基于Grasshopper的汽車格柵CAS模型參數(shù)化設(shè)計(jì)

王立宏

(北京現(xiàn)代汽車有限公司，北京 101300)

0 引言

參數(shù)化設(shè)計(jì)最早在建筑領(lǐng)域應(yīng)用較多，目前已有大量實(shí)際建筑應(yīng)用，國(guó)內(nèi)比較著名的參數(shù)化建筑有鳥巢及水立方等。隨著參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的推廣及現(xiàn)代制造工藝的進(jìn)步，越來越多的汽車上出現(xiàn)了參數(shù)化造型特征，其中汽車前格柵最易被參數(shù)化設(shè)計(jì)，如圖1所示的奔馳CLA參數(shù)化造型前格柵，稱之為“滿天星”，通過小六邊形的亮點(diǎn)圍繞著奔馳三叉戟圓形LOGO及前格柵邊框有規(guī)律地排布，營(yíng)造出緊致而又精致的美感，為整體造型錦上添花。對(duì)于“滿天星”等參數(shù)化造型特征，傳統(tǒng)的建模方式可實(shí)現(xiàn)，但無論是初次建模還是后期方案推敲修改，均避免不了大量的手工操作，嚴(yán)重影響造型開發(fā)效率。合理運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)可很大程度上提高CAS建模速度，縮短造型開發(fā)周期。

圖1 奔馳CLA

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)與工具介紹

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)(Parametric design)目前還沒有一個(gè)廣泛認(rèn)可的定義，一般理解為將某些重要因素變成某個(gè)函數(shù)的變量，通過改變?cè)撟兞恐担淖兒瘮?shù)結(jié)果，從而生成不同的方案。

(1)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限性

在傳統(tǒng)造型概念設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師通過頭腦風(fēng)暴、聯(lián)想、比擬、仿生等思維創(chuàng)作汽車造型，產(chǎn)生出概念方案，選定方案效果圖后根據(jù)效果圖在三維軟件如Alias中搭建汽車三維模型，此過程稱為汽車CAS設(shè)計(jì)階段。在此階段經(jīng)常會(huì)進(jìn)行方案調(diào)整或者衍生出其他方案，但CAS設(shè)計(jì)師通過Alias軟件等手動(dòng)調(diào)整方案或者搭建衍生方案時(shí)往往需要重新建模，耗費(fèi)大量時(shí)間與精力，而設(shè)計(jì)師在等待CAS模型修改的時(shí)候也容易淡化創(chuàng)作靈感，創(chuàng)作思維不連續(xù)。

(2)參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法主要在CAS模型階段進(jìn)行，通過構(gòu)建邏輯規(guī)則，將主要的造型特征變量用參數(shù)驅(qū)動(dòng)，通過更改參數(shù)可即時(shí)生成三維模型，并衍生出多個(gè)造型方案，模型具有逆向可調(diào)性，極大地縮減CAS模型搭建時(shí)間；同時(shí)設(shè)計(jì)師可直觀觀察對(duì)比各個(gè)衍生方案的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行選擇或者二次創(chuàng)作，設(shè)計(jì)靈感不再隨機(jī)、創(chuàng)作思維得以連續(xù)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)造型設(shè)計(jì)遇到的瓶頸，最重要的意義在于提高了效率，降低了成本，縮短了CAS建模時(shí)間，拓展了造型設(shè)計(jì)思路，有利于突破汽車造型的現(xiàn)有局面。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)工具介紹

目前參數(shù)化設(shè)計(jì)工具主要有Grasshopper、Dynamo等，其中Grasshopper功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好，本文作者采用Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化模型搭建。

Grasshopper(下文簡(jiǎn)稱GH)是一款在犀牛軟件環(huán)境下運(yùn)行的采用程序算法生成模型的插件，是目前比較流行的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具。GH把相關(guān)功能封裝在一個(gè)運(yùn)算器內(nèi)，這些運(yùn)算器又稱為“電池”。GH將編程節(jié)點(diǎn)可視化，設(shè)計(jì)人員只需對(duì)運(yùn)算器輸入某些參數(shù)，就可以得到相關(guān)結(jié)果，降低了設(shè)計(jì)人員的學(xué)習(xí)成本，不過仍需相關(guān)設(shè)計(jì)人員具有編程知識(shí)。打開犀牛軟件加載GH插件后的界面如圖2所示，運(yùn)算器連接起來的圖也稱之為“電池圖”。

圖2 GH界面

使用某個(gè)運(yùn)算器時(shí)直接將運(yùn)算器從面板中拖入工作區(qū)，點(diǎn)擊運(yùn)算器兩側(cè)的半圓可以將各個(gè)運(yùn)算器連接起來，如圖2所示為加法運(yùn)算器，左側(cè)A和B為輸入端，右側(cè)為輸出端，輸出運(yùn)算后結(jié)果。

2 格柵CAS模型參數(shù)化設(shè)計(jì)

汽車前格柵作為汽車前臉造型非常重要的部件，在造型設(shè)計(jì)中一直處于十分重要的地位，很多車型的家族化特征主要由其前格柵定義，如雷克薩斯紡錘形前格柵、寶馬雙腎形前格柵。

點(diǎn)陣式格柵是前格柵的常見形式，一般由基本的造型單元通過復(fù)雜的排列組合實(shí)現(xiàn)，如沿二維平面分布、圍繞中心布置、旋轉(zhuǎn)縮放等，此類排列組合是有規(guī)律的，可以通過調(diào)節(jié)某些參數(shù)實(shí)現(xiàn)。下面通過某個(gè)點(diǎn)陣式前格柵的建模簡(jiǎn)述通過GH實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程。

2.1 格柵參數(shù)化設(shè)計(jì)邏輯分析

圖3為點(diǎn)陣式前格柵的方案圖，可以看出，基本造型單元為一個(gè)梯形體，除了中間部分其他造型單元均有規(guī)律排列，通過陣列可以在平面上實(shí)現(xiàn)。但一般前格柵造型單元空間排列都比較飽滿，側(cè)面看是向外鼓出的，基本造型單元趴在一張空間立體面上，采用常規(guī)建模方法在平面陣列完成后，仍需要手動(dòng)或者通過其他方式將其排列到空間位置，耗費(fèi)很多時(shí)間；在推敲此方案時(shí)，如增多幾行幾列或者排列角度再變化一些，手動(dòng)建模繁瑣耗時(shí)。

圖3 前格柵效果圖分析

經(jīng)過分析，正面看，造型排列如圖3中虛線所示，基本的梯形造型單元可以在Alias中手動(dòng)完成，造型單元排列比較復(fù)雜，趴在了一張空間曲面上，在GH中實(shí)現(xiàn)比較方便，基本邏輯順序見圖4。

圖4 格柵參數(shù)化設(shè)計(jì)邏輯

下文即按圖4中邏輯順序在GH中一步步搭建出格柵。

2.2 畫縱橫交叉線

通過3個(gè)點(diǎn)畫出一條NURBS曲線，作為橫條，按Z方向陣列(Linear Array運(yùn)算器)6個(gè)，同理做出豎條并陣列，陣列后每根豎條曲線繞著一端端點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)(Rotate 3D運(yùn)算器)某個(gè)角度，離Y0線越遠(yuǎn)的曲線轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大，每個(gè)線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可由等差數(shù)列實(shí)現(xiàn)，電池圖如圖5所示，“犀牛”里生成的曲線如圖6所示。

圖5 畫縱橫交叉線電池圖

圖6 “犀牛”里中生成的縱橫交叉線

2.3 交叉線投影至空間曲面，提取交叉點(diǎn)

將上一步中生成的橫縱線投影至指定的曲面，提取交點(diǎn)，用Point List運(yùn)算器可顯示各個(gè)點(diǎn)的編號(hào)，再使用分流運(yùn)算器(Dispatch)，輸入端P的參數(shù)為布爾值TRUE、FALSE，即第0個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)TRUE，分流至輸出端A；第1個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)FALSE，分流至輸出端B；第2個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)TRUE，分流至輸出端A；第3個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)FALSE，分流至輸出端B。以此類推，從中篩選出想要的點(diǎn)，作為格柵每個(gè)造型單元最后要移動(dòng)到的位置點(diǎn)。此案例中要用到的點(diǎn)為A端輸出的點(diǎn)，即序號(hào)為0、2、4、6、......的偶數(shù)點(diǎn)。相關(guān)電池圖見圖7，犀牛里生成的圖像見圖8。

圖7 投影并提取交叉點(diǎn)電池圖

圖8 投影并提取交叉點(diǎn)后的模型

2.4 造型單元復(fù)制移動(dòng)至各交叉點(diǎn)

找好造型單元要移動(dòng)到的位置點(diǎn)后，把造型單元復(fù)制移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的位置點(diǎn)即可，但在實(shí)現(xiàn)復(fù)制移動(dòng)前，為了方便調(diào)整，此處增加兩項(xiàng)功能：(1)縮放功能，即圖9中A區(qū)域電池圖，對(duì)應(yīng)圖10(a)；(2)移動(dòng)功能，即圖9中B區(qū)域電池圖，對(duì)應(yīng)圖10(b)，以后可通過調(diào)整此處，實(shí)現(xiàn)整體排列多樣化。GH中移動(dòng)物體需要指定移動(dòng)向量，圖9中C區(qū)域的提取向量起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖10(c)，Vector 2P運(yùn)算器將C區(qū)域提取的向量起始點(diǎn)與圖8篩選后的點(diǎn)合成移動(dòng)向量，之后造型單元(見圖11)按這些向量移動(dòng)即完成復(fù)制移動(dòng)，生成格柵主體。圖9中D區(qū)為顯示向量，對(duì)應(yīng)圖12中箭頭，圖9中E區(qū)為移動(dòng)運(yùn)算器，對(duì)應(yīng)圖12中造型單元。

圖9 造型單元復(fù)制移動(dòng)至各交叉點(diǎn)電池圖

圖10 A,B,C區(qū)域電池圖模型

圖11 選取基本造型單元

圖12 復(fù)制移動(dòng)造型單元

2.5 縮放邊緣造型單元

效果圖中為越接近格柵邊框的造型單元越小。可以提取格柵邊框上的線，稱之為干擾曲線，依次計(jì)算每個(gè)造型單元位置點(diǎn)到這條線的距離，以此距離除以某個(gè)合適的數(shù)值，作為各自造型單元的縮放倍數(shù)。為保證不至于縮放過于夸張，此處使用Minimum運(yùn)算器和Maximum運(yùn)算器將縮放比例限制為0.58～1，電池圖見圖13，生成的效果見圖14。

圖13 縮放邊緣造型單元電池圖

圖14 縮放后的模型

2.6 搭建各個(gè)造型單元之間的橋連部分

做各個(gè)造型單元之間的橋連部分。橋連分橫豎兩部分，此處闡述橫向橋連做法，豎向橋連做法一致，只是參數(shù)需要調(diào)整。橫向橋連基本思路為先畫出兩兩單元間的連線，觀察圖15可得，序號(hào)為0的造型單元右邊的點(diǎn)連接序號(hào)為1的造型單元左邊的點(diǎn)，需要提取兩組點(diǎn)，一組造型單元右邊的點(diǎn)，一組左邊的，兩組點(diǎn)提取過程一致，但兩點(diǎn)連線時(shí)須錯(cuò)開一位造型單元(Shift運(yùn)算器)，見圖16，否則出現(xiàn)圖17所示情況。

圖15 搭建好的橋連曲線

圖16 搭建橋連曲線電池圖

圖17 未錯(cuò)開的橋連曲線

看圖15可得，每行換行處以及一頭一尾處出現(xiàn)了多余的數(shù)據(jù)，其長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于所需要的數(shù)據(jù)。此處進(jìn)行分流，剔除較長(zhǎng)的線，保留想要的線段，同時(shí)拉伸相關(guān)曲面做出完整的橋連結(jié)構(gòu)，具體電池圖如圖18所示，同理調(diào)整相關(guān)數(shù)值做出豎向的橋接曲面，可得最后的結(jié)果如圖19所示。

至此，格柵主體部分已經(jīng)完成，整理后如圖20所示，若要變化格柵行列數(shù)或者旋轉(zhuǎn)角度等通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)即可，程序幾秒內(nèi)自動(dòng)輸出結(jié)果，相比在Alias里手動(dòng)搭建格柵主體效率提升明顯，同時(shí)變化多端而又豐富規(guī)律的造型也激發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)作靈感，拓展了設(shè)計(jì)思路。圖21為通過調(diào)整不同參數(shù)衍生出的拓展方案。格柵主體在GH中創(chuàng)建，格柵邊緣裁剪部分在Alias中處理。

圖18 搭建橫向橋連曲面及擠出曲面

圖19 最終格柵

圖20 整理后的格柵模型

圖21 調(diào)整參數(shù)后的衍生格柵模型

3 結(jié)束語

運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)工具Grasshopper，給出點(diǎn)陣式格柵一般參數(shù)化建模思路和方法。在此基礎(chǔ)上應(yīng)不斷創(chuàng)新，緊跟市場(chǎng)流行設(shè)計(jì)趨勢(shì)，及時(shí)高效地開發(fā)出具有未來感科技感的新造型方案。