Rhino在車身數(shù)字化模型構(gòu)建中的應(yīng)用

成振波，賀蓮花，秦 燕

(重慶理工大學(xué)，重慶 400054)

在當前汽車車身造型設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)中，與三維表現(xiàn)和輔助制造相銜接的主要軟件有Solidworks、CATIA、Rhino、3DSMAX、ALIAS 等。這幾種軟件在三維建模及渲染方面表現(xiàn)都很出色，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)互轉(zhuǎn)，但也各有優(yōu)缺點。目前，國內(nèi)對于輔助三維設(shè)計軟件在車身造型設(shè)計方面的應(yīng)用比較廣泛［1－8］，但理論研究并不深入。本文基于Rhino的軟件平臺，從工業(yè)設(shè)計的角度出發(fā)，分析了通過NURBS曲面構(gòu)建現(xiàn)代汽車形態(tài)中的一些特征曲面以及車身造型設(shè)計中從二維到三維的轉(zhuǎn)化流程。

1 車身造型的數(shù)字化設(shè)計

1.1 車身造型設(shè)計的數(shù)字化流程

現(xiàn)代汽車車身復(fù)雜而多變的設(shè)計趨勢始于20世紀90年代。這種造型趨勢依賴于計算機輔助技術(shù)在車身設(shè)計、制造及檢驗各個環(huán)節(jié)的應(yīng)用。車身造型的數(shù)字化設(shè)計不僅降低了成本，縮短了開發(fā)周期，也使現(xiàn)代汽車的造型在不斷變化的同時具備精雕細刻的特質(zhì)。如今車身造型設(shè)計已成為眾多汽車廠商整車開發(fā)能力的一種體現(xiàn)。

目前數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)深入地融合到車身造型的研發(fā)過程中。盡管不同的汽車生產(chǎn)企業(yè)擁有各自的開發(fā)流程和核心技術(shù)，其車身造型設(shè)計的數(shù)字化流程略有差異，但大致流程如圖1所示。

圖1 車身數(shù)字化開發(fā)流程

首先是通過二維手段進行方案創(chuàng)意和表達。有些公司(以歐美為主)會直接根據(jù)二維效果圖和尺寸圖進行油泥實物比例模型推敲制作，然后通過油泥模型逆向工程制作A級曲面模型;而有些公司(以日韓為主)會在二維效果圖完成后，首先制作概念三維模型和數(shù)字化模型，先進行設(shè)計推敲，然后制作A級曲面數(shù)字模型，或者在通過油泥模型推敲后逆向A面。在這個研發(fā)過程中，研發(fā)團隊還會根據(jù)具體情況進行簡化或者反復(fù)。無論采用何種模式，將設(shè)計方案從2D轉(zhuǎn)向數(shù)字化3D都是極其重要的一個環(huán)節(jié)。

1.2 CAS 曲面

汽車作為人類造物的結(jié)晶，是科技與藝術(shù)的集中體現(xiàn)。車身曲面不同于一般產(chǎn)品的造型表面，尤其是車身表面的高可見區(qū)域，包含引擎蓋、翼子板、保險桿、車門、頂蓋等區(qū)域，這些區(qū)域的面被稱為A面，也就是A級曲面(Class-A-Surface)，簡稱CAS。CAS是高質(zhì)量曲面，曲面的質(zhì)量在視覺上的直觀表現(xiàn)就是非常光順、沒有褶皺和無理由的不連續(xù)［1］。這樣的曲面反光自然且富于變化，或者表達出一種張力，或者表現(xiàn)出肌肉感，或者表達出流動的速度感，如圖2所示。

2 NURBS曲線和曲面及質(zhì)量控制

2.1 NURBS曲線曲面的定義和特性

NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)，譯為非均勻有理B樣條曲線，是目前大多數(shù)工程建模軟件都支持的一種建模方式。它通過數(shù)學(xué)方式描述空間三維曲線和曲面。

P次NUBRS曲線定義為如下形式的分段有理參數(shù)曲線:

式中:Pi為控制點列(組成控制多邊形);ωi為對應(yīng)的權(quán)值序列;Ni，p(u)為定義在非周期非均勻節(jié)點矢量上的P次B樣基函數(shù)。

u向p次和v向q次的NURBS曲面是具有如下形式的雙參數(shù)分段有理函數(shù):

式中:Pi，j為控制網(wǎng)格(組成雙向控制網(wǎng)絡(luò));ωi為對應(yīng)的權(quán)值;Ni，p(u)、Nj，q(u)為定義在節(jié)點矢量上的 B 樣基函數(shù)［2］。

NURBS曲面具有下面幾個特點:

1)可保證整體曲線在形狀不變的情況下在空間自由移動。

2)通過設(shè)置其控制點和網(wǎng)格可以預(yù)測曲線與曲面形狀。

3)可通過一個或多個控制點調(diào)整曲線或者曲面的局部。

4)通過調(diào)整權(quán)因子和控制頂點的分布可以定義解析曲線曲面。

5)曲面由u、v兩個方向曲線參數(shù)來決定，因此曲面基本可以視為四邊形結(jié)構(gòu)。

6)曲線和曲面均存在方向性。

NURBS被廣泛應(yīng)用于目前的數(shù)字化建模軟件中。它可以很好地設(shè)置曲線的曲率，得到更高質(zhì)量的曲面，支持目前幾乎所有工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計和生產(chǎn)工作，因此也被廣泛應(yīng)用于車身數(shù)字化設(shè)計。

2.2 NURBS曲面的質(zhì)量和控制

NURBS曲面本質(zhì)上是四邊形結(jié)構(gòu)，而產(chǎn)品表面是不規(guī)則的，很難用一個面來構(gòu)建出整個產(chǎn)品，因此就需要進行面的拼接。面與面之間的連續(xù)性決定了產(chǎn)品表面的質(zhì)量。常見的曲線和曲面的連續(xù)性包括3種:G0、G1、G2。曲線曲面之間的連續(xù)性反映出它們之間的光順程度。

連續(xù)性取決于兩個面和線之間的曲率變化。從圖3可以看出AB曲線在不同連續(xù)性下的節(jié)點位置和曲率變化。G0連續(xù)又稱為P(position)連續(xù)，它反映出該點兩個曲線有交點，但是是尖銳的，其曲率在方向和大小上均是不同的;G1連續(xù)又稱為T(tangent)連續(xù)，它反應(yīng)出該點是平滑的，但是僅是相切關(guān)系，兩條曲線的曲率在方向上是一致的，而大小不同;G3連續(xù)又稱為C(curvature)連續(xù)，它意味著該點處的兩曲線是非常光順的，在該點處兩條曲線曲率的大小方向均是相同的。對于存在的更高的連續(xù)性(例如G3、G4)，由于人的肉眼很難識別，所以意義不大。

圖3 線的連續(xù)性分析

曲線的連續(xù)性決定了曲面的連續(xù)性，而曲面的連續(xù)性則決定了面的質(zhì)量。在圖4中，可以通過斑馬線觀察不同連續(xù)性的曲面所產(chǎn)生的反射效果。可以看到:在G0連續(xù)中，斑馬線是完全斷開的;而在G1連續(xù)中，斑馬線位置相接，但不流暢;在G2連續(xù)中，斑馬線是完全順滑的。

除了連續(xù)性問題，曲線曲面的階數(shù)和分面方式也影響著NURBS曲面的質(zhì)量，這里不再深入討論。

圖4 面的連續(xù)性分析

2.3 CAS曲面的建模要求

從數(shù)學(xué)上說，A級曲面各個分面之間具備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，然而在連續(xù)性要求滿足之后，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，視覺效果不佳。各個車廠對曲率跳躍的要求不一樣。其中通用公司的要求較低(0.05 mm)，豐田公司次之(0.03 mm)，寶馬和大眾的要求最高(0.02 mm)。所以做 A面要求簡單、直接、光順，一般橫縱CV不超過6個，即U和V都是最高D5 級曲線［1］。

數(shù)字化建模軟件一般都提供一些輔助分析功能，用于幫助設(shè)計人員檢查所做的面是否符合曲面質(zhì)量要求。圖5就是通過光照斑馬線對曲面進行視覺檢測。

3 Rhino車身設(shè)計創(chuàng)意模型表達

3.1 Rhino 介紹

Rhino是美國Robert McNeel＆Assoc公司開發(fā)的強大的專業(yè)3D造型軟件。該軟件整合3DS MAX與Softimage的模型功能部分，擅長精細、彈性與復(fù)雜的 NURBS模型。和 Alias、Catia相比，Rhino具有價格便宜，使用要求低，操作簡便自由，周期短等特點。

圖5 Rhino中通過光照斑馬線進行曲面質(zhì)量檢測

3.2 基于Rhino構(gòu)架的總體流程

基于Rhino的數(shù)字化建模流程(圖6):在草圖創(chuàng)意確定后，將主要表現(xiàn)視圖或膠帶圖導(dǎo)入Rhino的Front視圖參考，對目標曲面進行形態(tài)分析，繪制特征造型曲線;依據(jù)特征曲線，構(gòu)建主體曲面，反復(fù)調(diào)整完成主體造型，再根據(jù)效果圖，進行主體細部造型及相關(guān)結(jié)構(gòu)處理，并對風擋、后視鏡、格柵、車輪、輪轂等部件進行建模裝配;最后通過Keyshot或showcase等其他渲染軟件進行三維效果表現(xiàn)。

圖6 基于Rhino的車身建模及表現(xiàn)流程

3.3 Rhino常見構(gòu)面方式與特征曲面制作

Rhino中的高級曲面建模命令包含了軌道掃描、網(wǎng)格構(gòu)面、補面、曲面混接、曲面匹配、延展曲面等，各種方式均有其特性及用途，可實際根據(jù)具體要求進行選擇。在構(gòu)建車身主體曲面時，需保證框架曲線符合設(shè)計中的造型特征，采用高階簡化的曲線和簡單成型思路。因為NURBS是基于UV兩個方向的曲面，所以在構(gòu)面時主要考慮使用四邊形約束或者掃掠方式。而對于局部特征，需要明確主體面之間的關(guān)系和曲面變化趨勢，采取合理的分面方式逐一構(gòu)建，在保證造型特征的同時，兼顧曲面質(zhì)量。

例如在如圖7所示的曲面制作中，首先繪制路徑曲線和截面曲線。因為特征面是漸消面，所以下端截面線段之間為G2連續(xù)，而上端截面線段為G0連續(xù)。之后通過軌道掃描，可得到如圖7所示的漸消面。

圖7 引擎蓋的制作

4 Rhino對車身A級曲面的制作

隨著Rhino的開發(fā)和應(yīng)用，面對各個行業(yè)的專業(yè)插件被相繼開發(fā)出來。盡管Rhino本身生成的NURBS曲面略顯復(fù)雜，但是通過VSR Shape插件，Rhino也可以進行A級曲面的制作。VSR Shape插件具備簡單和快速的控制點建模功能，并能使曲線和曲面匹配功能到G3，不但能用幾乎所有函數(shù)來分析評估曲面質(zhì)量，而且其產(chǎn)生的曲面更簡化(圖8)。

圖8 VSR的曲面調(diào)節(jié)

5 結(jié)束語

通過計算機輔助三維手段，可以快速地將設(shè)計師的創(chuàng)意從平面轉(zhuǎn)向立體，提升車身造型研發(fā)過程的效率，并有利于各個設(shè)計階段的溝通和交互。

本文主要分析了NURBS曲面的特性及Rhino構(gòu)建車身曲面特征的方法和流程。同其他NURBS建模軟件相比，Rhino需要通過插件才能進行CAS曲面的制作，但是Rhino以其精巧而快速的特點在數(shù)字概念模型構(gòu)建方面具有不可比擬的優(yōu)勢。Rhino生成的模型可以存儲為IGS、STP等格式用于數(shù)據(jù)共享和深入設(shè)計。

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