3D變形技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃朝暉 王博倫

摘要：汽車造型設(shè)計(jì)已成為影響當(dāng)今汽車銷售的一個(gè)重要因素，美觀獨(dú)特的汽車造型也成為汽車企業(yè)在全球化趨勢(shì)下的重要競(jìng)爭(zhēng)手段。本論文闡述了汽車造型設(shè)計(jì)的3D變形技術(shù)。計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成不同于現(xiàn)有汽車款式的技術(shù)，不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，還可以提供很多工程設(shè)計(jì)、汽車造型設(shè)計(jì)和材料分類，3D變形技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代汽車造型設(shè)計(jì)的創(chuàng)新是很好的支持和幫助。

關(guān)鍵詞：3D變形；汽車造型設(shè)計(jì)；創(chuàng)新

1簡(jiǎn)介

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)高度發(fā)展的今天，相比較實(shí)用性，汽車攜帶著更多的人文符號(hào)，如消費(fèi)者性格、喜好、身份和地位。所以，除了內(nèi)在的機(jī)械性能，汽車造型設(shè)計(jì)在汽車的銷售過程中一直受到消費(fèi)者特別的關(guān)注。汽車造型決定了其是否能第一時(shí)間吸引客戶，這將影響汽車的銷售，甚至與汽車企業(yè)發(fā)展的命運(yùn)息息相關(guān)。目前，中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)高速穩(wěn)定的發(fā)展階段，但是中國(guó)汽車品牌卻不能在國(guó)際市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟。如何從“中國(guó)制造”轉(zhuǎn)變成“中國(guó)創(chuàng)造”，成為一個(gè)強(qiáng)大的汽車國(guó)家，關(guān)鍵在于創(chuàng)新。汽車造型設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的核心組成部分之一，但如今現(xiàn)有CAD軟件和技術(shù)沒有針對(duì)造型研究創(chuàng)新的模塊，而3D變形技術(shù)的引入將改變這一現(xiàn)狀。3D變形技術(shù)可以自動(dòng)產(chǎn)生大量的、不同于現(xiàn)有產(chǎn)品的新形式，這些都是不同于初始定位對(duì)象和中間對(duì)象的，它能激發(fā)設(shè)計(jì)師的靈感，有助于汽車造型的創(chuàng)新。隨著3D變形技術(shù)的發(fā)展和完善，它將彌補(bǔ)現(xiàn)有CAD軟件的不足，成為一個(gè)汽車造型創(chuàng)新的有效手段。

23D變形技術(shù)的基本原理

給定兩個(gè)幾何模型，一個(gè)源S和一個(gè)目標(biāo)T，3D變形技術(shù)生成中間模型序列{ M在其中不斷地從源（M0=S）到目標(biāo)（Mi=T）改變其形狀。在3D變形中，中間對(duì)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(biāo)對(duì)象，其他的是中間對(duì)象。它們是以參數(shù)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(shù)在汽車款式設(shè)計(jì)中應(yīng)用的算法

汽車造型是一個(gè)復(fù)雜的自由表面問題，基本的設(shè)計(jì)元素仍然是點(diǎn)、線和面。對(duì)于造型描述來說，點(diǎn)對(duì)造型設(shè)計(jì)非常重要，但又不能滿足造型。線隨點(diǎn)變化，是連接著的造型元素，但面卻能很好地表達(dá)造型。根據(jù)計(jì)算機(jī)中車型的不同表達(dá)方式，本文介紹了以下3D變形技術(shù)：

3.1基于2D輪廓的3D變形技術(shù)

汽車側(cè)面輪廓線是表達(dá)和控制大部分造型信息的特色線條，叫做汽車造型對(duì)稱線。因此，基于2D輪廓的3D變形技術(shù)已成為不可或缺的汽車造型技術(shù)。它通常包括以下幾個(gè)步驟：首先，使用坐標(biāo)平面平行于汽車對(duì)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(huì)被保留，但計(jì)算難度也會(huì)越大。

其次，在相應(yīng)的2D輪廓之間建立對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)。然后，根據(jù)這些對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)，改變2D輪廓。最后，當(dāng)2D輪廓擬合時(shí)，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(wǎng)格是描述模型最常見、最好的形式，特別是對(duì)于汽車模型復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們可以描述模型的所有細(xì)節(jié)。為了維持這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常根據(jù)投影進(jìn)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(yīng)反映模型頂點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，并不自交。

（2）根據(jù)頂點(diǎn)S和T之間的幾何關(guān)系，計(jì)算頂點(diǎn)T在S上對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置。

（3）重復(fù)步驟2，計(jì)算投影T上所有的頂點(diǎn)S。根據(jù)S和T之間的關(guān)系，建立項(xiàng)目模型M，它可以表達(dá)新模型M的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，M可以通過插值變換計(jì)算。

3.3其他3D變形算法

根據(jù)模型的不同表達(dá)式，如NURBS曲面、點(diǎn)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(chǎng)的變形算法，這些算法都有優(yōu)缺點(diǎn)，并在文獻(xiàn)中有更詳細(xì)的描述。這些算法在汽車設(shè)計(jì)中有重要意義。

4 3D變形技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值

3D變形技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫系統(tǒng)、娛樂和醫(yī)療行業(yè)，特別是在電影特技和動(dòng)畫中，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟。雖然技術(shù)應(yīng)用在汽車造型設(shè)計(jì)中還并不常見，但是它具有非常重要的作用。

（1）汽車造型設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法。CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和汽車造型設(shè)計(jì)軟件是汽車造型設(shè)計(jì)的常用工具。它可以幫助設(shè)計(jì)師來表達(dá)他們的想法，但它不能思考。通過3D變形技術(shù)，可以改變現(xiàn)有汽車模型以獲得所需的目標(biāo)模型，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)生成一系列的中間模式。因此，這項(xiàng)技術(shù)可以為汽車設(shè)計(jì)提供一種新的創(chuàng)新的方式。

（2）為汽車造型設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的思路和方法。首先，中間對(duì)象都有自己的特點(diǎn)。他們有汽車模型的視覺特征，但中間對(duì)象不同于源汽車模型的。其次，中間對(duì)象有變異性的特點(diǎn)。由于算法的復(fù)雜性，變形中的中間對(duì)象可能脫離設(shè)計(jì)師的控制。但這種變化可以激發(fā)設(shè)計(jì)師，擴(kuò)展設(shè)計(jì)的思想。

（3）為汽車造型設(shè)計(jì)師提供大量的參考。在變形過程中，每一個(gè)同的值對(duì)應(yīng)一個(gè)中間對(duì)象。設(shè)計(jì)師可以接收大量的帶有參數(shù)細(xì)分的新模型。這些中間模型不同于現(xiàn)有汽車的獨(dú)立風(fēng)格，可被設(shè)計(jì)師用作參考素材。

（4）有利于空氣動(dòng)力學(xué)造型設(shè)計(jì)?？諝鈩?dòng)力學(xué)與車身設(shè)計(jì)有緊密的關(guān)系。如圖2所示，下墜的水滴是一個(gè)很好的動(dòng)態(tài)模型，汽車模型轉(zhuǎn)變成一滴水的過程將生成大量的符合動(dòng)力學(xué)的模型，將這些模型導(dǎo)入汽車分析軟件將獲得最優(yōu)化的車身。3D變形可以融合技術(shù)與美學(xué)，汽車款式設(shè)計(jì)也因此將更為先進(jìn)和科學(xué)。

（5）3D變形技術(shù)是直覺主義的和瞬時(shí)的。中間汽車模型在3D中顯示，這比設(shè)計(jì)草圖會(huì)得到更多的風(fēng)格信息。設(shè)計(jì)者可以觀察汽車的每一個(gè)細(xì)節(jié)。圖1中，設(shè)計(jì)者可以觀察3D視覺中每一個(gè)細(xì)節(jié)的漸進(jìn)變形。變形結(jié)果可以用于任何CAD軟件的快速成型和模具開發(fā)。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(shè)計(jì)周期。

（6）有利于概念車（未來汽車）的設(shè)計(jì)。將設(shè)計(jì)師創(chuàng)造的概念模型與現(xiàn)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(kuò)展。

5結(jié)論

汽車造型設(shè)計(jì)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著越來越重要的作用。3D變形技術(shù)為汽車造型設(shè)計(jì)提供了一種新的輔助設(shè)計(jì)方法。雖然產(chǎn)品建模設(shè)計(jì)的技術(shù)應(yīng)用還不成熟，但隨著技術(shù)的發(fā)展，它將會(huì)刺激設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)靈感，提高建模創(chuàng)新的價(jià)值。