基于Alias的汽車造型數字曲面設計

黃荷 郜偉

摘 要：在激烈的全球化市場競爭環境下，產品更新換代加快，研發周期變短，消費者的品味也在日漸提升。如今，優異的汽車品質不止體現在部件性能上，同時外觀造型也成為對整車品質評價的一個重要考量。對汽車造型設計而言，為實現造型的創意意圖，使用工業造型設計軟件Alias能有效的完成汽車的正向和逆向造型設計要求。它能有效地運用構建曲線的工具，通過調節曲線來定義曲面的外形邊界輪廓；同時，通過規律的調節曲面上的任意CV點以獲取對外形的調整，保持對曲面的整體調控，以此獲取精確且滿足造型創意需求的外形和曲面。因此，文章將重點研究在運用Alias進行數字曲面設計時，通過規范對數字模型的設計要求以提高造型數字曲面的品質。

關鍵詞：汽車造型；設計軟件Alias；數字曲面設計

中圖分類號：TB742 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0035-02

1 數字曲面類型及概述

1.1 曲線及連續性

Alias的內部構架為NURBS（Non-Uniform Rational B Spline）系統，即非均勻性有理B樣條曲線。在Alias的NURBS體系里，已經將Bezier、有理Bezier、均勻B樣條和非均勻B樣條都統一到了里面?？梢哉f，當曲線Span為1，所有CV點權重為1時，那么NURBS曲線將近似等同于Bezier曲線。Alias同時具備 Nurbs曲面和 Bezier 曲面造型建模功能，通常的NURBS曲面用于快速建模（CAS面），提高效率，而Bezier曲面主要用于曲面建模（A 級曲面），獲取精確的數字模型，提高曲面質量?？梢哉f，除了要求較高的A面階段，在渲染、CAS階段是我們可以用NURBS曲線來實現，而不用過多的考慮Span的數量。

曲線連續性類別有以下幾類：

G0-位置連續，表現為兩線對接處尖銳；

G1-切線連續，線性特征為法向一致，但曲率大小不同，表現為無尖銳感，但光順性不足；

G2-曲率連續，法向與曲率大小均一致，但曲率變化率有差異，表現為過渡基本光順；

G3-曲率變化率連續，表現上過渡比G2更平緩順滑。

1.2 CAS面以及A面概述

CAS面為造型前期設計，主要表現領導決策和創意的設計意圖，對整車的外觀風格，整體輪廓，車身比例，腰線特征等起決定性作用。CAS面用于造型可研階段進行法規要求、造型、工程、生產制造、售后維修、保險服務的校核以及小比例油泥模型的制作。

A面即為A級曲面，承接CAS面的表達意圖，將其轉化為最終用于工業生產制造的，滿足各類法規要求的精確曲面數據。A級曲面為物理定義的高品質曲面，A面在必須滿足的相鄰曲面間的間隙，切率改變，曲率改變上都有極其嚴格的要求，一般都要求達到G2的連續性，部分過小的圓角為G1連續要求。CAS面示例，

A面的條件描述如下：

①A級曲面對Degree數和Span數都有嚴格的要求，雖然Alias最高階數為9階，但使用時嚴格上不能超過7階，Span數為1；

②對于單個A面，在UV各邊界方向上需保證曲率的一致性和可延展性，CV點分布變化的均勻性；

③A面之間的相互連續，至少要求滿足切向曲率連續；

④曲面配合的直觀表現的光順度，需結合Alias的高光檢測，斑馬線檢查，曲率著色評估“Curvature Evaluation”工具來進行評估，而不應該出現扭曲，突變拐折等瑕疵。

2 A級曲面質量評價規范

A面數字模型最終決定產品的實物模型，是承接CAS面的深化數字曲面。在構建型面數據時，需以簡單有序的A面構造型面模型，清晰準確的表達出高光走勢，特征線變化等，同時滿足各類法規標準，只有如此數字曲面才規范合理，才能得到優異的產品品質。

2.1 曲面類型及參數

汽車 A 級曲面要求調整性強，利于配合的連續性，需用盡量簡單的曲面完成造型，曲面參數不宜過大。最簡單的數據結構實現最復雜的曲面變化，同時又必須保證曲面之間的連續性（有些部位需要G3連續），且具備一定的調整靈活性，所以曲面參數（Degree階數和Span數）必須控制在適宜的范圍內。對 Bezier 曲面來說，雖然Alias能實現最高階數為9階，但7階Bezier曲面已經能滿足G3連續需求的A級曲面要求，在力求A面簡單的原則下，Bezier曲面參數要求是小于等于7階，Span值為1.對汽車A 級曲面而言，曲面參數在3～7階之間已能滿足大多數需求。

2.2 CV控制點排布規律性

曲面是否平滑光順、形狀規則取決于CV點的排列規范。以下總結CV點排列應當遵循的幾點規律：

①CV分部間距均勻或者均勻變化；

②CV離其曲線曲面的距離分布要合理（即沿著曲線或曲面UV向，每個CV離開物體的距離的增減趨勢要漸變，不存在單個CV點高出或低于其他CV點的現象。）；

③CV的排列可以遵循曲線曲面造型趨勢的變化規律（即考慮到使用Bezier曲線構面，各CV影響一致，故一般曲率大的區域安排較少CV點，曲率小的區域安排較多CV點）；

2.3 曲面連續性

不同的曲面連續性得到的高光效果也不同，目視的光順度也將不一樣。按面面間連續性的不同，G0高光效果呈現斷開狀態，G1高光連接但過度尖銳，G2和G3高光趨于平順過渡。對于汽車而言，內外飾有很多部件為高反光材質，曲面的連續性要求就顯得很重要。因此，對于可視區所有曲面都要求達到G2以上連續，過Y0的主要大面要求關于Y0對稱并且連續性要達到G3，曲面連續性示例，如圖3所示。

2.4 曲面理論交線

一般而言，曲面建模最終都會應用各種過渡特征和倒角來細化模型，即整個模型面與面硬交的狀態是不存在的，而這種最終模型實際上不存在的面面交線就叫做理論交線。理論交線的趨勢決定以后倒角或過渡面的趨勢，因此，對于建模分面，為了保證主要大面的理論交線擁有合理的曲率變化，一般會選擇公共的自由邊界作為曲面間的理論交線。交線曲率變化均勻無S型，交線夾角規律漸變，汽車曲面造型的特征線質量才能得到保障。理論交線示例，如圖4所示。

2.5 曲面光順性

光順性是整車曲面質量的直觀體現，對于高可見度的曲面，尤其是諸如車身頂蓋、前后保等高反光材質部分，需保持曲面的光順，從而獲得較高的視覺高光效果。曲面光順性可以從曲率梳，斑馬線走勢，曲率著色等方面來進行評價。

2.5.1 曲率梳

曲率梳是曲面曲率變化的數學表現，曲率梳輪廓線的高低代表了曲率值的大小，紅色線為曲率梳在曲面上對應各點的切向線，梳狀線的方向代表了曲面在對應點上的法線方向。好的光順性要求曲率梳變化規律有序，曲率大小漸變，無局部突變扭曲。整車局部曲率梳示例，如圖5所示。

2.5.2 斑馬線走勢

斑馬線檢測的效果在于通過模擬光源下曲面的高光效果，將一定發射角度內的反色線用不同的顏色表示來加以區別，從而得到曲面的靜態或動態高光分色圖。斑馬線光順評價要求為，從不同方向上檢測時，斑馬線平順規律，過渡有序，無扭曲折拐等缺陷問題。斑馬線走勢示例，如圖6所示。

2.5.3 曲率著色

曲率著色評估是基于曲率變化的一種評估方式，其原理是運用不同的顏色劃分來表達曲面上每個單位區域內的曲率值的大小。相對于曲率梳，其能更直觀的表現曲面的整體曲率變化趨勢。使用曲率著色，有利于高效的獲取曲面整體的曲率分布，獲取極大極小值，特征曲線等參數。曲率著色示例，如圖7所示。

3 結 語

通過以上的分析介紹我們知道，造型數字曲面設計是有序的階段漸進式工作，CAS面作為初始數據體現領導決策和造型創意意圖，A面在承接CAS面基礎上就將數字曲面精確規范化，并最終體現產品品質。基于Alias的數據曲面設計能很好的實現上述造型需求，但同時，正確的理解和運用曲面質量評價規范將是我們能獲取高品質曲面的保證。高品質的曲面是優秀的汽車外觀設計的基礎，這將能有力的提高汽車產品的市場競爭力，以此獲得更多消費者的青睞。

參考文獻：

[1] 李華斌，陳旭.Alias&Showcase 產品造型設計表現典型案例解析[M].北 京：電子工業出版社，2013.

[2] 歐陽波.Alias 產品設計使用教程[M].北京：水利水電出版社，2010.