基于Alias的汽車造型數(shù)字曲面設(shè)計(jì)

黃荷 郜偉

摘 要：在激烈的全球化市場競爭環(huán)境下，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，研發(fā)周期變短，消費(fèi)者的品味也在日漸提升。如今，優(yōu)異的汽車品質(zhì)不止體現(xiàn)在部件性能上，同時外觀造型也成為對整車品質(zhì)評價的一個重要考量。對汽車造型設(shè)計(jì)而言，為實(shí)現(xiàn)造型的創(chuàng)意意圖，使用工業(yè)造型設(shè)計(jì)軟件Alias能有效的完成汽車的正向和逆向造型設(shè)計(jì)要求。它能有效地運(yùn)用構(gòu)建曲線的工具，通過調(diào)節(jié)曲線來定義曲面的外形邊界輪廓；同時，通過規(guī)律的調(diào)節(jié)曲面上的任意CV點(diǎn)以獲取對外形的調(diào)整，保持對曲面的整體調(diào)控，以此獲取精確且滿足造型創(chuàng)意需求的外形和曲面。因此，文章將重點(diǎn)研究在運(yùn)用Alias進(jìn)行數(shù)字曲面設(shè)計(jì)時，通過規(guī)范對數(shù)字模型的設(shè)計(jì)要求以提高造型數(shù)字曲面的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：汽車造型；設(shè)計(jì)軟件Alias；數(shù)字曲面設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB742 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0035-02

1 數(shù)字曲面類型及概述

1.1 曲線及連續(xù)性

Alias的內(nèi)部構(gòu)架為NURBS（Non-Uniform Rational B Spline）系統(tǒng)，即非均勻性有理B樣條曲線。在Alias的NURBS體系里，已經(jīng)將Bezier、有理Bezier、均勻B樣條和非均勻B樣條都統(tǒng)一到了里面。可以說，當(dāng)曲線Span為1，所有CV點(diǎn)權(quán)重為1時，那么NURBS曲線將近似等同于Bezier曲線。Alias同時具備 Nurbs曲面和 Bezier 曲面造型建模功能，通常的NURBS曲面用于快速建模（CAS面），提高效率，而Bezier曲面主要用于曲面建模（A 級曲面），獲取精確的數(shù)字模型，提高曲面質(zhì)量。可以說，除了要求較高的A面階段，在渲染、CAS階段是我們可以用NURBS曲線來實(shí)現(xiàn)，而不用過多的考慮Span的數(shù)量。

曲線連續(xù)性類別有以下幾類：

G0-位置連續(xù)，表現(xiàn)為兩線對接處尖銳；

G1-切線連續(xù)，線性特征為法向一致，但曲率大小不同，表現(xiàn)為無尖銳感，但光順性不足；

G2-曲率連續(xù)，法向與曲率大小均一致，但曲率變化率有差異，表現(xiàn)為過渡基本光順；

G3-曲率變化率連續(xù)，表現(xiàn)上過渡比G2更平緩順滑。

1.2 CAS面以及A面概述

CAS面為造型前期設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)決策和創(chuàng)意的設(shè)計(jì)意圖，對整車的外觀風(fēng)格，整體輪廓，車身比例，腰線特征等起決定性作用。CAS面用于造型可研階段進(jìn)行法規(guī)要求、造型、工程、生產(chǎn)制造、售后維修、保險服務(wù)的校核以及小比例油泥模型的制作。

A面即為A級曲面，承接CAS面的表達(dá)意圖，將其轉(zhuǎn)化為最終用于工業(yè)生產(chǎn)制造的，滿足各類法規(guī)要求的精確曲面數(shù)據(jù)。A級曲面為物理定義的高品質(zhì)曲面，A面在必須滿足的相鄰曲面間的間隙，切率改變，曲率改變上都有極其嚴(yán)格的要求，一般都要求達(dá)到G2的連續(xù)性，部分過小的圓角為G1連續(xù)要求。CAS面示例，

A面的條件描述如下：

①A級曲面對Degree數(shù)和Span數(shù)都有嚴(yán)格的要求，雖然Alias最高階數(shù)為9階，但使用時嚴(yán)格上不能超過7階，Span數(shù)為1；

②對于單個A面，在UV各邊界方向上需保證曲率的一致性和可延展性，CV點(diǎn)分布變化的均勻性；

③A面之間的相互連續(xù)，至少要求滿足切向曲率連續(xù)；

④曲面配合的直觀表現(xiàn)的光順度，需結(jié)合Alias的高光檢測，斑馬線檢查，曲率著色評估“Curvature Evaluation”工具來進(jìn)行評估，而不應(yīng)該出現(xiàn)扭曲，突變拐折等瑕疵。

2 A級曲面質(zhì)量評價規(guī)范

A面數(shù)字模型最終決定產(chǎn)品的實(shí)物模型，是承接CAS面的深化數(shù)字曲面。在構(gòu)建型面數(shù)據(jù)時，需以簡單有序的A面構(gòu)造型面模型，清晰準(zhǔn)確的表達(dá)出高光走勢，特征線變化等，同時滿足各類法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，只有如此數(shù)字曲面才規(guī)范合理，才能得到優(yōu)異的產(chǎn)品品質(zhì)。

2.1 曲面類型及參數(shù)

汽車 A 級曲面要求調(diào)整性強(qiáng)，利于配合的連續(xù)性，需用盡量簡單的曲面完成造型，曲面參數(shù)不宜過大。最簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜的曲面變化，同時又必須保證曲面之間的連續(xù)性（有些部位需要G3連續(xù)），且具備一定的調(diào)整靈活性，所以曲面參數(shù)（Degree階數(shù)和Span數(shù)）必須控制在適宜的范圍內(nèi)。對 Bezier 曲面來說，雖然Alias能實(shí)現(xiàn)最高階數(shù)為9階，但7階Bezier曲面已經(jīng)能滿足G3連續(xù)需求的A級曲面要求，在力求A面簡單的原則下，Bezier曲面參數(shù)要求是小于等于7階，Span值為1.對汽車A 級曲面而言，曲面參數(shù)在3～7階之間已能滿足大多數(shù)需求。

2.2 CV控制點(diǎn)排布規(guī)律性

曲面是否平滑光順、形狀規(guī)則取決于CV點(diǎn)的排列規(guī)范。以下總結(jié)CV點(diǎn)排列應(yīng)當(dāng)遵循的幾點(diǎn)規(guī)律：

①CV分部間距均勻或者均勻變化；

②CV離其曲線曲面的距離分布要合理（即沿著曲線或曲面UV向，每個CV離開物體的距離的增減趨勢要漸變，不存在單個CV點(diǎn)高出或低于其他CV點(diǎn)的現(xiàn)象。）；

③CV的排列可以遵循曲線曲面造型趨勢的變化規(guī)律（即考慮到使用Bezier曲線構(gòu)面，各CV影響一致，故一般曲率大的區(qū)域安排較少CV點(diǎn)，曲率小的區(qū)域安排較多CV點(diǎn)）；

2.3 曲面連續(xù)性

不同的曲面連續(xù)性得到的高光效果也不同，目視的光順度也將不一樣。按面面間連續(xù)性的不同，G0高光效果呈現(xiàn)斷開狀態(tài)，G1高光連接但過度尖銳，G2和G3高光趨于平順過渡。對于汽車而言，內(nèi)外飾有很多部件為高反光材質(zhì)，曲面的連續(xù)性要求就顯得很重要。因此，對于可視區(qū)所有曲面都要求達(dá)到G2以上連續(xù)，過Y0的主要大面要求關(guān)于Y0對稱并且連續(xù)性要達(dá)到G3，曲面連續(xù)性示例，如圖3所示。

2.4 曲面理論交線

一般而言，曲面建模最終都會應(yīng)用各種過渡特征和倒角來細(xì)化模型，即整個模型面與面硬交的狀態(tài)是不存在的，而這種最終模型實(shí)際上不存在的面面交線就叫做理論交線。理論交線的趨勢決定以后倒角或過渡面的趨勢，因此，對于建模分面，為了保證主要大面的理論交線擁有合理的曲率變化，一般會選擇公共的自由邊界作為曲面間的理論交線。交線曲率變化均勻無S型，交線夾角規(guī)律漸變，汽車曲面造型的特征線質(zhì)量才能得到保障。理論交線示例，如圖4所示。

2.5 曲面光順性

光順性是整車曲面質(zhì)量的直觀體現(xiàn)，對于高可見度的曲面，尤其是諸如車身頂蓋、前后保等高反光材質(zhì)部分，需保持曲面的光順，從而獲得較高的視覺高光效果。曲面光順性可以從曲率梳，斑馬線走勢，曲率著色等方面來進(jìn)行評價。

2.5.1 曲率梳

曲率梳是曲面曲率變化的數(shù)學(xué)表現(xiàn)，曲率梳輪廓線的高低代表了曲率值的大小，紅色線為曲率梳在曲面上對應(yīng)各點(diǎn)的切向線，梳狀線的方向代表了曲面在對應(yīng)點(diǎn)上的法線方向。好的光順性要求曲率梳變化規(guī)律有序，曲率大小漸變，無局部突變扭曲。整車局部曲率梳示例，如圖5所示。

2.5.2 斑馬線走勢

斑馬線檢測的效果在于通過模擬光源下曲面的高光效果，將一定發(fā)射角度內(nèi)的反色線用不同的顏色表示來加以區(qū)別，從而得到曲面的靜態(tài)或動態(tài)高光分色圖。斑馬線光順評價要求為，從不同方向上檢測時，斑馬線平順規(guī)律，過渡有序，無扭曲折拐等缺陷問題。斑馬線走勢示例，如圖6所示。

2.5.3 曲率著色

曲率著色評估是基于曲率變化的一種評估方式，其原理是運(yùn)用不同的顏色劃分來表達(dá)曲面上每個單位區(qū)域內(nèi)的曲率值的大小。相對于曲率梳，其能更直觀的表現(xiàn)曲面的整體曲率變化趨勢。使用曲率著色，有利于高效的獲取曲面整體的曲率分布，獲取極大極小值，特征曲線等參數(shù)。曲率著色示例，如圖7所示。

3 結(jié) 語

通過以上的分析介紹我們知道，造型數(shù)字曲面設(shè)計(jì)是有序的階段漸進(jìn)式工作，CAS面作為初始數(shù)據(jù)體現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)決策和造型創(chuàng)意意圖，A面在承接CAS面基礎(chǔ)上就將數(shù)字曲面精確規(guī)范化，并最終體現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)。基于Alias的數(shù)據(jù)曲面設(shè)計(jì)能很好的實(shí)現(xiàn)上述造型需求，但同時，正確的理解和運(yùn)用曲面質(zhì)量評價規(guī)范將是我們能獲取高品質(zhì)曲面的保證。高品質(zhì)的曲面是優(yōu)秀的汽車外觀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這將能有力的提高汽車產(chǎn)品的市場競爭力，以此獲得更多消費(fèi)者的青睞。

參考文獻(xiàn)：

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