3D变形技术在汽车造型设计中的应用

黄朝晖 王博伦

摘要：汽车造型设计已成为影响当今汽车销售的一个重要因素，美观独特的汽车造型也成为汽车企业在全球化趋势下的重要竞争手段。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。

关键词：3D变形；汽车造型设计；创新

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。

23D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{ 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，左邊的图形是给定的源，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。

33D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。

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：

（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软件的快速成型和模具开发。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。