檢測(cè)出曲面連接處連續(xù)性的工具，找到工具Surface continuity，設(shè)置你需要檢測(cè)的邊界處需要滿(mǎn)足哪種連續(xù)（點(diǎn)連續(xù)、相切連續(xù)、曲率連續(xù)），同時(shí)在有連續(xù)性關(guān)系以及需要檢查的邊處點(diǎn)擊，達(dá)到什么樣的連續(xù)一目了然，如圖5所示工具檢測(cè)曲面的連續(xù)性均達(dá)到了曲率連續(xù)。

5 A面渲染模型的展示

在現(xiàn)代的汽車(chē)設(shè)計(jì)中，渲染制作逼真的效果圖已經(jīng)成為了汽車(chē)設(shè)計(jì)必不可少而且越來(lái)越重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)模型的渲染可以把建立好的虛擬模型逼真地呈現(xiàn)出來(lái)，給人們以更直觀(guān)、更真切的感受，因此它也成為了當(dāng)前世界各大汽車(chē)公司爭(zhēng)相使用的尖端技術(shù)。這一視覺(jué)技術(shù)的核心，就是通過(guò)強(qiáng)大的軟件與硬件能力，將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為栩栩如生的“實(shí)物”，甚至可以制作逼真的照片，使用戶(hù)雖然面對(duì)的是數(shù)字內(nèi)容，但仿佛處于真實(shí)世界，這樣大大縮短了數(shù)字模型與真實(shí)模型間的差距，降低了人們對(duì)實(shí)物模型的依賴(lài)。這無(wú)疑也對(duì)減少油泥模型制作、加快整個(gè)開(kāi)發(fā)流程、減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用及增加多方案嘗試等都有著重大的價(jià)值。目前應(yīng)用于這一領(lǐng)域的軟件并不多，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是Autodesk Showcase，圖 6和圖 7是 Showcase 2011渲染的汽車(chē)外形圖。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用 Alias進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師從原來(lái)繁瑣的繪圖工作中擺脫出來(lái)，使設(shè)計(jì)工作更加直觀(guān)，設(shè)計(jì)方式更加便捷，成倍地提高了設(shè)計(jì)師的工作效率。對(duì)于現(xiàn)代汽車(chē)造型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)已慢慢取代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的筆和紙，成為普遍的新設(shè)計(jì)工具，且Alias 軟件的建模具有很大的靈活性和高精度的特點(diǎn)，將設(shè)計(jì)與工程以及藝術(shù)和科學(xué)連接起來(lái)，這對(duì)于基于數(shù)字化汽車(chē)產(chǎn)品的創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。

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