基于Alias的汽车造型数字曲面设计

黄荷 郜伟

摘 要：在激烈的全球化市场竞争环境下，产品更新换代加快，研发周期变短，消费者的品味也在日渐提升。如今，优异的汽车品质不止体现在部件性能上，同时外观造型也成为对整车品质评价的一个重要考量。对汽车造型设计而言，为实现造型的创意意图，使用工业造型设计软件Alias能有效的完成汽车的正向和逆向造型设计要求。它能有效地运用构建曲线的工具，通过调节曲线来定义曲面的外形边界轮廓；同时，通过规律的调节曲面上的任意CV点以获取对外形的调整，保持对曲面的整体调控，以此获取精确且满足造型创意需求的外形和曲面。因此，文章将重点研究在运用Alias进行数字曲面设计时，通过规范对数字模型的设计要求以提高造型数字曲面的品质。

关键词：汽车造型；设计软件Alias；数字曲面设计

中图分类号：TB742 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0035-02

1 数字曲面类型及概述

1.1 曲线及连续性

Alias的内部构架为NURBS（Non-Uniform Rational B Spline）系统，即非均匀性有理B样条曲线。在Alias的NURBS体系里，已经将Bezier、有理Bezier、均匀B样条和非均匀B样条都统一到了里面。可以说，当曲线Span为1，所有CV点权重为1时，那么NURBS曲线将近似等同于Bezier曲线。Alias同时具备 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 级曲面），获取精确的数字模型，提高曲面质量。可以说，除了要求较高的A面阶段，在渲染、CAS阶段是我们可以用NURBS曲线来实现，而不用过多的考虑Span的数量。

曲线连续性类别有以下几类：

G0-位置连续，表现为两线对接处尖锐；

G1-切线连续，线性特征为法向一致，但曲率大小不同，表现为无尖锐感，但光顺性不足；

G2-曲率连续，法向与曲率大小均一致，但曲率变化率有差异，表现为过渡基本光顺；

G3-曲率变化率连续，表现上过渡比G2更平缓顺滑。

1.2 CAS面以及A面概述

CAS面为造型前期设计，主要表现领导决策和创意的设计意图，对整车的外观风格，整体轮廓，车身比例，腰线特征等起决定性作用。CAS面用于造型可研阶段进行法规要求、造型、工程、生产制造、售后维修、保险服务的校核以及小比例油泥模型的制作。

A面即为A级曲面，承接CAS面的表达意图，将其转化为最终用于工业生产制造的，满足各类法规要求的精确曲面数据。A级曲面为物理定义的高品质曲面，A面在必须满足的相邻曲面间的间隙，切率改变，曲率改变上都有极其严格的要求，一般都要求达到G2的连续性，部分过小的圆角为G1连续要求。CAS面示例，

A面的条件描述如下：

①A级曲面对Degree数和Span数都有严格的要求，虽然Alias最高阶数为9阶，但使用时严格上不能超过7阶，Span数为1；

②对于单个A面，在UV各边界方向上需保证曲率的一致性和可延展性，CV点分布变化的均匀性；

③A面之间的相互连续，至少要求满足切向曲率连续；

④曲面配合的直观表现的光顺度，需结合Alias的高光检测，斑马线检查，曲率着色评估“Curvature Evaluation”工具来进行评估，而不应该出现扭曲，突变拐折等瑕疵。

2 A级曲面质量评价规范

A面数字模型最终决定产品的实物模型，是承接CAS面的深化数字曲面。在构建型面数据时，需以简单有序的A面构造型面模型，清晰准确的表达出高光走势，特征线变化等，同时满足各类法规标准，只有如此数字曲面才规范合理，才能得到优异的产品品质。

2.1 曲面类型及参数

汽车 A 级曲面要求调整性强，利于配合的连续性，需用尽量简单的曲面完成造型，曲面参数不宜过大。最简单的数据结构实现最复杂的曲面变化，同时又必须保证曲面之间的连续性（有些部位需要G3连续），且具备一定的调整灵活性，所以曲面参数（Degree阶数和Span数）必须控制在适宜的范围内。对 Bezier 曲面来说，虽然Alias能实现最高阶数为9阶，但7阶Bezier曲面已经能满足G3连续需求的A级曲面要求，在力求A面简单的原则下，Bezier曲面参数要求是小于等于7阶，Span值为1.对汽车A 级曲面而言，曲面参数在3～7阶之间已能满足大多数需求。

2.2 CV控制点排布规律性

曲面是否平滑光顺、形状规则取决于CV点的排列规范。以下总结CV点排列应当遵循的几点规律：

①CV分部间距均匀或者均匀变化；

②CV离其曲线曲面的距离分布要合理（即沿着曲线或曲面UV向，每个CV离开物体的距离的增减趋势要渐变，不存在单个CV点高出或低于其他CV点的现象。）；

③CV的排列可以遵循曲线曲面造型趋势的变化规律（即考虑到使用Bezier曲线构面，各CV影响一致，故一般曲率大的区域安排较少CV点，曲率小的区域安排较多CV点）；

2.3 曲面连续性

不同的曲面连续性得到的高光效果也不同，目视的光顺度也将不一样。按面面间连续性的不同，G0高光效果呈现断开状态，G1高光连接但过度尖锐，G2和G3高光趋于平顺过渡。对于汽车而言，内外饰有很多部件为高反光材质，曲面的连续性要求就显得很重要。因此，对于可视区所有曲面都要求达到G2以上连续，过Y0的主要大面要求关于Y0对称并且连续性要达到G3，曲面连续性示例，如图3所示。

2.4 曲面理论交线

一般而言，曲面建模最终都会应用各种过渡特征和倒角来细化模型，即整个模型面与面硬交的状态是不存在的，而这种最终模型实际上不存在的面面交线就叫做理论交线。理论交线的趋势决定以后倒角或过渡面的趋势，因此，对于建模分面，为了保证主要大面的理论交线拥有合理的曲率变化，一般会选择公共的自由边界作为曲面间的理论交线。交线曲率变化均匀无S型，交线夹角规律渐变，汽车曲面造型的特征线质量才能得到保障。理论交线示例，如图4所示。

2.5 曲面光顺性

光顺性是整车曲面质量的直观体现，对于高可见度的曲面，尤其是诸如车身顶盖、前后保等高反光材质部分，需保持曲面的光顺，从而获得较高的视觉高光效果。曲面光顺性可以从曲率梳，斑马线走势，曲率着色等方面来进行评价。

2.5.1 曲率梳

曲率梳是曲面曲率变化的数学表现，曲率梳轮廓线的高低代表了曲率值的大小，红色线为曲率梳在曲面上对应各点的切向线，梳状线的方向代表了曲面在对应点上的法线方向。好的光顺性要求曲率梳变化规律有序，曲率大小渐变，无局部突变扭曲。整车局部曲率梳示例，如图5所示。

2.5.2 斑马线走势

斑马线检测的效果在于通过模拟光源下曲面的高光效果，将一定发射角度内的反色线用不同的颜色表示来加以区别，从而得到曲面的静态或动态高光分色图。斑马线光顺评价要求为，从不同方向上检测时，斑马线平顺规律，过渡有序，无扭曲折拐等缺陷问题。斑马线走势示例，如图6所示。

2.5.3 曲率着色

曲率着色评估是基于曲率变化的一种评估方式，其原理是运用不同的颜色划分来表达曲面上每个单位区域内的曲率值的大小。相对于曲率梳，其能更直观的表现曲面的整体曲率变化趋势。使用曲率着色，有利于高效的获取曲面整体的曲率分布，获取极大极小值，特征曲线等参数。曲率着色示例，如图7所示。

3 结 语

通过以上的分析介绍我们知道，造型数字曲面设计是有序的阶段渐进式工作，CAS面作为初始数据体现领导决策和造型创意意图，A面在承接CAS面基础上就将数字曲面精确规范化，并最终体现产品品质。基于Alias的数据曲面设计能很好的实现上述造型需求，但同时，正确的理解和运用曲面质量评价规范将是我们能获取高品质曲面的保证。高品质的曲面是优秀的汽车外观设计的基础，这将能有力的提高汽车产品的市场竞争力，以此获得更多消费者的青睐。

参考文献：

[1] 李华斌，陈旭.Alias&Showcase 产品造型设计表现典型案例解析[M].北 京：电子工业出版社，2013.

[2] 欧阳波.Alias 产品设计使用教程[M].北京：水利水电出版社，2010.