基于Alias的汽車CAS曲面造型

黃 磊，方 成，萬茂林

Huang Lei, Fang Cheng, Wan Maolin

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢 430070）

0 引 言

Alias作為一款主流的汽車設計軟件，它集成的模塊可以運用到從概念草圖的繪制到模型的創建以及模型的渲染階段，現在它幾乎已經被運用到了各行各業，尤其是在汽車行業。

1 Alias的特點

Autodesk Alias 軟件是目前世界上最先進的工業造型設計軟件，它擁有靈活控制的三維空間；強勁而眾多的曲線及曲面控制功能，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；其功能模塊有：交互式草圖及噴繪、自由曲面Nurbs建模、二維至三維數學模型的轉化、設計動畫，逼真的渲染效果以及 CAD系統的數據轉化等[1]。Alias 是一個同時具備 Nurbs曲面和 Bezier 曲面建模功能的軟件。Nurbs 曲面用于快速建模，而Bezier 曲面主要用于高質量精準的曲面建模，它是A級曲面的基礎，通過點逼近的方法，獲得B樣條插值的曲面數學表達式。Alias 的造型原理就是根據這種數學表達式來描述空間曲面[2]。

2 汽車A面

A面指的是A級曲面，也就是汽車設計里面常說的CAS（Class-A-Surface）。在汽車設計領域這是一個極為重要的概念也是汽車設計師和A面師的必備技能。CAS指的是具備很高質量的曲面，所謂曲面的質量在視覺上的直觀表達就是非常光順、沒有褶皺和無理由的不連續。從數學上說，CAS指的是各個分面之間具備G2級連續性以及曲率半徑跳躍小于一定值的曲面。G2連續是必備的，但是曲率跳躍則是各個車廠的要求不一樣。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，達到0.02 mm。然而連續性要求達到之后，還有一個半徑跳躍，如果半徑跳躍過大，從斑馬紋檢測和環境反射檢測出來的結果就是S紋和褶皺，看起來很不舒服。所以做A面要求簡單、直接、光順，一般橫縱CV不超過6個，也就是U和V都是最高D5級曲線。做A面對技術的要求極高，沒有對計算機圖形學的一定理解和長期Nurbs建模的經驗是不行的，它的核心就是分面。曲面怎么分割才最容易達到效果，因為汽車里面很多都不是標準Nurbs曲面的四邊結構而是三邊、五邊甚至六邊，這就要求很高的分面技巧。

3 傳統汽車與現代汽車的造型開發

產品造型設計是工業設計的核心內容。所謂“產品”，是指人類生產制造的物質財富，它是由一定物質材料以一定結構形式結合而成的，具有相應功能的客觀體，是人造物，而非自然形成的物質，也不是抽象的精神世界。所謂“造型”，不是單純的外形設計，而是更為廣泛的設計與創造活動，它不僅包括產品形態的藝術設計，而且包括與現實產品形態及實現產品規定功能有關的材料、結構、構造、工藝等方面的技術性設計。在整個設計過程中，產品形態、結構、材料、工藝與使用功能相統一，與人的心理、生理相協調，這些始終是研究和解決的主要內容[3]。

3.1 傳統汽車的開發流程

市場調研——創意概念設計（草圖，概念圖，概念草模）——逆向流程（膠帶圖、油泥模型）——數字模型（虛擬演示、A級曲面模型）——工程校驗——模型凍結。

3.2 現代汽車的開發流程

市場調研——概念草圖（手繪、效果圖）——概念數字模型——A級數字模型——A級數模發布[4-5]。

在現代汽車的開發流程中，區別于傳統的是不需要逆向工程，而且一切校驗過程都在計算機上完成，速度快、效率高，這時Alias作為一款高效、快速的設計軟件就能突顯出自己的優勢，下面以Alias為媒介介紹一下現代汽車的開發過程。

4 基于Alias的汽車正向開發

首先，對所設計的產品針對市場以及所要實現的功能認真分析后進行參考圖片的繪制，或者使用現成的產品參數信息的參考圖片，導入Alias后，即可對車身的軸距、輪距以及車身大體輪廓有一個初步的界定。然后就可以開始基于參考圖片的信息繪制模型。繪制模型時，先進行基礎大面與基準面的繪制，其他的細節以及裝飾件或面可以在整體模型繪制完成后進行，在完成車身繪制后進行內飾的設計與繪制。最后，就是曲面連續性的檢查，檢查能不能達到A面的要求。

4.1 參考圖片的應用

汽車設計師把最初的創意用草圖的形式表現出來，最終可以根據造型師設計的概念草圖，導入Alias，對其進行三維數模的繪制。首先進入 Alias 2010，建立Wire文檔。通過鼠標點擊File>Import>Canvas image…，可分別將轎車的三視圖（Top，Left，Back）導入三視窗[6]，然后調整圖像，使其在三視圖上的尺寸能夠一一對應。一般行業標準是在側視圖中車頭朝向左邊，在進行圖片大小的調節時可以先將前輪中心放在原點處然后畫出軸距進行縮放。如果不是基于標準車型的改款或改進，則可以導入設計師的概念圖，按以上方法進行調節，完成前期的準備工作。

4.2 車身曲面的制作

4.2.1 車身基礎面輪廓線的制作

當對齊好三視圖后，就以三視圖為基礎構建數字模型。首先從 Y0線開始勾勒出汽車型體，Y0 線決定了最終汽車的外型，是繪圖的關鍵線，在進行概念設計或汽車造型改款時準確地繪制Y0線對車身的造型影響很大，如圖1所示。

4.2.2 車身基礎曲面與內飾以及車身細節的制作

首先，建立曲線模型，然后由曲線模型再建立曲面模型，在建立曲線模型的階段要注意使用曲率梳對所繪制的曲線進行曲率檢查，且在滿足造型要求的前提下以曲率梳上不出現尖點，在曲線的過渡處曲率梳能平滑過渡為最佳。在建立曲面模型時，利用先前建立的曲線分別構建車前部分、頂棚及前擋風玻璃部分和車身后部的基礎曲面，隨后構建車側圍基礎曲面，包括車身肩部、前后翼子板和擋泥板曲面。車身細節與內飾可以根據設計者的設計思想進行繪制，可以在車身基礎曲面圖里直接繪制也可在確定尺寸的情況下單獨地新建另外一個Wire文件進行繪制。在繪制車身基礎曲面的時候要注意各部分之間的相互關系，分面的合理性對繪制效率與繪制圖形能否準確表達設計者的思想有很大的影響。同時，也要注意各分面之間的連續性要求，在此之前的曲線建模階段就要保證有連續關系的分面之間的曲線必須建立各種連續關系（G0點連續、G1相切連續、G2曲率連續、G3曲率變化率連續），從而在車身基礎曲面建立起來之后也能達到上面所述的各種連續關系。在車身建模階段通過直接建面就能達到A Class要求，一般使用Rail Surface、Square、Surface fillet、Freeform blend，使用這幾個工具建面最好時能達到G2曲率連續，而如果在建面階段無法達到曲率連續，可以在建面后使用Align工具調整達到曲率連續，同時也可以使 Dynamic section工具按照實際情況的需要將曲面分成多段進行曲率的檢查，均以不出現尖點且在過渡處能平滑過渡為最佳狀態，從而保證能夠做出滿足汽車設計與生產要求的A Class面，以便在準確表達出設計者的設計思想的同時制作出一個美觀、漂亮的車身，如圖2所示。

4.3 輪胎的制作

輪胎可在另一新建的Wire文件里面單獨構建，根據具體廠家提供的輪胎參數和外觀圖片，也可以根據設計者自己設計產品的要求來自主地創建相應的輪胎外表面，輪轂可以根據設計者自己的設計思想在滿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 曲面連續性的檢查

在完成以上的曲線建模以及曲面建模之后，最后一步就是對之前通過各種手段與方式建立起來的模型在分面處以及有相關關系的地方進行連續性檢查，雖然在之前的建模過程中已經運用了可以達到4種連續（點連續、相切連續、曲率連續、曲率變化率連續）的建面工具，但是在汽車造型設計中，對車身曲面的要求非常高，單塊曲面的質量必須簡潔、合理與平緩。曲面要盡量用階數來描述，同時盡量不要有多余的Span數產生，即在完成車身繪制后要達到A Class的要求。在曲率出現較大變化或轉折的地方要適當加一些CV控制點。曲面的CV和Span 分布要均勻合理，不能有明顯的跳動。曲面的高光走勢和曲率變化也應力求平緩。Nurbs曲面連續性包括相切連續性、曲率連續性和曲率變化率連續性等，一般最高要求達到曲率變化率連續即可。在 Alias 中曲面連續性的判斷分為3類，一是數據檢測；二是高光環境檢測；三是工具檢測。（l）數據檢測方式。在 Alias中的檢測方式是Deviation table 列表，將所檢測的 2 塊曲面的交接線上的G0～G2的相差數值列出，如果數值小于用戶所設定的連續性公差，就可以說該交界處具有某種連續性。黃色邊界所示區域的連續性數值列在了列表中，而白色所框選的區域是邊界檢測采樣點沒有達到公差所設定范圍的數值列表，而由于采樣點未達標，反映在模型上就是所檢測的曲面沒有達到連續[7]。（2）高光環境檢測方式。所有曲面的連續性最終都要反映到曲面映射環境高光的視覺效果上來，而環境檢測方式就是利用這個方法來判斷2塊曲面的連續性。Alias 軟件有3種基本的環境監測方式，一是直接模擬自然光線的光反射效果；二是模擬多個水平白熾燈組投射效果的斑馬線反射效果，如圖4所示；三是將曲面不連續的邊界瑕疵以某種數學計算模式放大，最后以一種色彩貼圖顯示出來的曲率檢測方法。（3）工具檢測方式。在Alias中，有專門的曲率檢查工具，它是一個可以檢測出曲面連接處連續性的工具，找到工具Surface continuity，設置你需要檢測的邊界處需要滿足哪種連續（點連續、相切連續、曲率連續），同時在有連續性關系以及需要檢查的邊處點擊，達到什么樣的連續一目了然，如圖5所示工具檢測曲面的連續性均達到了曲率連續。

5 A面渲染模型的展示

在現代的汽車設計中，渲染制作逼真的效果圖已經成為了汽車設計必不可少而且越來越重要的環節，因為通過模型的渲染可以把建立好的虛擬模型逼真地呈現出來，給人們以更直觀、更真切的感受，因此它也成為了當前世界各大汽車公司爭相使用的尖端技術。這一視覺技術的核心，就是通過強大的軟件與硬件能力，將數字模型轉換為栩栩如生的“實物”，甚至可以制作逼真的照片，使用戶雖然面對的是數字內容，但仿佛處于真實世界，這樣大大縮短了數字模型與真實模型間的差距，降低了人們對實物模型的依賴。這無疑也對減少油泥模型制作、加快整個開發流程、減少開發費用及增加多方案嘗試等都有著重大的價值。目前應用于這一領域的軟件并不多，在國內應用最多的是Autodesk Showcase，圖 6和圖 7是 Showcase 2011渲染的汽車外形圖。

6 結束語

利用 Alias進行產品造型設計，設計師從原來繁瑣的繪圖工作中擺脫出來，使設計工作更加直觀，設計方式更加便捷，成倍地提高了設計師的工作效率。對于現代汽車造型設計來說，計算機已慢慢取代傳統設計中的筆和紙，成為普遍的新設計工具，且Alias 軟件的建模具有很大的靈活性和高精度的特點，將設計與工程以及藝術和科學連接起來，這對于基于數字化汽車產品的創新和開發具有十分重要的意義。

[1]梅進明. Alias Studio/Paint 在客車造型方案設計中的應用[J].客車技術與研究，2011，（1）.

[2]歐陽波，王楓紅，賀贅. 基于 Alias 的自由曲面逆向造型設計 [J]. 東華大學學報，2010，（4）：389-392．

[3]曹利杰，張鑫韜，趙磊，等. Alias與產品造型設計[J]. 包裝工程，2007，（3）.

[4]武俊．自由曲面在汽車車身造型設計中的規律分析[D]．上海：東華大學，2007．

[5]江漫清．解讀數字化汽車造型設計技術[J]．CAD—CAM與制造業信息化，2009，（7）：50-53．

[6]魏強，韓懋豪，劉晶波，等. 汽車設計實戰手冊[M]. 中國建筑工業出版社，2009.

[7]胡國強，閔建蘋，伍偉. 基于Alias 的自由曲面汽車造型設計[J]. 汽車工程師，2011，（5）.