汽車車身消失面的構建方法分析與教學1

文/ 梁峭 陳旻瑾 陳香 （江南大學 設計學院）

引言

消失面（漸消面）是工業產品中常見的一類曲面，對于消失面建模的掌握程度影響著數模師的建模能力，因此，對消失面構建方法的探索是計算機輔助設計教學中的重要內容，也是教學的難點之一。汽車是由復雜曲面包裹的工業設計產品，其中，大量變化精妙的消失面是其造型特征的重要組成部分，以汽車車身消失面作為對象，基于消失面的分類對其構建方法進行教學，對于提升數模師構建曲面的能力有重要意義。

Alias作為目前汽車正向和逆向造型的主流軟件之一2歐陽波, 王楓紅, 賀赟. 基于Alias的自由曲面逆向造型設計[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2010, 36(4):389-392.OUYANG Bo,Wang Feng-hong,HE Yun.Free Form Surface Reverse Design Based on Alias[J].Journal of Donghua University(Natural Science), 2010,36(4):389-392.，具有強大的自由曲面構建功能，能夠構建高階曲線和曲面，勝任從概念草模、CAS數模到A面數模的全部工作，在C3P環境（CAD、CAM、CAE和PDM）中3嚴揚, 劉志國, 高華云. 汽車造型設計概論[M]. 北京：清華大學出版社，2005.完成與下游工程階段的對接。而在消失面的構建中，Alias也有其獨特的方法與思路。因此，本文嘗試在數字化（math-based）開發流程1趙偉，明守政，金靜強.型面數字化設計對于提升汽車內飾感知品質的研究[J]. 包裝工程, 2016，37(24):96-101.ZHAO Wei,MING Shou-zheng,JIN Jing-qiang.Improving Perceived Quality of Automotive Interior in Surface Design[J].Packing Engineering, 2016，37(24):96-101.這一大背景下，基于造型特征2周文治, 趙江洪. 工程驅動的汽車造型特征設計[J]. 包裝工程, 2017(12):141-144.ZHOU Wen-zhi,ZHAO Jiang-hong.The Automobile Styling Feature Design Driven by Engineering[J].Packing Engineering, 2017，38(12):141-144.3王震亞, 李海旺. 基于眼動追蹤技術的汽車造型特征提取與認知研究[J]. 包裝工程, 2016,37(20):54-58.WANG Zhen-ya,LI Hai-wang.Automotive Styling Feature Extraction and Cognition Based on the Eye Tracking Technology[J].Packing Engineering,2016,37(20):54-58.中消失面原理與影響因素的分析，在Alias環境中探討消失面的構建方法及教學。

圖1 汽車造型中消失面在三個層次的運用

一、汽車造型形面

從汽車基本造型信息來說，汽車造型信息包含體量（Volume）、形面（Treatment）和圖形（Graphic）三類4Catalano C E , Giannini F , Monti M, etal.Towards an Automatic Semantic Annotation of Car Aesthetics.Artificial Intelligence for Engineering Design,Analysis,and Manufacturing,2007,21(1):73-90.。設計師的設計過程也遵從V-T-G的一般順序：體量先決定了車的類型，形面處理讓整車風格更加清晰和明確，最后圖形的處理則與品牌識別息息相關。其中，形面要素指形面本身的屬性，以及與形面美學屬性相關的特征線。

形面的出現和發展伴隨著汽車造型風格的各個階段，在不同的風格時期，形面都表現出了對應的特征，也越來越成為風格信息的載體。比如，從馬車型汽車到箱型汽車，完成了特征面從無到有的蛻變。在流線型風格階段，為了提高汽車的空氣動力學屬性，大面積的、整體性的曲面開始出現在車身上，汽車真正成為了由復雜曲面包裹的造型實體。而到了雕塑化風格階段，形面更是成為設計師重點關注和刻畫的領域，成為了整車風格的載體，并深刻地融入了品牌基因。因此，對于形面的關注成為汽車造型研究的重要方面，其中，消失面作為一類曲面，也作為一種造型處理手法，與汽車造型關系緊密。

二、消失面與汽車造型

汽車屬于三維形體，對面的研究必然涉及到線。在三維形體中，線可以看作面與面相交而形成，不同的形面關系形成走勢不一的線型。汽車車身上，特征線形成了主要、過渡、附加的層級1趙丹華, 趙江洪. 汽車造型特征與特征線[J]. 包裝工程, 2007, 28(3):115-117.ZHAO Dan-hua,ZHAO Jiang-hong.Automobile Form Feature and Feature Line[J].Packing Engineering, 2007, 28(3):115-117.，關鍵特征線（比如肩線、腰線、裙線）的處理對于整體形態至關重要。而與此對應，形面同樣有層級，形成了主特征面、過渡特征面和附加特征面的體系2梁峭,趙江洪.汽車造型特征與特征面[J].裝飾，2013(11):87-88.LIANG Qiao,ZHAO Jiang-hong.Automobile Modeling Features and Characteristic Surface[J].Zhuangshi, 2013(11):87-88.。消失面按照使用情況，可以用在主特征面、過渡特征面和附加特征面的任何一個層級，圖1中分別列舉了汽車造型實例中，消失面在三個層次的運用情況。

從上圖可以看出，消失面在汽車車身上的應用包括：1）作為主特征存在，對整體造型進行分割，定義了整車的比例，并影響整車風格；2）作為過渡面存在，在面與面之間形成不同連續性的過渡，完成兩個面的轉折，起到起承轉合的作用；3）作為獨立的附加特征存在，附著于原本單一的造型上，起豐富造型的作用；4）用來強調某條特征線，通過形面的設計來加強某一條重要的特征線，從而強調該特征線的意義。由此可見，消失面對與汽車車身造型有重要的意義，同時由于其運用的靈活性，能夠對造型起到定義、過渡、豐富等作用。

此外，通過對消失面形態的觀察可以看到，消失的面往往意味著消失的線，而線是有視覺引導性的，利用線的視覺引導性來進行造型設計也是常用的手法。例如，一根完整的、持續的線能夠引導完整的視覺流程，但是容易產生無趣，造成造型的死板。而巧妙運用消失的線則能產生聯想、關聯，形成心理的一種視覺延續，使得造型豐富，而這也是消失線和消失面對于造型的重要意義。

在汽車造型領域有舉足輕重地位的寶馬的“火焰形面”(flaming surface)，被公認影響了過去近20年的汽車造型形面風格，引領了“雕塑化風格”的形成，其鼻祖克里斯·班戈用了圖2來解釋其形成原理3Silvia Baruffaldi. Bangle's Theorem. Auto&Design, 2005, 155:47-50.：“兩個面相交時，將兩個面各自延長，會有一條虛擬的相交線，稱為理論交線（theoretical line），意大利設計師特別擅長控制這些理論相交線；而如果在這個面的中間加一條凸起的脊，就像肌腱和肌肉一樣，先拱起再消失，這就是樣條線（spline）的處理方式”。而圖中的“spline”這一種造型手法，其實就是一種典型的消失面形成手法。通過對這一類形面的巧妙運用，能夠形成整車的風格，直至品牌的造型基因。

三、消失面的分類及影響因素

“消失”意味著一塊面或者一條線的從有到無。前文說到，線其實是面與面相交而成的交線，因此，線的消失意味著面的融合。由于汽車車身屬于3D實體，面不可能憑空消失，因此綜合起來，汽車車身的大部分消失面都可以解釋為“兩塊或多塊原本G0連續的面最終與同一塊面形成G2連續”。

圖2 克里斯·班戈解釋寶馬線條與形面處理方式的草圖手稿

在這一基礎上，可以對車身的消失面類型進行一個總結，消失面大致可以分為AC，ABC，ABBA三種。AC類型消失面又可以稱為“消失線型”，因為嚴格意義上來說，這里并沒有面的消失而只有線的消失，即AC兩塊面原本G0連續，形成鋒利的特征線，最終二者融合于同一個面。ABC型是汽車造型中使用最多的類型，ABC型與AC型最大的差別在于，B面和C面有一個曲率的巨大變化導致法線反轉，從而形成B這樣一個新的特征面，這個特征面在腰線面等地方使用頻繁。相比AC型的鋒利，ABC型變化更多，消失更柔和。而ABBA型可以看作ABC型的一種特殊情況，即棱線的兩邊都形成了一個B面，這種手法在引擎蓋棱線位置使用特別多。圖3分別是三種類型的構成方式、數模演示和實例舉例。

一般來說，形面的質量主要由連續性、曲率等因素決定1Catalano C E, Falcidieno B, Giannini F, et al. A Survey of Computer-Aided Modeling Tools for Aesthetic Design.[J]. Journal of Computing &Information Science in Engineering, 2002, 2(1):11-20.ZHANG Wen-quan,ZHAO Jiang-hong.Research on the Formation of Audi Brand and Design Feature[J].Zhuangshi, 2011(7):75-77.，結合上述消失面的類型，便可以對影響消失面的主要因素進行歸納，如圖4所示。1）初始面形狀。消失面往往依托于兩塊或多塊初始面，通過與初始面形成GO、G1、G2等不同的連續關系，而達到“消失”的效果。因此，初始面形狀是影響消失面的首要因素，初始面的凹凸程度、走勢，會對消失面形成直接影響。2）面高差。根據上文的分析，消失面的形成可以理解為兩塊或多塊原本G0或G1連續的面最終與同一塊面形成G2連續，這樣的話，意味著消失面有兩頭，一頭是由于面高差，形成較為明顯的面。而另一頭則是與第三個面形成融合關系，從而消失。因此，面高差是影響消失面的另一個因素，高差越大，消失面特征越明顯；3）特征線形狀（包括作為邊界和結構線的特征線）。上文提到，面與面的相交形成線，而在建模尤其是NURBS方式的建模過程中，往往是通過搭線來構面，因此，所使用的切割線以及搭接線的形狀決定了消失面的輪廓。上述三個影響因素往往是同時作用，共同決定了消失面的形狀和質量。

圖3 消失面類型總結與示意

四、典型汽車消失面的構建方法分析與教學

Alias中并沒有專門的工具來構建消失面，而是利用通用工具。但是由于Alias強大的曲面功能，配合合理的方法，能夠構建出任意形態的高質量的消失面。因此本節將結合汽車車身常見消失面的位置與形式，講述典型消失面的構建及教學方法。1、調節曲面CV點形成消失面（棱線）

Alias中形面都由CV點構成，因而可以通過CV點來進行直接控制，這種直接調節CV點來形成消失面的方法比較常用在形成特定消失面尤其是棱線的時候，比如引擎蓋凹凸造型面。該方法的優點在于能夠快速得到某個特征，而缺點就是不能精確控制，因此常用在概念CAS模型中。具體的方法為：搭建大面，畫出投影線，在所要構建棱線的大面上，用“project”+“trim”工具，使用投影線切出比棱線所在面積稍大的四邊面區域，之后用“trim convert”工具將切出的四邊面進行轉化，在轉化時將面的階數增加，亦即增加面的CV點。然后選取部分CV點進行拉升及調整，直至得到得到理想形狀的棱線，過程如圖5所示。

該方法的教學中需要強調幾個要點：1）所切四邊面的形狀基本決定了棱線的大致形狀，因此在切割的時候要進行提早謀劃，例如棱線的所在區域、寬窄比例、大致彎曲形狀等，都會受到投影線的影響；2）由于棱線要“消失”，因此四邊面與原來的大面仍然必須保證G2連續，故而在調節CV點的時候要注意，上下左右四個方向的兩排CV點不能動。如果不小心移動，后期通過Align工具重新連續，然后再調整形狀；3）調節CV點的時候，為了精確地控制棱線的形狀，可以打開“Transform CV”工具來控制鼠標移動的敏感度，還可以通過空格鍵打開“Hotspot”面板來對詳細參數進行控制，進而實現精細化操作。

圖4 消失面影響因素總結及示意

2、大面剪切形成消失面

在Alias的曲面構建中，有這樣一個規律，“先構大面（主特征面），后建過渡面，最終附加面”，而典型的一些過渡面和附加面，正是可以通過這樣一個方法來得到。如圖6，以前保險杠立面為例，構建一個附加特征面。其基本步驟包括：1）構建原始曲面，通過掃掠等方式，構建一個面積較大、幾何屬性簡單的大面，作為基礎；2）分面，在原始曲面的基礎上，根據需要構建相互關聯的大面，形成對應的連續關系（通常是G2）；3)根據造型需要或者依據三視圖，構建投影特征線，特征線的形狀形成相互關聯性；4）使用投影特征線進行投影、剪切，形成消失面區域；5）根據需求搭線，或利用現有邊界，形成四邊面，然后使用相應曲面命令搭建四邊面，過程中保證相應連續性。通常是一條邊形成G0的線，另一條邊形成G2的高連續曲面。

該方法的教學要點包括：1）原始面的搭建時，就要考慮到消失面的連續性，因而需要從一開始就保證原始面的基本連續關系。例如圖中的兩條投影線分別剪切兩塊不同的面，而這兩塊面都需要同時與上方的原始曲面形成G2連續來保證光影效果；2）投影特征線的形狀與位置需要仔細考慮，一方面遵循設計師在效果圖中的要求，另一方面要考慮消失面的變化的緩急，因為這個變化緩急的程度決定了斑馬線的走勢與密集程度，最終決定了曲面的光影；3）構建四邊面的命令有許多選擇，例如“rail”、“square”等，這些命令的選取以及相關命令選項的設置，要根據實際情況特別是造型要求與效果進行。

3、線面搭接形成消失面

這是Alias建模尤其是CAS模構建中最常使用的一種方法，因為NURBS建模方法最重要的原理就是以線構面，通過線和線的連續、線和面的連續，最終實現想要的面與面的連續。該方法的原理還是先通過線，把非漸消的部分構建出來，留下漸消的區域，然后通過線的搭接，面的調整，完成消失面的構建。如圖7所示，以常見的汽車肩線特征面的構建為例，具體的步驟如下：1）分面。在這一類型的消失面構建中，分面的合理性至關重要。通常是將變化趨勢一致的非漸消部分構建出來，形成原始大面，從而確定漸消面的起始位置及區域；2）搭線。根據分面的情況，結合曲面的幾何特性，構建第一階段曲面。首先，使用“project tangent”或者“align 2008”工具保證線的連續性，然后在構建四邊面的過程中繼續保持連續性，通過相關參數的調整來使斑馬線與光影符合造型要求；3）繼續搭線，構建第二階段曲面，仍然是先調整線的連續性，再保證面的連續性，并使最終光影效果符合要求。

圖5 調節曲面CV點形成消失面（棱線）示意

圖6 大面剪切形成消失面示意

該方法的教學要點包括：1）分面要合理，分清楚主特征面、過渡特征面等曲面位置，尤其是消失面的邊界要確定好，可以嘗試多種分面方式，以表達曲面形態和保證曲面質量為目的。新手數模師可以采用“試錯”的方式，分好面之后快速進行曲面搭建，如果行不通，迅速更換思路，嘗試新方法。分面的方式強烈依托于各數模師的建模習慣及經驗；2）由于該方法的核心在于以線構面，因此線的形態、質量、連續性對面的效果由直接決定作用。教學過程中要強調對線型的控制，培養對線型的感覺，特別是需要訓練調線的技巧。因此在本方法教學之前，除了講解連續性的一般概念之外，需要安排專門的調線練習，幫助數模師快速、有效地調出高質量的曲線；3）在很多情況下，需要直接打開曲面的CV點進行調整，這時候可以打開曲面連續性檢測工具，通過觀察最大間隙的位置來調整具體的CV點，調整的過程需要注意形態與連續性的變化。

圖7 線面搭接形成消失面

結語

一塊面的消失往往意味著另一塊面的生成，因此消失面既是一種曲面類型，也可以視作曲面之間形成的一種曲面關系，亦或是基于曲面的一種造型方法。而Alias作為專業的數模軟件，提供了強大的構建曲面與控制曲面質量的命令?；贏lias環境的汽車車身消失面教學對于提升數模師的建模能力提供了幫助。同時需要看到，對于汽車車身曲面的構建除了要熟練掌握軟件命令之外，更重要的在于提升對車身曲面形態的理解與把握能力。因此在教學中需要傳達一個理念，即數模師需要在與設計師的溝通協作中，形成對設計意圖的良好理解，并融入模型處理的相關經驗，最終目的是為概念的落地而服務，并完成兩種角色的協同創新。