細分曲面建模在汽車造型設(shè)計中應(yīng)用
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摘要：隨著用戶對汽車造型要求的不斷提高，全球車企車型換代速度隨之不斷提高，車型研發(fā)周期不斷壓縮，這就對車企造型開發(fā)的質(zhì)量與速度提出了更高要求。伴隨著圖形學(xué)底層算法和計算機輔助設(shè)計軟硬件的不斷發(fā)展，一種基于細分算法的“快速建?！保毞?a href="http://www.mug-factory.cn/lunwen/qicheshejilunwen/179327.html" target="_blank">曲面建模，亦稱subdivision建模）被發(fā)明并被運用到汽車造型開發(fā)。文章從細分算法的發(fā)展歷程及原理入手，介紹細分曲面建模在造型開發(fā)中的位置、作用及核心優(yōu)勢，最后介紹其具體建模思路及實施方法。
關(guān)鍵詞：汽車造型；細分曲面；快速建模；Subdi；CATIAIMA
引言
細分曲面建模憑借其快速的型體塑造、優(yōu)質(zhì)的效果呈現(xiàn)、便捷的參數(shù)化修改、感性的思維模式及簡單的操作方式，在近兩年得到了各大車企和設(shè)計公司的廣泛應(yīng)用與認可。其不僅是數(shù)字模型師的建模工具，更可以做為設(shè)計師在三維中進行創(chuàng)意推敲的方式。但由于其真正進入工業(yè)造型領(lǐng)域時間并不是很長，在國內(nèi)汽車造型開發(fā)中的應(yīng)用也是剛剛開始，所以相關(guān)文章并不豐富。那么此文將從四個方面對細分曲面建模及其在汽車造型設(shè)計中的應(yīng)用進行闡述與經(jīng)驗分享，意在引領(lǐng)更多的汽車造型從業(yè)者了解、研究并使用這一新興的建模技術(shù)：（1）細分算法的產(chǎn)生背景和發(fā)展歷程，以及細分曲面建模的原理及特點；（2）細分曲面建模主流軟件簡介；（3）細分曲面建模在整個汽車造型設(shè)計流程中的位置及作用；（4）汽車造型設(shè)計中細分曲面建模的建模思路及方法。
1細分算法的產(chǎn)生背景、發(fā)展歷程、基本原理及主要特點
1.1產(chǎn)生背景
傳統(tǒng)計算機建模是以NURBS為主流的參數(shù)曲面造型技術(shù)，其把自由曲面與規(guī)則曲面建立了統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表示，即工業(yè)造型數(shù)據(jù)交換的STEP標(biāo)準(zhǔn)。然而它在處理任意拓撲關(guān)系的自由曲線和曲面時，具有很大局限性，特別是在構(gòu)造復(fù)雜形體時需不斷進行裁切與拼接，在占用過多計算與存儲資源同時，也無法自動保持曲面較高連續(xù)性[1]。若要實現(xiàn)復(fù)雜造型的光滑建模，則需付出大量時間，且后期修改效率極差?？梢哉f拓撲的局限性是制約NURBS發(fā)展的主要瓶頸。細分曲面方法就克服了NURBS這一先天瓶頸，并且憑借其任意拓撲性和整體連續(xù)性成為近十幾年來國際圖形學(xué)領(lǐng)域研究的最大熱點之一。
1.2發(fā)展歷程
早在20世紀(jì)50年代，G.Rham就提出將對折線角點進行角切割用來生成光滑曲線的理論。但直到1974年Chaikinn提出了一種全新的快速生成曲線的方法，才引起學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注，這種曲線僅由一個2D多邊形通過重復(fù)切角而得到一條光滑的極限曲線，其構(gòu)造非常直觀。隨后Doo-Sabin和Catmull-Clark于1978年分別提出了各自不同的任意拓撲網(wǎng)格上的細分算法，這標(biāo)志著細分算法已經(jīng)成為曲面造型的一種新的解決方式，從此開啟了細分曲面研究的熱潮[2]。此后著名的Loop細分算法、Butterfly差值算法以及變量化差值細分算法被相繼提出，對之前的理論進行了改進和補充，這也使規(guī)則情況下的連續(xù)性和收斂性逐步完善。但隨后并沒有對于細分曲面在奇異點（對于四邊形網(wǎng)格，共享頂點的邊數(shù)不等于4的頂點成為奇異頂點）處連續(xù)性問題的有效解決方案[3]，以及受多邊形網(wǎng)格細分時頂點數(shù)量幾何級增長而帶來的計算和存儲壓力，所以細分曲面算法在相當(dāng)長一段時間里并沒有實質(zhì)性進展。直至1995年左右，Rief論述了細分曲面奇異點附近連續(xù)性及其C1連續(xù)的條件，為多變元模式任意拓撲情況下收斂性提供了理論基礎(chǔ)。此后各種細分模式內(nèi)在聯(lián)系也被逐漸揭示出來，特別是J.Peters的PCCM變換，可將Catmull-Clark細分曲面轉(zhuǎn)化為NURBS面片[4]，這樣就使得這種四邊形細分算法在計算機輔助建模中獲得了廣泛的應(yīng)用前景。
1.3基本原理
細分曲面常用網(wǎng)格的方法為：Catmull-Clark細分方法和Doo-Sabin細分方法。由圖1可以看出：Catmull-Clark算法具有優(yōu)秀的光滑性；Doo-Sabin算法能夠較好保持形體的網(wǎng)格轉(zhuǎn)角特征。細分方法大多是對連續(xù)曲面進行細化從而得到光滑曲面，但是現(xiàn)實中的形體往往不都是連續(xù)的光滑表面，總是會帶有棱線、尖點等不光滑特征的。Hoppe-DeRose-Duchamp和DeRose-Kass-Truong方法就是通過修改、重建構(gòu)造細分規(guī)則這種把均勻模式變成非均勻模式的方法來實現(xiàn)折痕、尖點等尖銳特征的。文獻[5]詳細闡述了細分曲面對于尖銳特征的處理方法。
1.4主要特點
細分曲面是由一組低分辨率原始控制網(wǎng)格，按一定細分規(guī)則，反復(fù)迭代而形成的一種極限曲面，也可以說這種極限曲面是依靠某種規(guī)則不斷離散多邊形網(wǎng)格而成。與NURBS曲面造型方法相較，細分方法無須經(jīng)過拼接、裁切、混接、匹配等復(fù)雜操作，直接就能形成能夠自動保持連續(xù)的曲面。因此細分曲面不僅且具有NURBS曲面的連續(xù)性、局部控制性和幾何不變性等特點，而且還具備多邊形網(wǎng)格良好的幾何拓撲適應(yīng)性，可以說是離散多邊形網(wǎng)格和連續(xù)參數(shù)曲面的有機結(jié)合，其主要優(yōu)勢如下：（1）任意拓撲性：它是細分曲面最重要特點，可以使在建模時面對復(fù)雜形體能夠更加深入、高效、快捷。（2）整體連續(xù)性：細分曲面在建模過程中可以是一個整體，自動保持G1甚至G2的曲面連續(xù)性。而不像多邊形建模那樣切面和切面之間不完全連續(xù)。（3）表示的一致性：其使曲面片和多面體有了統(tǒng)一表示的方法。（4）多分辨率性質(zhì)：有利于層次細節(jié)模型，可以使數(shù)據(jù)在編輯、傳輸、顯示等方面更加快捷、高效、節(jié)省硬件資源。（5）快速與簡單性：很容易高效、快捷地實現(xiàn)造型意圖。（6）局部細化性：其只需在細節(jié)區(qū)域局部增加網(wǎng)格線（頂點），便可以塑造出更多細節(jié)特征。這樣可以減少不必要的網(wǎng)格線，達到在滿足精細度前提下降低運算量的目的。
2細分曲面建模主流軟件簡介
細分曲面建模在影視動畫行業(yè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，Maya、3DMax、Wavefront、Master、Softimage、Modo等很多三維建模軟件都將細分曲面集成進去，做為一種曲面造型方法。然而細分曲面在對精度要求不高的CG建模領(lǐng)域的優(yōu)勢較Polygon建模而言，似乎并沒有什么明顯優(yōu)勢。近幾年隨著細分底層算法的不斷完善與優(yōu)化，細分建模憑借其精度與速度上的優(yōu)勢，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)造型領(lǐng)域。犀牛的T-splines以及C4D的細分建模工具是最早應(yīng)用于工業(yè)造型的細分建模軟件。汽車造型建模兩大巨頭Dassault和Autodesk也都基于T-splines的算法與結(jié)構(gòu)框架分別開發(fā)了相應(yīng)的面向汽車造型領(lǐng)域的細分曲面建模工具，他們分別是：CATIAIMA（Imagine&shape）模塊與SpeedForm（2019年后不再新版本，而是集成到ALIAS）。這兩個軟件的subdi功能雖然所運用的底層算法和邏輯框架大致相同，但是其具體規(guī)則與操控方式卻不盡相同，總的來說CATIAIMA的建模規(guī)則更加嚴(yán)謹(jǐn)、結(jié)構(gòu)更加清晰、命令更加豐富、軟件故障率較低；而ALAISSubdi由于推出不久，命令待豐富，目前軟件故障率比較高，但是其操控的自由度具有與生俱來的優(yōu)勢。
3細分曲面建模在汽車造型設(shè)計流程中的位置及作用
傳統(tǒng)汽車造型設(shè)計流程對于業(yè)內(nèi)人士來說可謂爛熟于心：調(diào)研-前瞻設(shè)計-草圖階段-效果圖階段-CAS階段-油泥模型-A面階段（造型開發(fā)具體流程可參考文獻[6]）。其中根據(jù)油泥先行或數(shù)據(jù)先行、各階段版本數(shù)量（例如：CAS1、CAS2……）、驗證模型介入時機、各級別評審的分布等因素，不同車企有著不同的具體開發(fā)流程。隨著車型換代周期的加速以及設(shè)計環(huán)節(jié)中軟硬件技術(shù)的提升，造型開發(fā)流程也必須向著高品質(zhì)產(chǎn)品與高效開發(fā)速度的方向不斷的進行優(yōu)化，然而沒有流程上的創(chuàng)新，勢必會遇到瓶頸，那么細分建模在汽車造型領(lǐng)域的應(yīng)用就是打破這一瓶頸的有效方式。細分建模憑借其高效性，在汽車造型領(lǐng)域被稱為“快速建模”，其被看做是一個介于效果圖與CAS1的中間階段，很多車企把其定義為CAS0，CAS0階段一周為宜，不超過兩周，周期太長就失去了其快速建模的意義。當(dāng)然這都不是固定的，而是因企業(yè)而異。在CAS0和CAS1之間，可以再增加一個中間階段CAS0.5，這一階段是用“快速建?！眮斫鉀Q一部分宏觀可行性問題（人機尺寸、行人保護法規(guī)、空氣動力學(xué)優(yōu)化、各部位梁體布置）。如果借助CAS0的subdi帶參數(shù)據(jù)，根據(jù)來自各工程部門的宏觀可行性分析進行快速的反復(fù)嘗試及修改，與工程部門進行若干輪數(shù)據(jù)交換與打合，會比在基于NURBS的CAS1中修改要快上好幾個檔次。特別是解決空氣動力學(xué)問題，快速的修改，快速的模擬分析再反饋，使產(chǎn)品性能不斷提升，效率極高（如圖2所示）。細分建模在整車比例姿態(tài)調(diào)整及車型衍生設(shè)計中，在效率上有著巨大的優(yōu)勢。如圖3、圖4、圖5所示，利用很短的時間就可以實現(xiàn)對整車姿態(tài)進行較大幅度的調(diào)整。這些數(shù)模如果運用傳統(tǒng)NURBS曲面來做，所需時間之多不敢想象，若運用Subdi細分建模則可快速完成（但用Subdi進行以上這些操作的目的還是在于概念設(shè)計，曲面質(zhì)量僅能滿足造型的呈現(xiàn)和油泥的銑削，而不能支持模具制作）。Subdi建模強大的功能不只體現(xiàn)在建模效率的提升，其所見即所得的優(yōu)勢，再加上靈活自由的設(shè)計變更，使其已經(jīng)成為一種能夠在三維中進行創(chuàng)意的手段，這絕對可以說是一種設(shè)計的革新。特別是近幾年，由馬自達造型引領(lǐng)的“絲綢”曲面，用大片曲面微妙柔軟過渡的造型風(fēng)格風(fēng)靡業(yè)內(nèi)。這種無腰線且更少棱線，完全用曲面來“說話”的造型風(fēng)格用草圖很難展開創(chuàng)意、表現(xiàn)并詮釋出來。這個時候如果使用Subdi去充當(dāng)創(chuàng)意的手段，那么再合適不過，其可以讓設(shè)計師在三維中進行反復(fù)嘗試、尋找靈感，甚至其“不經(jīng)意”的網(wǎng)格操作，都會產(chǎn)生意想不到的光影效果，呈現(xiàn)出意想不到的視覺沖擊力，從而創(chuàng)造出更加卓越的造型。所以說細分建模適用于整個概念創(chuàng)意階段（2D、3D），其不僅是數(shù)模師的新工具，更是創(chuàng)意設(shè)計師靈感來源的新方式，真正的實現(xiàn)一邊想象，一邊設(shè)計、一邊建模。
4汽車造型設(shè)計中細分曲面建模的建模思路及方法
如果說油泥模型偏向感性思維，數(shù)字模型偏向理性思維，那么細分建模就是介于中間，是感性與理性思維方式的結(jié)合。其要求使用者在了解一定曲面及幾何形體構(gòu)造原理的同時，擁有一定的美學(xué)修養(yǎng)與創(chuàng)造性思維。細分建模軟件基于細分曲面理論，其基本建模原則就是以一個平面或者簡單封閉的曲面開始，通過不斷細化、優(yōu)化來達到最終所需效果。細分建模大致有兩種建模思路：（1）從局部開始，以網(wǎng)格面片的形式進行形體搭建，不斷地擠出相鄰區(qū)域的網(wǎng)格，從而使形體特征向四周擴散，最終達到所需形體效果（如圖6）。（2）從整體入手，以一個封閉幾何形體（多使用立方體）開始，從宏觀比例姿態(tài)到微觀局部特征，從四視圖輪廓到玻璃面等獨立特征的配合建模，不斷的添加各個所需方向的控制網(wǎng)格，塑造出每個局部所需要的細節(jié)形體特征。總之就是一個由簡到繁、由整體到細節(jié)的過程（如圖7）。相比兩種建模思路，運用者數(shù)量幾乎平分秋色，甚至前者可能還會稍微更多一些。但是筆者絕對推薦第二種建模思路，其主要原因有三：（1）Subdi細分建模的最大優(yōu)勢就是整體連續(xù)性，從細節(jié)入手發(fā)揮不出Subdi的核心優(yōu)勢。（2）從整體入手更能體現(xiàn)出設(shè)計師的造型意圖，先確定大的比例姿態(tài)，而后增加控制點（頂點）數(shù)量，進行細節(jié)刻畫。（3）從整體到細節(jié)的思路符合細分算法的邏輯優(yōu)勢，效率會更高。
5結(jié)論
現(xiàn)在越來越多的車企把基于細分曲面技術(shù)的“快速建模”加入到整車造型開發(fā)流程中去，把其定義為一個介于效果圖和正式CAS數(shù)據(jù)中的中間環(huán)節(jié)，用于進行快速三維表達，快速比例姿態(tài)調(diào)整，初步的工程可實現(xiàn)性驗證。然而細分曲面建模在整車造型開發(fā)中的作用其實并不止于此，正如前文所述，其更可以成為造型設(shè)計師進行創(chuàng)意推敲與尋找靈感的重要方式。另外，細分曲面建模要想在整車造型開發(fā)中發(fā)揮更大的作用，可以與NURBS建模、參數(shù)化圖案建模進行混合使用，這就是達索公司一直在主推的3DEXPERIENCE平臺的CATIAIMA+CATIAISD+XGenerativeDesign的混合建模。
參考文獻
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作者:趙津 單位:恒大新能源汽車全球研究總院