3DMAX技法在汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

信建英

摘 ?要： 針對(duì)以往應(yīng)用于汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中的逆向工程方法，模型建模逼真性和精度差，提出一種應(yīng)用于汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中的3DMAX技法。該方法在選取所需設(shè)計(jì)車型后，依據(jù)汽車電子系統(tǒng)實(shí)際尺寸和汽車三維模型效果需求，設(shè)置汽車電子系統(tǒng)汽車三維模型各部位的建模精度要求。利用面向?qū)ο筌浖こ谭椒ㄖ贫ㄆ噧?nèi)部全景圖，在設(shè)置的汽車三維建模精度要求下，基于汽車內(nèi)部全景圖通過(guò)NURBS建模方法利用3DMAX軟件以及NURBS曲線建立汽車三維模型，利用3DMAX軟件中的Vary渲染器選取所需材質(zhì)對(duì)所建立汽車三維模型進(jìn)行渲染，并通過(guò)FLASH 8.0動(dòng)畫(huà)編輯軟件制作渲染后的汽車三維模型動(dòng)畫(huà)，并在其中加入聲音、圖片、文字等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法設(shè)計(jì)的汽車三維模型建模精度均在99%以上，對(duì)不同汽車零件進(jìn)行各項(xiàng)操作用時(shí)低于80 ms，設(shè)計(jì)效果滿意度高。

關(guān)鍵詞： 三維建模; 三維模型動(dòng)畫(huà); 模型設(shè)計(jì); 建模精度; 汽車三維模型; 渲染

中圖分類號(hào)： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）19?0182?05

Abstract： As the reverse engineering method previously applied to automotive industry design， has poor modeling verisimilitude and accuracy， a 3DMAX technology applied to automotive industry design is proposed. After the required design models are selected， the modeling accuracy requirements of each part of the three?dimensional model of the automobile electronic system are set according to the actual size and the 3D model effect demand of the automobile electronic system. The interior panorama of automobile is made by means of object?oriented software engineering method， automobile three?dimensional model is established ?by means of the interior panorama of automobile NURBS modeling method， 3DMAX software and NURBS curve. The Vary render in the 3DMAX software is used to select the required material to render the automobile three?dimensional model. The FLASH 8.0 animation editing software is used to make cartoon of the rendered automobile three?dimensional model， and add it with sound， picture， words and other contents. The experimental results show that the modeling accuracy of automobile three?dimensional model designed by this method is higher than 99%， and the time of operating the different automobile parts is less than 80 ms， and the satisfaction degree to the design effect is high.

Keywords： 3D modeling; 3D model animation; model design; modeling accuracy; three?dimensional automobile model; rendering

0 ?引 ?言

3D Studio Max（3DMAX）軟件具有對(duì)操作系統(tǒng)配置要求較低、三維建模彈性較大以及可增加各種插件使應(yīng)用范圍更廣泛的功能，已應(yīng)用于廣告、建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、游戲軟件、三維動(dòng)畫(huà)制作等各種領(lǐng)域中。其界面主要包括標(biāo)題欄、工具欄、菜單欄、繪圖區(qū)、動(dòng)畫(huà)操作區(qū)、視圖操作區(qū)以及命令面板等。3DMAX軟件的發(fā)展已經(jīng)漸漸步入智能化以及信息化，可適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代各種需求[1]。隨著人類生活水平的提高，汽車在人們生活中漸漸普及，汽車工業(yè)設(shè)計(jì)已成為熱門(mén)行業(yè)，眾多學(xué)者們漸漸將多種高科技技術(shù)應(yīng)用于汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中。將3DMAX技法應(yīng)用于汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中，不僅可提升汽車工業(yè)設(shè)計(jì)效率，并且使所設(shè)計(jì)汽車三維建模效果更好，有效解決了傳統(tǒng)汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中所用建模軟件真實(shí)性差的缺陷[2]。

1 ?3DMAX技法應(yīng)用于汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中

3DMAX技法在汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中主要包括車型選擇、汽車建模、材質(zhì)選擇、渲染效果以及動(dòng)畫(huà)播放五部分。3DMAX技法在汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中整體框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在利用3DMAX技法對(duì)汽車進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，先在3DMAX軟件中選擇所需設(shè)計(jì)車型，完成選擇后制定三維建模精度以及汽車內(nèi)部全景圖?；诮＞纫约捌噧?nèi)部全景圖通過(guò)NURBS建模方法建立汽車三維模型，選擇所需材質(zhì)對(duì)建立完成的汽車三維模型進(jìn)行渲染，完成渲染后制作三維動(dòng)畫(huà)，便于汽車設(shè)計(jì)者全方位、直觀地觀察所設(shè)計(jì)汽車三維模型，將三維動(dòng)畫(huà)以及三維模型相結(jié)合，使設(shè)計(jì)者達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果[3]。

1.1 ?三維建模技法

1.1.1 ?三維建模精度制定

建模精度是汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中最重要的部分，建模精度直接影響汽車設(shè)計(jì)精度。因此在汽車三維建模前，需要對(duì)汽車三維模型精度進(jìn)行設(shè)計(jì)制定[4]。汽車三維模型精度的制定主要是依據(jù)汽車電子系統(tǒng)實(shí)際尺寸以及汽車三維模型效果需求，設(shè)置汽車電子系統(tǒng)汽車三維模型各部位的建模精度要求，該方法精度定制結(jié)果如表1所示。

表1中A表示要求精度級(jí)別較高;B表示要求精度級(jí)別中等;C表示要求精度級(jí)別較低，在汽車模型的建立中，只有達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求才能保證汽車模型建立符合汽車工業(yè)設(shè)計(jì)要求[5]。

1.1.2 ?汽車內(nèi)部全景圖制定

選取面向?qū)ο筌浖こ谭椒ㄟM(jìn)行汽車內(nèi)部全景圖制定，面向?qū)ο筌浖こ谭椒K與模塊間以汽車結(jié)構(gòu)結(jié)合為整體，分類結(jié)構(gòu)與類互為繼承關(guān)系，該方法的有向連通軟件工程結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

面向?qū)ο筌浖こ谭椒ǖ钠噧?nèi)部全景圖定制以用戶需求為主，體現(xiàn)3DMAX軟件交互性，增加汽車工業(yè)設(shè)計(jì)靈活性[6]。利用球形全景圖實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部全景的展示，用戶通過(guò)3DMAX軟件可以360°×180°視角全方位觀看汽車內(nèi)部全景照片，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)效果。

1.1.3 ?汽車三維建模

在制定汽車三維建模精度以及汽車內(nèi)部全景圖后，利用NURBS建模方法對(duì)汽車進(jìn)行建模。NURBS建模方法雖然操作較為復(fù)雜且比較占用計(jì)算機(jī)資源，但是具有靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[7]。NURBS建模方法通過(guò)不同控制點(diǎn)調(diào)節(jié)汽車曲線，使汽車最終曲面光滑且真實(shí)。并且NURBS建模方法可在任何情況下對(duì)汽車造型進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)不同需要建立汽車設(shè)計(jì)師最滿意的模型。

在對(duì)汽車進(jìn)行三維建模前，需要先搜集建立汽車三視圖模型和汽車內(nèi)部全景圖的基本資料，再采用3DMAX軟件實(shí)施復(fù)雜的汽車三維模型繪制。汽車模型繪制是建立汽車模型過(guò)程中最為耗時(shí)的步驟，需要在3DMAX軟件中不停地對(duì)比三視圖位置和汽車內(nèi)部全景圖位置，在確認(rèn)最精準(zhǔn)位置后將三視圖的二維圖像轉(zhuǎn)換至NURBS曲線，最終將NURBS曲線通過(guò)不斷融合、加蓋以及擠壓等步驟處理汽車細(xì)節(jié)。建模過(guò)程中以車輪、車頭、車尾以及車身為單位單獨(dú)建立，為便于后續(xù)貼圖以及渲染，需要將前照燈以及剎車燈分離。建立的汽車三維模型圖如圖3所示。

1.2 ?Vary渲染技法

在確定汽車三維模型所需材質(zhì)后，選取3DMAX軟件中的Vary渲染器對(duì)汽車三維模型進(jìn)行渲染，Vary渲染器是3DMAX軟件所匹配的性能極為優(yōu)秀的渲染器。用戶可通過(guò)Vary渲染器中全局照明系統(tǒng)自行搭配合適的引擎，獲取最優(yōu)質(zhì)的渲染效果。Vary渲染器可支持全局照明、運(yùn)動(dòng)模糊、烘焙貼圖、景深等高級(jí)渲染功能[8]。Vary渲染器中具有的燈光庫(kù)以及材質(zhì)庫(kù)可配合設(shè)計(jì)師對(duì)汽車模型進(jìn)行渲染，獲取最優(yōu)質(zhì)的汽車模型渲染效果，提高汽車三維模型的直觀性和逼真性。

Vary渲染器中具有的燈光庫(kù)中儲(chǔ)存的光照信息可供用戶實(shí)時(shí)調(diào)用，節(jié)省大量運(yùn)算時(shí)間，增加渲染速度;Vary渲染器可識(shí)別渲染模型過(guò)程中的錯(cuò)誤相交信息，具有高度智能化特點(diǎn)，渲染效果較好，并且可兼容3DMAX軟件中所有燈光以及材質(zhì)，兼容效果好，可提升渲染速度，增強(qiáng)渲染效果[9]。

1.3 ?動(dòng)畫(huà)技法

通過(guò)FLASH 8.0動(dòng)畫(huà)編輯軟件在3DMAX中對(duì)渲染后的汽車模型制作動(dòng)畫(huà)，該軟件不僅可以高精確度地制作汽車動(dòng)畫(huà)，并且可將聲音、圖片、文字以及視頻等格式文件加入動(dòng)畫(huà)中。三維動(dòng)畫(huà)相對(duì)于三維圖像可展示汽車所有細(xì)節(jié)。為提升汽車三維模型動(dòng)畫(huà)效果，在汽車動(dòng)畫(huà)制作中需要具有鮮明的特色以及合理的搭配[10]。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

為檢測(cè)本文3DMAX技法應(yīng)用于汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)效果，選取CPU為AMD Ryzen 7 2700X，內(nèi)存大小為512 MB，硬盤(pán)大小為160 GB的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)選取IIS服務(wù)器以及Access數(shù)據(jù)庫(kù)作為軟件測(cè)試環(huán)境。并將本文方法與逆向工程方法以及Rhino方法進(jìn)行比較。

統(tǒng)計(jì)采用三種方法建立某類型家用轎車三維模型的建模精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文方法在所統(tǒng)計(jì)五個(gè)部位建模精度均在99%以上，符合家用轎車建模要求，而逆向工程方法以及Rhino方法設(shè)計(jì)家用轎車三維模型的建模精度明顯低于本文方法，驗(yàn)證了本文方法具有高建模精度的優(yōu)勢(shì)。

將實(shí)驗(yàn)家用轎車三維模型賦予顏色、材質(zhì)以及光影效果后，統(tǒng)計(jì)三種方法設(shè)計(jì)的家用轎車三維模型的渲染效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文方法設(shè)計(jì)的家用轎車三維模型所有部位均渲染成功，完成度為100%，轎車任何一個(gè)曲面均可以完整顯示，沒(méi)有渲染失敗部位;而逆向工程方法以及Rhino方法并未將家用轎車所有部位全部渲染完成，在車窗、車頭、車身等部位均存在渲染失敗現(xiàn)象。因此可以看出，采用本文方法設(shè)計(jì)的家用轎車三維模型渲染完成度較高，本文方法渲染材質(zhì)效果逼真，光影效果完美，是一種可應(yīng)用于汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中性能較優(yōu)的技法。而逆向工程方法以及Rhino方法渲染的家用轎車三維模型部分部位材質(zhì)效果以及光影效果較為普通，渲染效果差。

三種方法在家用轎車工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的操作性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文方法進(jìn)行家用轎車工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)不同轎車零件進(jìn)行各項(xiàng)操作用時(shí)均在80 ms以下;而逆向工程方法以及Rhino方法用時(shí)明顯高于本文方法，對(duì)不同汽車零件進(jìn)行各項(xiàng)操作時(shí)用時(shí)均在150 ms以上，操作時(shí)間直接體現(xiàn)了方法的操作性能，以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了本文方法具有較高的操作性能。

選取100名專業(yè)的汽車工業(yè)設(shè)計(jì)師，并將100名汽車工業(yè)設(shè)計(jì)師分為10組，令10組人員分別使用三種方法進(jìn)行家用轎車工業(yè)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后統(tǒng)計(jì)100名汽車工業(yè)設(shè)計(jì)師的問(wèn)卷結(jié)果，采取問(wèn)卷調(diào)差方式反映汽車工業(yè)設(shè)計(jì)師們對(duì)采用三種方法進(jìn)行汽車工業(yè)設(shè)計(jì)的滿意程度。調(diào)查內(nèi)容包括方法合理性、穩(wěn)定性、可操作性以及模擬效果，10組人員對(duì)三種方法的評(píng)分結(jié)果如表4所示。

通過(guò)表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，本文方法的合理性、穩(wěn)定性、可操作性以及模擬效果均高于逆向工程方法以及Rhino方法。本文方法評(píng)分高于其他兩種方法，說(shuō)明采用本文方法進(jìn)行家用轎車的工業(yè)設(shè)計(jì)效果好，可操作性高，且方法較為合理以及穩(wěn)定，汽車設(shè)計(jì)師滿意度較高。

3 ?結(jié) ?論

3DMAX軟件具有建模方法多、技術(shù)性較強(qiáng)、建模精度高以及渲染效果好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。本文在建立汽車三維模型前實(shí)施三維建模精度與汽車內(nèi)部全景圖制定，并在制定后通過(guò)NURBS建模方法建立汽車三維模型，利用NURBS建模方法靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，提升汽車工業(yè)設(shè)計(jì)中汽車建模精度，滿足不同汽車設(shè)計(jì)師的不同需求。

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