Subdivision建模在汽車造型數(shù)字化設計中的應用研究

吳浩聰，宋 健，姚亞鳳

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 引言

伴隨著汽車市場產(chǎn)品競爭日趨激烈，車企對車型開發(fā)與更新?lián)Q代的需求也隨之增多，開發(fā)周期不斷緊縮。同時在智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化、共享化趨勢下，汽車造型設計不斷嘗試以新的設計形式與方法尋求創(chuàng)新與突破。數(shù)字化設計作為造型設計的關鍵環(huán)節(jié)，面對新一輪大發(fā)展、大變革的時代，時刻保持技術的先進性，提高自身效率變得尤為重要。Subdivision建模（以下簡稱Subd建模）作為一種新的技術與方法，結合了傳統(tǒng)Nurbs建模與Polygon建模的優(yōu)勢，在動畫、影視等領域有比較廣泛的運用，目前在汽車造型設計領域還處在摸索階段，尚未形成統(tǒng)一的方法。

2 Subdivision建模概述

Subd建模是以多邊形網(wǎng)格為基礎，用細分曲面模擬三維模型，通過獨特算法得到整體光滑曲面的建模方法。目前在CAD設計軟件中應用比較廣泛的幾何建模方法為Nurbs曲面建模、Polygon多邊形建模和Subdivision細分曲面建模，三者間的概念對比見表1。Nurbs曲面建模即非均勻有理B樣條線，采用曲線及曲面表達幾何模型，通過控制點來控制曲線曲面形狀，是目前汽車造型領域應用最廣泛的建模方式。Polygon建模是使用大量多邊形平面來擬合任意拓撲結構幾何模型的建模方法；Subd建模采用多邊形建模的算法，并綜合了Nurbs曲面建模的優(yōu)點，通過初始控制網(wǎng)格和細分規(guī)則，避免了傳統(tǒng)參數(shù)建模在構造復雜自由曲面模型時由于裁剪拼接引入的幾何誤差，同時又具有多邊形建模所不具備的較高的曲面質量，這些優(yōu)勢使細分曲面建模方法逐漸受到用戶的重視。

表1 三種建模方式對比

3DMax、Maya等三維設計軟件都有專門的細分曲面造型模塊，汽車造型設計主流建模軟件Alias，在其2020版本中也新增了Subdivision板塊，打造了一套Alias、Subd建?；旌瞎ぷ髁?，使得Alias也具有了細分曲面建模功能。

3 Subdivision在汽車造型數(shù)字化設計中應用的可行性與優(yōu)勢分析

汽車造型設計作為形式與功能結合的載體，既具有藝術美感又兼具嚴謹?shù)慕Y構限制，涵蓋了造型語義、型面特征等眾多復雜信息，設計流程較為復雜，設計分工非常細致。在整個開發(fā)流程中造型方案一般要經(jīng)歷多輪評審，這就要求造型設計不斷優(yōu)化流程，使用快捷高效的手段進行評審與展示推進設計，而探究 Subd 建模在汽車造型數(shù)字化設計中應用的可行性是其首要條件。

3.1 汽車造型數(shù)字化設計一般流程與瓶頸

在傳統(tǒng)造型開發(fā)流程中，數(shù)字化設計作為中間環(huán)節(jié)承接二維與工程，隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，數(shù)字化設計已經(jīng)貫穿到造型開發(fā)的各個階段，推動設計的進程。汽車開發(fā)中數(shù)字化設計的傳統(tǒng)流程與目前流程對比如圖1所示。在產(chǎn)品立項階段進行車型定位，數(shù)字化設計會根據(jù)項目策劃及工程輸入的Package制作基礎比例模型進行項目評審。造型開發(fā)中，概念設計階段根據(jù)設計任務確定造型風格，明確造型特征，數(shù)字化設計團隊會根據(jù)造型設計團隊的二維草圖及總布置圖構建比例模型，為創(chuàng)意團隊進行造型設計的推敲提供基礎，同時也為工程部門的早期介入提供數(shù)據(jù)支持。設計方案確定后根據(jù)進一步設計方案的細化及工程輸入進行方案數(shù)字模型的制作，依靠建模軟件構建細節(jié)模型，逐步解決各種造型可行性問題。造型數(shù)據(jù)完成后交接給油泥模型團隊進行實體模型制作評審，最后造型模型確認后輸出到工程部門進行驗證與開發(fā)。

圖1 汽車造型設計流程

在整個開發(fā)流程中，數(shù)字化設計在不同的階段扮演不同的角色，職能區(qū)間不斷迭代，設計任務不斷延伸。目前在汽車造型數(shù)字化設計中主流的三維建模方式為Nurbs曲面建模，由于其能夠提供較為平滑的曲面而得到廣泛推崇，但在操作方式與算法處理上受制于工具本身的局限不能做到高效快速。尤其在進行前期項目立項、造型多方案推敲時，Nurbs曲面的繁瑣性會使建模效率大打折扣。數(shù)字化設計師在二維轉三維過程中，必然會遇到造型還原度偏離的難題，在解決這一難題的過程中，數(shù)據(jù)工作常常反復，Nurbs曲面在模型修改上會耗費較多時間。

另一方面隨著消費者生活水平與審美的提升，造型設計開發(fā)逐漸演變?yōu)橐韵M者需求為導向，產(chǎn)品形態(tài)已經(jīng)從以功能至上的簡約設計不斷向多元化甚至復雜化發(fā)展。傳統(tǒng)的Nurbs建模方式在應對新的造型趨勢上顯得力不從心，在復雜造型表達上不具備優(yōu)勢。這些都是汽車造型設計中遇到的瓶頸，限制了造型開發(fā)的效率與方案的多樣性。

3.2 Subdivision建模的優(yōu)勢

Subd建模除了提供一套綜合多邊形建模易用性與Nurbs曲面精確光滑性的建模方式之外，還提供了一些與傳統(tǒng)Nurbs工作流程結合的解決方案，本文主要以汽車造型主流建模工具 Alias 中的Subdivision模塊為例，探討其在汽車造型設計開發(fā)流程中的優(yōu)勢。

（1）操作簡捷性

以 Alias 中的Subdivision為代表的細分曲面軟件操作命令簡單，通過簡單的拉伸、橋接、邊插入等工具就可以實現(xiàn)模型的搭建，極易上手，對于不具備建?；A的設計師也不存在較高的門檻。軟件具體的操作命令如圖2所示。

圖2 Alias中Subdivision工具命令欄

（2）靈活高效性

使用者可以快速制作粗略的多邊形形式，在操作中直接通過用編輯控制點的方式修改模型，像多邊形曲面一樣任意拓撲，不像Nurbs一樣必須要四邊形。同時Subd建模數(shù)據(jù)狀態(tài)具有整體一致性，在修改過程中不必擔心縫合和連續(xù)性，極大地提高了建模效率。

（3）精度可調性

Subd建模作為Polygon建?；A上衍生出的建模方法，不僅繼承了Polygon建模的操作簡單、靈活便捷，同時又兼具Nurbs建模曲面光滑連續(xù)的特點。Subd建?？梢灾辉谛枰毠?jié)的部位執(zhí)行細分操作，增加點、線的排布來表達復雜形態(tài)，通過調整控制點提高曲面質量。

（4）結構精簡性

通過Subd建模輸出的數(shù)據(jù)，一個零部件成整組狀態(tài)，可以減少曲面的丟失，在可視化數(shù)據(jù)制作階段，節(jié)約了樹結構的整理時間。同時由Subd建立的復雜曲面，結構簡單，可以更好地表示UV方向，方便在可視化里實現(xiàn)貼圖等操作，其數(shù)據(jù)所占內存較小，能夠保證展示流暢性。

3.3 Subdivision建模的局限性

Subd建模雖然整合了Polygon與Nurbs的優(yōu)勢，在前期開發(fā)中更加靈活高效，但在整個汽車造型設計流程應用中還存在一定的局限性。首先受限于其建模方式及現(xiàn)有工具的不完善，在與上下游部門數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)準確性上仍具有不足之處。其次要達到較高要求的光順平滑的曲面質量，Subd建模也需要花費一定時間進行調試。

4 Subdivision在汽車造型數(shù)字化設計中的應用策略與方法

Subd建模采用類似于多邊形建模的方式與模型進行交互，在設計過程中應用具有較大的靈活性，伴隨著數(shù)字化設計已經(jīng)貫穿到整個汽車造型設計流程，Subd建模可以根據(jù)需要有機的結合到汽車設計的不同階段，有效推進設計進程。目前Subd建模的應用在造型開發(fā)中前期階段具有明顯的優(yōu)勢，筆者主要將其應用方法集中在造型數(shù)字化設計的立項、概念設計與方案模型制作階段。

4.1 促進產(chǎn)品立項

在產(chǎn)品立項階段，因為項目的不確定性，不可能投入過多的物力和人力，需要控制時間成本和經(jīng)濟成本。數(shù)字化設計師首先根據(jù)工程輸入的Package，利用Subd建模中Box、Plan、Extrude工具快速建立產(chǎn)品的比例模型。通過細分曲面、移動控制點工具，取得不同軸距、前懸、后懸、車高、車寬等多個方案，并進行市場調研，細分市場定位。工程師根據(jù)基礎模型，進行初步分析，優(yōu)化總布置圖，落實各空間系統(tǒng)的關鍵位置，并選出最優(yōu)方案參與評審展示，讓決策層能夠直觀感受車身比例，確定車型尺寸。

4.2 輔助概念生成

在概念設計前期階段，其主要任務是創(chuàng)意的生成與發(fā)散，這個階段主要是在二維平面中實現(xiàn)的。Subdivision工具簡單易于操作的特性能極大地發(fā)揮數(shù)字化設計在概念設計階段的作用。首先設計師通過Subd多邊形任意拓撲，建立粗略的基礎模型，轉換為Smooth順滑模式在三維空間中多角度觀察，通過移動控制點，在不斷的調試下感知其體量關系，確定合適的比例姿態(tài)。如圖3所示，在得到滿意的基礎形后，再進行特征的深化。設計師可以一邊在二維中進行方案推敲，一邊在三維中隨意拉動控制點調節(jié)形態(tài)，并通過Crease、Weld等工具進行棱線等簡單特征的制作。概念生成由二維為主轉變?yōu)槎S和三維不斷交互的過程，在概念設計前期階段就及時驗證方案在三維空間中的形態(tài)及空間關系，增加了造型創(chuàng)意立體化實現(xiàn)的可能性，有助于消除傳統(tǒng)設計中二維轉三維造成的設計偏差，這是一個平面與空間相結合的造型構想過程，克服了純粹二維平面造型推敲的局限性與束縛。Subd建模的靈活高效性使得概念設計在三維空間中進行快速推敲變成了可能，這是在傳統(tǒng)Nurbs建模中所不具備的。

圖3 基礎比例模型

4.3 完成3D方案模型

二維創(chuàng)意階段確認后，一般會選擇3到4個效果圖進行三維方案模型制作，通過提前在概念設計前期階段引入3D 模型進行方案推敲，對后續(xù)構建3D Proposal Model，還原造型意愿提供了很大的支持和保障。Subd建?？梢愿鶕?jù)效果圖及前期推敲模型快速搭建多個方案，通過Inset Edge增加循環(huán)邊，Cut工具進行曲面細分，構建整車低細分模型進行三維評審，如圖4所示。Subd建模的應用能增加設計方案在3D方案模型的多樣性，為方案的選擇提供更多的可能。

圖4 低細分曲面模型

方案模型確定后，后續(xù)在3D Proposal Model的基礎上不斷細分，調節(jié)控制點及布線方式進行曲面質量、高光的優(yōu)化，在Subd細分模型上通過Unweld、Uncrease等工具進行分縫與分件操作，向細分主體添加高質量的曲面造型細節(jié)（例如修剪、圓角），實現(xiàn)高度細分模型，如圖5所示，達到能夠用于可視化展示的Detail Model。這個過程由于Subd建模本身的局限性需要花費較多時間。

圖5 高細分曲面模型

5 結束語

雖然目前汽車開發(fā)流程已經(jīng)成熟和穩(wěn)定，但Subdivision其操作簡單，靈活高效的優(yōu)勢，彌補了Nubs曲面建模的局限性，為造型設計概念生成提供了強有力的依托，為創(chuàng)意落地提供更加便捷的途徑。這些優(yōu)勢有效地應對了汽車造型數(shù)字化設計所遇到的瓶頸，對優(yōu)化汽車造型流程、提高開發(fā)效率提出了新的解決方案。當然Subd建模在與下游工程數(shù)據(jù)對接中還存在一定的不足，也是其今后需要改進的方向。

汽車造型設計是一個龐大的范疇，它包括了外飾整體造型、內飾設計以及零部件設計，針對每一個具體項目、具體位置、具體階段，合理靈活地利用Subd建模工具，才能最大程度上發(fā)揮出其在汽車造型數(shù)字化設計中的創(chuàng)造性。