3D變形技術在汽車造型設計中的應用

黃朝暉 王博倫

摘要：汽車造型設計已成為影響當今汽車銷售的一個重要因素，美觀獨特的汽車造型也成為汽車企業在全球化趨勢下的重要競爭手段。本論文闡述了汽車造型設計的3D變形技術。計算機自動生成不同于現有汽車款式的技術，不僅可以縮短設計周期，還可以提供很多工程設計、汽車造型設計和材料分類，3D變形技術對于現代汽車造型設計的創新是很好的支持和幫助。

關鍵詞：3D變形；汽車造型設計；創新

1簡介

在經濟社會高度發展的今天，相比較實用性，汽車攜帶著更多的人文符號，如消費者性格、喜好、身份和地位。所以，除了內在的機械性能，汽車造型設計在汽車的銷售過程中一直受到消費者特別的關注。汽車造型決定了其是否能第一時間吸引客戶，這將影響汽車的銷售，甚至與汽車企業發展的命運息息相關。目前，中國汽車產業已經進入了一個高速穩定的發展階段，但是中國汽車品牌卻不能在國際市場上站穩腳跟。如何從“中國制造”轉變成“中國創造”，成為一個強大的汽車國家，關鍵在于創新。汽車造型設計是創新的核心組成部分之一，但如今現有CAD軟件和技術沒有針對造型研究創新的模塊，而3D變形技術的引入將改變這一現狀。3D變形技術可以自動產生大量的、不同于現有產品的新形式，這些都是不同于初始定位對象和中間對象的，它能激發設計師的靈感，有助于汽車造型的創新。隨著3D變形技術的發展和完善，它將彌補現有CAD軟件的不足，成為一個汽車造型創新的有效手段。

23D變形技術的基本原理

給定兩個幾何模型，一個源S和一個目標T，3D變形技術生成中間模型序列{ M在其中不斷地從源（M0=S）到目標（Mi=T）改變其形狀。在3D變形中，中間對象都有s和T的一些特征，但彼此不同。圖顯示了分別從3D視圖的角度，從金字塔到立方體之間的變化，左邊的圖形是給定的源，右邊的圖形是目標對象，其他的是中間對象。它們是以參數t從多邊金字塔向立方體的變形中生成的，多邊金字塔和立方體的共同特征是被保留在變形過程中。

33D變形技術在汽車款式設計中應用的算法

汽車造型是一個復雜的自由表面問題，基本的設計元素仍然是點、線和面。對于造型描述來說，點對造型設計非常重要，但又不能滿足造型。線隨點變化，是連接著的造型元素，但面卻能很好地表達造型。根據計算機中車型的不同表達方式，本文介紹了以下3D變形技術：

3.1基于2D輪廓的3D變形技術

汽車側面輪廓線是表達和控制大部分造型信息的特色線條，叫做汽車造型對稱線。因此，基于2D輪廓的3D變形技術已成為不可或缺的汽車造型技術。它通常包括以下幾個步驟：首先，使用坐標平面平行于汽車對稱線，畫出汽車表面，從而獲得一系列平行的2D輪廓。生成的2D輪廓越多，越多的造型特征就會被保留，但計算難度也會越大。

其次，在相應的2D輪廓之間建立對應頂點。然后，根據這些對應頂點，改變2D輪廓。最后，當2D輪廓擬合時，汽車的中間模型生成。圖2顯示了一輛汽車和一滴水之間的變形過程。

3.2基于投影的3D變形算法

三角網格是描述模型最常見、最好的形式，特別是對于汽車模型復雜的拓撲結構，它們可以描述模型的所有細節。為了維持這種拓撲結構，通常根據投影進行變形算法。算法的主要步驟如圖3所示：

（1）將s和T投射到單位范圍上，獲得S和T。投影過程應反映模型頂點的拓撲關系，并不自交。

（2）根據頂點S和T之間的幾何關系，計算頂點T在S上對應的坐標位置。

（3）重復步驟2，計算投影T上所有的頂點S。根據S和T之間的關系，建立項目模型M，它可以表達新模型M的拓撲結構，M可以通過插值變換計算。

3.3其他3D變形算法

根據模型的不同表達式，如NURBS曲面、點云和隱式表面等，這些模型有很多變形算法，如基于表面的隱式變形算法和基于距離場的變形算法，這些算法都有優缺點，并在文獻中有更詳細的描述。這些算法在汽車設計中有重要意義。

4 3D變形技術在汽車造型設計中的應用價值

3D變形技術已廣泛地應用于計算機輔助設計、計算機動畫系統、娛樂和醫療行業，特別是在電影特技和動畫中，這項技術已經成熟。雖然技術應用在汽車造型設計中還并不常見，但是它具有非常重要的作用。

（1）汽車造型設計的創新方法。CAD計算機輔助設計和汽車造型設計軟件是汽車造型設計的常用工具。它可以幫助設計師來表達他們的想法，但它不能思考。通過3D變形技術，可以改變現有汽車模型以獲得所需的目標模型，計算機將自動生成一系列的中間模式。因此，這項技術可以為汽車設計提供一種新的創新的方式。

（2）為汽車造型設計提供一個新的思路和方法。首先，中間對象都有自己的特點。他們有汽車模型的視覺特征，但中間對象不同于源汽車模型的。其次，中間對象有變異性的特點。由于算法的復雜性，變形中的中間對象可能脫離設計師的控制。但這種變化可以激發設計師，擴展設計的思想。

（3）為汽車造型設計師提供大量的參考。在變形過程中，每一個同的值對應一個中間對象。設計師可以接收大量的帶有參數細分的新模型。這些中間模型不同于現有汽車的獨立風格，可被設計師用作參考素材。

（4）有利于空氣動力學造型設計。空氣動力學與車身設計有緊密的關系。如圖2所示，下墜的水滴是一個很好的動態模型，汽車模型轉變成一滴水的過程將生成大量的符合動力學的模型，將這些模型導入汽車分析軟件將獲得最優化的車身。3D變形可以融合技術與美學，汽車款式設計也因此將更為先進和科學。

（5）3D變形技術是直覺主義的和瞬時的。中間汽車模型在3D中顯示，這比設計草圖會得到更多的風格信息。設計者可以觀察汽車的每一個細節。圖1中，設計者可以觀察3D視覺中每一個細節的漸進變形。變形結果可以用于任何CAD軟件的快速成型和模具開發。因此，它不僅可以得到改善，還可以減少后期工作的困難和縮短設計周期。

（6）有利于概念車（未來汽車）的設計。將設計師創造的概念模型與現有的汽車模型相融合，您可以得到更多新的、意想不到的造型，想法也可以得到擴展。

5結論

汽車造型設計對國民經濟的發展起著越來越重要的作用。3D變形技術為汽車造型設計提供了一種新的輔助設計方法。雖然產品建模設計的技術應用還不成熟，但隨著技術的發展，它將會刺激設計師的設計靈感，提高建模創新的價值。