Subdivision建模在汽车造型数字化设计中的应用研究

吴浩聪，宋 健，姚亚凤

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

1 引言

伴随着汽车市场产品竞争日趋激烈，车企对车型开发与更新换代的需求也随之增多，开发周期不断紧缩。同时在智能化、网联化、电动化、共享化趋势下，汽车造型设计不断尝试以新的设计形式与方法寻求创新与突破。数字化设计作为造型设计的关键环节，面对新一轮大发展、大变革的时代，时刻保持技术的先进性，提高自身效率变得尤为重要。Subdivision建模（以下简称Subd建模）作为一种新的技术与方法，结合了传统Nurbs建模与Polygon建模的优势，在动画、影视等领域有比较广泛的运用，目前在汽车造型设计领域还处在摸索阶段，尚未形成统一的方法。

2 Subdivision建模概述

Subd建模是以多边形网格为基础，用细分曲面模拟三维模型，通过独特算法得到整体光滑曲面的建模方法。目前在CAD设计软件中应用比较广泛的几何建模方法为Nurbs曲面建模、Polygon多边形建模和Subdivision细分曲面建模，三者间的概念对比见表1。Nurbs曲面建模即非均匀有理B样条线，采用曲线及曲面表达几何模型，通过控制点来控制曲线曲面形状，是目前汽车造型领域应用最广泛的建模方式。Polygon建模是使用大量多边形平面来拟合任意拓扑结构几何模型的建模方法；Subd建模采用多边形建模的算法，并综合了Nurbs曲面建模的优点，通过初始控制网格和细分规则，避免了传统参数建模在构造复杂自由曲面模型时由于裁剪拼接引入的几何误差，同时又具有多边形建模所不具备的较高的曲面质量，这些优势使细分曲面建模方法逐渐受到用户的重视。

表1 三种建模方式对比

3DMax、Maya等三维设计软件都有专门的细分曲面造型模块，汽车造型设计主流建模软件Alias，在其2020版本中也新增了Subdivision板块，打造了一套Alias、Subd建模混合工作流，使得Alias也具有了细分曲面建模功能。

3 Subdivision在汽车造型数字化设计中应用的可行性与优势分析

汽车造型设计作为形式与功能结合的载体，既具有艺术美感又兼具严谨的结构限制，涵盖了造型语义、型面特征等众多复杂信息，设计流程较为复杂，设计分工非常细致。在整个开发流程中造型方案一般要经历多轮评审，这就要求造型设计不断优化流程，使用快捷高效的手段进行评审与展示推进设计，而探究 Subd 建模在汽车造型数字化设计中应用的可行性是其首要条件。

3.1 汽车造型数字化设计一般流程与瓶颈

在传统造型开发流程中，数字化设计作为中间环节承接二维与工程，随着数字化技术的发展，数字化设计已经贯穿到造型开发的各个阶段，推动设计的进程。汽车开发中数字化设计的传统流程与目前流程对比如图1所示。在产品立项阶段进行车型定位，数字化设计会根据项目策划及工程输入的Package制作基础比例模型进行项目评审。造型开发中，概念设计阶段根据设计任务确定造型风格，明确造型特征，数字化设计团队会根据造型设计团队的二维草图及总布置图构建比例模型，为创意团队进行造型设计的推敲提供基础，同时也为工程部门的早期介入提供数据支持。设计方案确定后根据进一步设计方案的细化及工程输入进行方案数字模型的制作，依靠建模软件构建细节模型，逐步解决各种造型可行性问题。造型数据完成后交接给油泥模型团队进行实体模型制作评审，最后造型模型确认后输出到工程部门进行验证与开发。

图1 汽车造型设计流程

在整个开发流程中，数字化设计在不同的阶段扮演不同的角色，职能区间不断迭代，设计任务不断延伸。目前在汽车造型数字化设计中主流的三维建模方式为Nurbs曲面建模，由于其能够提供较为平滑的曲面而得到广泛推崇，但在操作方式与算法处理上受制于工具本身的局限不能做到高效快速。尤其在进行前期项目立项、造型多方案推敲时，Nurbs曲面的繁琐性会使建模效率大打折扣。数字化设计师在二维转三维过程中，必然会遇到造型还原度偏离的难题，在解决这一难题的过程中，数据工作常常反复，Nurbs曲面在模型修改上会耗费较多时间。

另一方面随着消费者生活水平与审美的提升，造型设计开发逐渐演变为以消费者需求为导向，产品形态已经从以功能至上的简约设计不断向多元化甚至复杂化发展。传统的Nurbs建模方式在应对新的造型趋势上显得力不从心，在复杂造型表达上不具备优势。这些都是汽车造型设计中遇到的瓶颈，限制了造型开发的效率与方案的多样性。

3.2 Subdivision建模的优势

Subd建模除了提供一套综合多边形建模易用性与Nurbs曲面精确光滑性的建模方式之外，还提供了一些与传统Nurbs工作流程结合的解决方案，本文主要以汽车造型主流建模工具 Alias 中的Subdivision模块为例，探讨其在汽车造型设计开发流程中的优势。

（1）操作简捷性

以 Alias 中的Subdivision为代表的细分曲面软件操作命令简单，通过简单的拉伸、桥接、边插入等工具就可以实现模型的搭建，极易上手，对于不具备建模基础的设计师也不存在较高的门槛。软件具体的操作命令如图2所示。

图2 Alias中Subdivision工具命令栏

（2）灵活高效性

使用者可以快速制作粗略的多边形形式，在操作中直接通过用编辑控制点的方式修改模型，像多边形曲面一样任意拓扑，不像Nurbs一样必须要四边形。同时Subd建模数据状态具有整体一致性，在修改过程中不必担心缝合和连续性，极大地提高了建模效率。

（3）精度可调性

Subd建模作为Polygon建模基础上衍生出的建模方法，不仅继承了Polygon建模的操作简单、灵活便捷，同时又兼具Nurbs建模曲面光滑连续的特点。Subd建模可以只在需要细节的部位执行细分操作，增加点、线的排布来表达复杂形态，通过调整控制点提高曲面质量。

（4）结构精简性

通过Subd建模输出的数据，一个零部件成整组状态，可以减少曲面的丢失，在可视化数据制作阶段，节约了树结构的整理时间。同时由Subd建立的复杂曲面，结构简单，可以更好地表示UV方向，方便在可视化里实现贴图等操作，其数据所占内存较小，能够保证展示流畅性。

3.3 Subdivision建模的局限性

Subd建模虽然整合了Polygon与Nurbs的优势，在前期开发中更加灵活高效，但在整个汽车造型设计流程应用中还存在一定的局限性。首先受限于其建模方式及现有工具的不完善，在与上下游部门数据交换及数据准确性上仍具有不足之处。其次要达到较高要求的光顺平滑的曲面质量，Subd建模也需要花费一定时间进行调试。

4 Subdivision在汽车造型数字化设计中的应用策略与方法

Subd建模采用类似于多边形建模的方式与模型进行交互，在设计过程中应用具有较大的灵活性，伴随着数字化设计已经贯穿到整个汽车造型设计流程，Subd建模可以根据需要有机的结合到汽车设计的不同阶段，有效推进设计进程。目前Subd建模的应用在造型开发中前期阶段具有明显的优势，笔者主要将其应用方法集中在造型数字化设计的立项、概念设计与方案模型制作阶段。

4.1 促进产品立项

在产品立项阶段，因为项目的不确定性，不可能投入过多的物力和人力，需要控制时间成本和经济成本。数字化设计师首先根据工程输入的Package，利用Subd建模中Box、Plan、Extrude工具快速建立产品的比例模型。通过细分曲面、移动控制点工具，取得不同轴距、前悬、后悬、车高、车宽等多个方案，并进行市场调研，细分市场定位。工程师根据基础模型，进行初步分析，优化总布置图，落实各空间系统的关键位置，并选出最优方案参与评审展示，让决策层能够直观感受车身比例，确定车型尺寸。

4.2 辅助概念生成

在概念设计前期阶段，其主要任务是创意的生成与发散，这个阶段主要是在二维平面中实现的。Subdivision工具简单易于操作的特性能极大地发挥数字化设计在概念设计阶段的作用。首先设计师通过Subd多边形任意拓扑，建立粗略的基础模型，转换为Smooth顺滑模式在三维空间中多角度观察，通过移动控制点，在不断的调试下感知其体量关系，确定合适的比例姿态。如图3所示，在得到满意的基础形后，再进行特征的深化。设计师可以一边在二维中进行方案推敲，一边在三维中随意拉动控制点调节形态，并通过Crease、Weld等工具进行棱线等简单特征的制作。概念生成由二维为主转变为二维和三维不断交互的过程，在概念设计前期阶段就及时验证方案在三维空间中的形态及空间关系，增加了造型创意立体化实现的可能性，有助于消除传统设计中二维转三维造成的设计偏差，这是一个平面与空间相结合的造型构想过程，克服了纯粹二维平面造型推敲的局限性与束缚。Subd建模的灵活高效性使得概念设计在三维空间中进行快速推敲变成了可能，这是在传统Nurbs建模中所不具备的。

图3 基础比例模型

4.3 完成3D方案模型

二维创意阶段确认后，一般会选择3到4个效果图进行三维方案模型制作，通过提前在概念设计前期阶段引入3D 模型进行方案推敲，对后续构建3D Proposal Model，还原造型意愿提供了很大的支持和保障。Subd建模可以根据效果图及前期推敲模型快速搭建多个方案，通过Inset Edge增加循环边，Cut工具进行曲面细分，构建整车低细分模型进行三维评审，如图4所示。Subd建模的应用能增加设计方案在3D方案模型的多样性，为方案的选择提供更多的可能。

图4 低细分曲面模型

方案模型确定后，后续在3D Proposal Model的基础上不断细分，调节控制点及布线方式进行曲面质量、高光的优化，在Subd细分模型上通过Unweld、Uncrease等工具进行分缝与分件操作，向细分主体添加高质量的曲面造型细节（例如修剪、圆角），实现高度细分模型，如图5所示，达到能够用于可视化展示的Detail Model。这个过程由于Subd建模本身的局限性需要花费较多时间。

图5 高细分曲面模型

5 结束语

虽然目前汽车开发流程已经成熟和稳定，但Subdivision其操作简单，灵活高效的优势，弥补了Nubs曲面建模的局限性，为造型设计概念生成提供了强有力的依托，为创意落地提供更加便捷的途径。这些优势有效地应对了汽车造型数字化设计所遇到的瓶颈，对优化汽车造型流程、提高开发效率提出了新的解决方案。当然Subd建模在与下游工程数据对接中还存在一定的不足，也是其今后需要改进的方向。

汽车造型设计是一个庞大的范畴，它包括了外饰整体造型、内饰设计以及零部件设计，针对每一个具体项目、具体位置、具体阶段，合理灵活地利用Subd建模工具，才能最大程度上发挥出其在汽车造型数字化设计中的创造性。