汽車草圖與CAS模型的差異程度研究

杜文暢　鄒欣

摘要：目的量化造型過程中草圖轉(zhuǎn)換到數(shù)字模型中的差異，提供反饋給設(shè)計(jì)師。方法通過對草圖和CAS模型的差異面積對比觀察，擬定出草圖與前期模型特征線的差異面積，通過統(tǒng)計(jì)差異面積變化反饋出草圖到CAS模型的變化程度。結(jié)果對草圖到建立CAS模型階段的變化程度提供有意義的參考。結(jié)論草圖轉(zhuǎn)換到模型過程中量化統(tǒng)計(jì)特征線的差異程度的方法。

關(guān)鍵詞：CAS模型 特征線 草圖 差異面積

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2018）09-0120-03

引言

汽車造型設(shè)計(jì)是一個(gè)從平面到立體實(shí)物的創(chuàng)造過程，在紙上繪制的線條在通過層層篩選和修改后可能會(huì)映射在實(shí)體車輛中，往往在項(xiàng)目初期的幾張紙上的線條最后決定的一輛汽車的設(shè)計(jì)形態(tài)方向。草圖的繪制像一塊海綿，吸取靈感，應(yīng)用在設(shè)計(jì)中，是一種富有藝術(shù)性和想象力的工作。但汽車又是面向普羅大眾的商品，它需要被人接納，為企業(yè)賺取利潤，汽車的前期數(shù)字模型是對方案中的設(shè)計(jì)要求的具象化體現(xiàn)。當(dāng)富有創(chuàng)造力的藝術(shù)品轉(zhuǎn)化到被賦予商業(yè)化價(jià)值的方案中的時(shí)候，兩者之間屬性上的差異，從平面到立體，從創(chuàng)造到執(zhí)行，不同的性質(zhì)造成草圖轉(zhuǎn)化到模型的差異。本次研究內(nèi)容是針對草圖到前期模型轉(zhuǎn)化階段的形體變化程度的探索。

一、草圖和CAS模型在設(shè)計(jì)流程的作用

在目前的汽車造型設(shè)計(jì)流程中草圖繪制階段是建立在總體布置之后，根據(jù)造型需求的風(fēng)格、和設(shè)計(jì)訴求等方面篩選出符合目標(biāo)用戶的草圖方案，通過已有的草圖和車身布置要求快速建立初期數(shù)字模型，并且數(shù)字模型的建立和觀察可以快速高效地觀察到最初的三維汽車體量特征和型面關(guān)系。汽車造型設(shè)計(jì)中的CAS是Concept A Surface的縮寫，CAS模型是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段的前期模型，這類模型不需要具備A級(jí)曲面的高質(zhì)量平順性，可以在項(xiàng)目前期快速建立模型使平面造型轉(zhuǎn)化為三維模型。不同的車企CAS模型和油泥模型可能是前后推進(jìn)或者同時(shí)推進(jìn)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的積累，CAS模型在型面調(diào)整的靈活性、曲面的搭建效率、客觀的光影觀測和評(píng)審階段的完整度都有著一定的技術(shù)優(yōu)勢。草圖通過平面投影的方式可以在3D模型軟件中以參考背景形式存在，在模型的快速搭建和視圖比對方面相對于初期油泥模型能達(dá)到更高的精度和圖像對比。因此在草圖轉(zhuǎn)換到三維模型的過程中特別加入了CAS后期模型流程部分用于草圖的對比（如圖1）。

數(shù)字模型設(shè)計(jì)屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)近年來的快速發(fā)展，在CAS模型搭建速度，渲染質(zhì)量，基于VR、AR技術(shù)的評(píng)審技術(shù)已經(jīng)比較成熟，CAS模型相對于油泥模型在方案推敲和修改上有時(shí)間短效率高的特點(diǎn)，同一個(gè)方案中CAS模型更容易獲得多樣化的推敲結(jié)果。CAS模型另外的一個(gè)特點(diǎn)是可以在完成造型要求后和渲染軟件進(jìn)行對接，從而將草圖到三維模型再到虛擬評(píng)審短時(shí)間內(nèi)串聯(lián)，縮短產(chǎn)品的前期開發(fā)時(shí)間。有利于高效快速的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。

近年來在“雕塑風(fēng)格”的影響下，汽車造型設(shè)計(jì)出現(xiàn)的一些不規(guī)則和多樣化的特征線，豐富了汽車形面內(nèi)容，同時(shí)將車身曲面進(jìn)行割裂，在視覺上將汽車曲面分為不同的部分。如今，特征線在草圖繪制過程中的使用已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車造型設(shè)計(jì)的主流設(shè)計(jì)手段。無論是在草圖階段到CAS模型搭建階段，特征線都是作為一種表現(xiàn)車輛局部形態(tài)特征的方式被應(yīng)用。由于汽車造型設(shè)計(jì)的曲面信息量較為復(fù)雜，表達(dá)形式較為多樣化，在本次研究中草圖與CAS模型對比主要是依靠側(cè)視圖的特征線進(jìn)行。

二、草圖與CAS模型特征線的研究方法

在案例的設(shè)計(jì)過程中，通過前期的設(shè)計(jì)要求繪制對應(yīng)的草圖，其中包括側(cè)面輪廓線、肩線、裙線、車窗下沿線、車窗線、輪眉等。繪制不同方案的草圖標(biāo)記以上特征線的位置，比對CAs模型中對應(yīng)的特征線通過差異面積的統(tǒng)計(jì)得到對應(yīng)的數(shù)值。

（一）關(guān)于定位

側(cè)面草圖與CAS模型側(cè)視圖的比對是以前輪輪眉內(nèi)側(cè)圓弧位置大小重合為對比參考的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行。

（二）關(guān)于差異面積

本次研究是以像素面積為主要差異單位，差異面積是線條與線條相交所產(chǎn)生夾角范圍內(nèi)到特征線線段間的連接線所形成的面積。區(qū)域在側(cè)面視圖定位完成的前提下同類別的線條之間的差異形成的面積作為差異面積，在一部分特殊要求下可硬根據(jù)不同位置的線條設(shè)定權(quán)重，最后對各特征線的差異程度進(jìn)行求陽得到側(cè)面視圖整體的差異面積。

（三）兩種特殊情況

CAS模型中出現(xiàn)草圖階段未曾出現(xiàn)的特征線、或者局部草圖特征線與CAS模型特征線趨勢相同但只有部分重疊，這樣的情況下會(huì)造成即使不是同樣的線段或者憑空出現(xiàn)、消失的特征線差異面積為零，但在線的形態(tài)上兩者并非是相同線段，在這樣的特殊情況下可以定義非重疊部分附加上一定的差異面積，面積的默認(rèn)高度值根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行設(shè)置。

在封閉組合的線段中CAS模型的封閉線段和草圖的封閉線段之間的差異面積是用布爾運(yùn)算中的組合邏輯得到（如圖2）。

三、特征線差異面積研究

在本次研究中是針對側(cè)面視圖進(jìn)行的特征線差異程度研究，在側(cè)面視圖中找出特征線的位置，比如：側(cè)面輪廓線、車燈輪廓、車燈下沿線、保險(xiǎn)杠進(jìn)氣口特征線、側(cè)面肩線、側(cè)面裙線、后輪眉特征線、底盤線、車尾燈輪廓、側(cè)窗輪廓線、后保險(xiǎn)杠棱線、后裙特征線等（如圖3、4）。

根據(jù)所提到的特征線和車型的定位進(jìn)行草圖繪制，案例中的車型是以B級(jí)轎車為設(shè)計(jì)定位車型。繪制人員根據(jù)定位和特征線要求進(jìn)行草圖繪制，得到以下4個(gè)方案的草圖和草圖的提取線稿（如圖5）。（共4組）

通過草圖方案確定車輛的設(shè)計(jì)特征，在模型的建立階段參考了現(xiàn)有市場中的B級(jí)轎車空間尺寸1得到CAS模型（如圖6）。

對CAS模型側(cè)視圖和草圖方案提取的線稿進(jìn)行對比，以前輪輪眉內(nèi)側(cè)輪廓重合作為定位輪廓的基準(zhǔn)，針對方案草圖所提取的特征線與CAS模型階段所提取的特征線進(jìn)行比對得到之間的差異面積。通過差異面積的繪制得到色面積色彩，用色彩像素分布直方圖得出面積值（如圖7）。

四、分析

差異面積并非是對前期草圖轉(zhuǎn)換到CAS模型階段正確程度所建立的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，草圖繪制是一個(gè)從無到有的創(chuàng)造過程，轉(zhuǎn)換到模型階段一定會(huì)出現(xiàn)平面與三維空間的誤差。草圖的繪制帶有一定的藝術(shù)性特征，在一些局部線條中通過夸張的趨勢強(qiáng)調(diào)形態(tài)的表現(xiàn)，但在轉(zhuǎn)換到三維形態(tài)中由于不同數(shù)模師對線的走勢有不同的理解以及其他限制汽車造型因素，導(dǎo)致創(chuàng)意草圖與模型數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)形態(tài)上的差異。通過差異面積的標(biāo)定差異度可以將草圖與模型視圖的差別通過可視化表達(dá)出，為草圖和數(shù)字模型之間提供了一個(gè)具體的特征線變換的量化參考。

在傳統(tǒng)汽車造型設(shè)計(jì)流程中草圖到模型階段存在一定的比例和姿態(tài)上的變化，產(chǎn)生變化的原因是在二維平面轉(zhuǎn)換到三維立體推敲過程中的完善和補(bǔ)充，數(shù)模師在理解設(shè)計(jì)師在方案中體現(xiàn)的體量感和設(shè)計(jì)感后著手模型建立工作，這個(gè)過程是設(shè)計(jì)師與數(shù)模師協(xié)同的過程，本質(zhì)上是人與人交流的過程，不可避免地會(huì)摻入人的一部分主觀意識(shí)。數(shù)字模型的形態(tài)相對于草圖形態(tài)相對平緩，數(shù)據(jù)方案同時(shí)也會(huì)更加保守。所以兩者性質(zhì)不同，造成差異面積的存在?？梢酝ㄟ^差異面積進(jìn)行數(shù)字模型的控制，比如方案中的側(cè)面肩線輪廓差異面積是6000的單位，通過縮小差異面積數(shù)值可以有效的控制數(shù)據(jù)模型的特征線位置，當(dāng)差異面積為0的時(shí)，數(shù)字模型肩線已經(jīng)與草圖方案肩線重合（如表1）。

CAS模型是在草圖的參考下進(jìn)行搭建，但同時(shí)需要考慮到車輛總布置、人機(jī)工程學(xué)、以及設(shè)計(jì)評(píng)審等方面的修改，所得到的整體形態(tài)相對于草圖會(huì)產(chǎn)生一定的變化。差異度是在設(shè)計(jì)評(píng)審階段應(yīng)用于模型調(diào)整的一個(gè)數(shù)值參考項(xiàng)，如果出現(xiàn)較大的從差異面積，在數(shù)字模型需要調(diào)整的前提下可以通過差異度提供數(shù)字模型的變化程度進(jìn)行特征線的調(diào)節(jié)。

差異面積還可以對前期的草圖進(jìn)行反饋，獲得特征線最接近CAS模型的草圖方案以及偏離度最大的草圖方案。為前期方的草圖積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。在4個(gè)繪制的草圖案例中，側(cè)面輪廓線的差異面積最大，其次的側(cè)窗的差異面積會(huì)產(chǎn)生較大的差別，肩線部分比較容易產(chǎn)生較大的差異面積。其中方案4的總差異面積達(dá)到59832個(gè)像素，是其他3個(gè)方案的近2倍總差異面積，同時(shí)在姿態(tài)和體積方面整體相對于CAS模型高出一段明顯的距離，方案4的草圖已經(jīng)不具備轉(zhuǎn)換為CAS模型的作用。方案1到方案3的差異面積都控制在3000單位以上的附近，整體比較均衡，在數(shù)字模型中基本都體現(xiàn)了方案1到方案3的比例控制要求。

結(jié)論

差異是一個(gè)參考量，為設(shè)計(jì)師從草圖轉(zhuǎn)換到模型提供了一個(gè)參考數(shù)值。在傳統(tǒng)的汽車造型設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師繪制平面草圖，數(shù)模師在計(jì)算機(jī)中間搭建三維立體模型，整個(gè)設(shè)計(jì)流程是由不同的人完成不同階段的任務(wù)，使得造型方案在推敲階段出現(xiàn)一定的變形。為了反映草圖到數(shù)字模型階段中出現(xiàn)的變形提出差異度參考量，草圖在轉(zhuǎn)化到數(shù)字模型方案中通過差異面積的方式表達(dá)其中的變形量，在草圖中的夸張線條部分可以根據(jù)差異面積進(jìn)行數(shù)值上的參考修改，作為平衡模型形態(tài)與草圖發(fā)散線條之間差異程度的參考，通過參考已經(jīng)量化的數(shù)值對于數(shù)字模型進(jìn)行控制。同時(shí)差異度可以通過前期草圖和CAs模型的對比找出最接近數(shù)字模型和偏離度最大的方案，從而為項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。