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(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

0 引 言

Alias作為一款主流的汽車設(shè)計軟件，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)計軟件，它擁有靈活控制的三維空間；強(qiáng)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(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)計動畫，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(zhì)量精準(zhǔn)的曲面建模，它是A級曲面的基礎(chǔ)，通過點(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(shè)計里面常說的CAS（Class-A-Surface）。在汽車設(shè)計領(lǐng)域這是一個極為重要的概念也是汽車設(shè)計師和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)量在視覺上的直觀表達(dá)就是非常光順、沒有褶皺和無理由的不連續(xù)。從數(shù)學(xué)上說，CAS指的是各個分面之間具備G2級連續(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(dá)到0.02 mm。然而連續(xù)性要求達(dá)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(huán)境反射檢測出來的結(jié)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(shù)的要求極高，沒有對計算機(jī)圖形學(xué)的一定理解和長期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嚴(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)汽車與現(xiàn)代汽車的造型開發(fā)

產(chǎn)品造型設(shè)計是工業(yè)設(shè)計的核心內(nèi)容。所謂“產(chǎn)品”，是指人類生產(chǎn)制造的物質(zhì)財富，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，而是更為廣泛的設(shè)計與創(chuàng)造活動，它不僅包括產(chǎn)品形態(tài)的藝術(shù)設(shè)計，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。在整個設(shè)計過程中，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)汽車的開發(fā)流程

市場調(diào)研——創(chuàng)意概念設(shè)計（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級曲面模型）——工程校驗(yàn)——模型凍結(jié)。

3.2 現(xiàn)代汽車的開發(fā)流程

市場調(diào)研——概念草圖（手繪、效果圖）——概念數(shù)字模型——A級數(shù)字模型——A級數(shù)模發(fā)布[4-5]。

在現(xiàn)代汽車的開發(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)過程都在計算機(jī)上完成，速度快、效率高，這時Alias作為一款高效、快速的設(shè)計軟件就能突顯出自己的優(yōu)勢，下面以Alias為媒介介紹一下現(xiàn)代汽車的開發(fā)過程。

4 基于Alias的汽車正向開發(fā)

首先，對所設(shè)計的產(chǎn)品針對市場以及所要實(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(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，在完成車身繪制后進(jìn)行內(nèi)飾的設(shè)計與繪制。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

汽車設(shè)計師把最初的創(chuàng)意用草圖的形式表現(xiàn)出來，最終可以根據(jù)造型師設(shè)計的概念草圖，導(dǎo)入Alias，對其進(jìn)行三維數(shù)模的繪制。首先進(jìn)入 Alias 2010，建立Wire文檔。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊File>Import>Canvas image…，可分別將轎車的三視圖（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應(yīng)。一般行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是在側(cè)視圖中車頭朝向左邊，在進(jìn)行圖片大小的調(diào)節(jié)時可以先將前輪中心放在原點(diǎn)處然后畫出軸距進(jìn)行縮放。如果不是基于標(biāo)準(zhǔn)車型的改款或改進(jìn)，則可以導(dǎo)入設(shè)計師的概念圖，按以上方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成前期的準(zhǔn)備工作。

4.2 車身曲面的制作

4.2.1 車身基礎(chǔ)面輪廓線的制作

當(dāng)對齊好三視圖后，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(guān)鍵線，在進(jìn)行概念設(shè)計或汽車造型改款時準(zhǔn)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(chǔ)曲面與內(nèi)飾以及車身細(xì)節(jié)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(jìn)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(xiàn)尖點(diǎn)，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(gòu)建車前部分、頂棚及前擋風(fēng)玻璃部分和車身后部的基礎(chǔ)曲面，隨后構(gòu)建車側(cè)圍基礎(chǔ)曲面，包括車身肩部、前后翼子板和擋泥板曲面。車身細(xì)節(jié)與內(nèi)飾可以根據(jù)設(shè)計者的設(shè)計思想進(jìn)行繪制，可以在車身基礎(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Wire文件進(jìn)行繪制。在繪制車身基礎(chǔ)曲面的時候要注意各部分之間的相互關(guān)系，分面的合理性對繪制效率與繪制圖形能否準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)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(xù)性要求，在此之前的曲線建模階段就要保證有連續(xù)關(guān)系的分面之間的曲線必須建立各種連續(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)），從而在車身基礎(chǔ)曲面建立起來之后也能達(dá)到上面所述的各種連續(xù)關(guān)系。在車身建模階段通過直接建面就能達(dá)到A Class要求，一般使用Rail Surface、Square、Surface fillet、Freeform blend，使用這幾個工具建面最好時能達(dá)到G2曲率連續(xù)，而如果在建面階段無法達(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)且在過渡處能平滑過渡為最佳狀態(tài)，從而保證能夠做出滿足汽車設(shè)計與生產(chǎn)要求的A Class面，以便在準(zhǔn)確表達(dá)出設(shè)計者的設(shè)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(dú)構(gòu)建，根據(jù)具體廠家提供的輪胎參數(shù)和外觀圖片，也可以根據(jù)設(shè)計者自己設(shè)計產(chǎn)品的要求來自主地創(chuàng)建相應(yīng)的輪胎外表面，輪轂可以根據(jù)設(shè)計者自己的設(shè)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(xù)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(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，但是在汽車造型設(shè)計中，對車身曲面的要求非常高，單塊曲面的質(zhì)量必須簡潔、合理與平緩。曲面要盡量用階數(shù)來描述，同時盡量不要有多余的Span數(shù)產(chǎn)生，即在完成車身繪制后要達(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。曲面的高光走勢和曲率變化也應(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，一是數(shù)據(jù)檢測；二是高光環(huán)境檢測；三是工具檢測。（l）數(shù)據(jù)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(shù)值列出，如果數(shù)值小于用戶所設(shè)定的連續(xù)性公差，就可以說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)域是邊界檢測采樣點(diǎn)沒有達(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的曲面沒有達(dá)到連續(xù)[7]。（2）高光環(huán)境檢測方式。所有曲面的連續(xù)性最終都要反映到曲面映射環(huán)境高光的視覺效果上來，而環(huán)境檢測方式就是利用這個方法來判斷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(xù)的邊界瑕疵以某種數(shù)學(xué)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(xù)性的工具，找到工具Surface continuity，設(shè)置你需要檢測的邊界處需要滿足哪種連續(xù)（點(diǎn)連續(xù)、相切連續(xù)、曲率連續(xù)），同時在有連續(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)代的汽車設(shè)計中，渲染制作逼真的效果圖已經(jīng)成為了汽車設(shè)計必不可少而且越來越重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)橥ㄟ^模型的渲染可以把建立好的虛擬模型逼真地呈現(xiàn)出來，給人們以更直觀、更真切的感受，因此它也成為了當(dāng)前世界各大汽車公司爭相使用的尖端技術(shù)。這一視覺技術(shù)的核心，就是通過強(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，使用戶雖然面對的是數(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，降低了人們對實(shí)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(fā)流程、減少開發(fā)費(fèi)用及增加多方案嘗試等都有著重大的價值。目前應(yīng)用于這一領(lǐng)域的軟件并不多，在國內(nèi)應(yīng)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(jié)束語

利用 Alias進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計，設(shè)計師從原來繁瑣的繪圖工作中擺脫出來，使設(shè)計工作更加直觀，設(shè)計方式更加便捷，成倍地提高了設(shè)計師的工作效率。對于現(xiàn)代汽車造型設(shè)計來說，計算機(jī)已慢慢取代傳統(tǒng)設(shè)計中的筆和紙，成為普遍的新設(shè)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(diǎn)，將設(shè)計與工程以及藝術(shù)和科學(xué)連接起來，這對于基于數(shù)字化汽車產(chǎn)品的創(chuàng)新和開發(fā)具有十分重要的意義。

[1]梅進(jìn)明. Alias Studio/Paint 在客車造型方案設(shè)計中的應(yīng)用[J].客車技術(shù)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(shè)計 [J]. 東華大學(xué)學(xué)報，2010，（4）：389-392．

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

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

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

[6]魏強(qiáng)，韓懋豪，劉晶波，等. 汽車設(shè)計實(shí)戰(zhàn)手冊[M]. 中國建筑工業(yè)出版社，2009.

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