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3D变形技术在汽车造型设计中的应用

2021/6/1        作者:黄朝晖  王博伦      
关键字:3D变形  汽车造型设计  
本论文阐述了汽车造型设计的3D变形技术。计算机自动生成不同于现有汽车款式的技术,不仅可以缩短设计周期,还可以提供很多工程设计、汽车造型设计和材料分类,3D变形技术对于现代汽车造型设计的创新是很好的支持和帮助。

1 简介

    在经济社会高度发展的今天,相比较实用性,汽车携带着更多的人文符号,如消费者性格、喜好、身份和地位。所以,除了内在的机械性能,汽车造型设计在汽车的销售过程中一直受到消费者特别的关注。汽车造型决定了其是否能第一时间吸引客户,这将影响汽车的销售,甚至与汽车企业发展的命运息息相关。目前,中国汽车产业已经进入了一个高速稳定的发展阶段,但是中国汽车品牌却不能在国际市场上站稳脚跟。如何从“中国制造”转变成“中国创造”,成为一个强大的汽车国家,关键在于创新。汽车造型设计是创新的核心组成部分之一,但如今现有CAD软件和技术没有针对造型研究创新的模块,而3D变形技术的引入将改变这一现状。3D变形技术可以自动产生大量的、不同于现有产品的新形式,这些都是不同于初始定位对象和中间对象的,它能激发设计师的灵感,有助于汽车造型的创新。随着3D变形技术的发展和完善,它将弥补现有CAD软件的不足,成为一个汽车造型创新的有效手段。

2 3D变形技术的基本原理

    给定两个几何模型,一个源S和一个目标T,3D变形技术生成中间模型序列{Mt|t∈[0,1]},M在其中不断地从源(M0=S)到目标(Mi=T)改变其形状。在3D变形中,中间对象都有S和T的一些特征,但彼此不同。图1显示了分别从3D视图的角度,从金字塔到立方体之间的变化,左边的图形是给定的源,右边的图形是目标对象,其他的是中间对象。它们是以参数t从多边金字塔向立方体的变形中生成的,多边金字塔和立方体的共同特征是被保留在变形过程中。

3D变形原理图

图1 3D变形原理图

3 3D变形技术在汽车款式设计中应用的算法

    汽车造型是一个复杂的自由表面问题,基本的设计元素仍然是点、线和面。对于造型描述来说,点对造型设计非常重要,但又不能满足造型。线随点变化,是连接着的造型元素,但面却能很好地表达造型。根据计算机中车型的不同表达方式,本文介绍了以下3D变形技术:

    3.1 基于2D轮廓的3D变形技术

    汽车侧面轮廓线是表达和控制大部分造型信息的特色线条,叫做汽车造型对称线。因此,基于2D轮廓的3D变形技术已成为不可或缺的汽车造型技术。它通常包括以下几个步骤:首先,使用坐标平面平行于汽车对称线,画出汽车表面,从而获得一系列平行的2D轮廓。生成的2D轮廓越多,越多的造型特征就会被保留,但计算难度也会越大。

基于2D轮廓的汽车变形算法

图2 基于2D轮廓的汽车变形算法

    其次,在相应的2D轮廓之间建立对应顶点。然后,根据这些对应顶点,改变2D轮廓。最后,当2D轮廓拟合时,汽车的中间模型生成。图2显示了一辆汽车和一滴水之间的变形过程。

    3.2 基于投影的3D变形算法

    三角网格是描述模型最常见、最好的形式,特别是对于汽车模型复杂的拓扑结构,它们可以描述模型的所有细节。为了维持这种拓扑结构,通常根据投影进行变形算法。算法的主要步骤如图3所示:

基于投影的算法过程

图3 基于投影的算法过程

    (1)将S和T投射到单位范围上,获得S’和T’。投影过程应反映模型顶点的拓扑关系,并不自交。

    (2)根据顶点S’和T’之间的几何关系,计算顶点T在S上对应的坐标位置。

    (3)重复步骤2,计算投影T上所有的顶点S。根据S’和T’之间的关系,建立项目模型M,它可以表达新模型M的拓扑结构,M可以通过插值变换计算。

    3.3 其他3D变形算法

    根据模型的不同表达式,如NURBS曲面、点云和隐式表面等,这些模型有很多变形算法,如基于表面的隐式变形算法和基于距离场的变形算法,这些算法都有优缺点,并在文献中有更详细的描述。这些算法在汽车设计中有重要意义。

4 3D变形技术在汽车造型设计中的应用价值

    3D变形技术已广泛地应用于计算机辅助设计、计算机动画系统、娱乐和医疗行业,特别是在电影特技和动画中,这项技术已经成熟。虽然技术应用在汽车造型设计中还并不常见,但是它具有非常重要的作用。

    (1)汽车造型设计的创新方法。CAD计算机辅助设计和汽车造型设计软件是汽车造型设计的常用工具。它可以帮助设计师来表达他们的想法,但它不能思考。通过3D变形技术,可以改变现有汽车模型以获得所需的目标模型,计算机将自动生成一系列的中间模式。因此,这项技术可以为汽车设计提供一种新的创新的方式。

    (2)为汽车造型设计提供一个新的思路和方法。首先,中间对象都有自己的特点。他们有汽车模型的视觉特征,但中间对象不同于源汽车模型的。其次,中间对象有变异性的特点。由于算法的复杂性,变形中的中间对象可能脱离设计师的控制。但这种变化可以激发设计师,扩展设计的思想。

    (3)为汽车造型设计师提供大量的参考。在变形过程中,每一个不同的值对应一个中间对象。设计师可以接收大量的带有参数细分的新模型。这些中间模型不同于现有汽车的独立风格,可被设计师用作参考素材。

    (4)有利于空气动力学造型设计。空气动力学与车身设计有紧密的关系。如图2所示,下坠的水滴是一个很好的动态模型,汽车模型转变成一滴水的过程将生成大量的符合动力学的模型,将这些模型导入汽车分析软件将获得最优化的车身。3D变形可以融合技术与美学,汽车款式设计也因此将更为先进和科学。

    (5)3D变形技术是直觉主义的和瞬时的。中间汽车模型在3D中显示,这比设计草图会得到更多的风格信息。设计者可以观察汽车的每一个细节。图1中,设计者可以观察3D视觉中每一个细节的渐进变形。变形结果可以用于任何CAD软件的快速成型模具开发。因此,它不仅可以得到改善,还可以减少后期工作的困难和缩短设计周期。

    (6)有利于概念车(未来汽车)的设计。将设计师创造的概念模型与现有的汽车模型相融合,您可以得到更多新的、意想不到的造型,想法也可以得到扩展。

5 结论

    汽车造型设计对国民经济的发展起着越来越重要的作用。3D变形技术为汽车造型设计提供了一种新的辅助设计方法。虽然产品建模设计的技术应用还不成熟,但随着技术的发展,它将会刺激设计师的设计灵感,提高建模创新的价值。

责任编辑:程玥
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