（车辆工程专业论文）3dsmax在汽车车身开发中的应用与研究.pdf

摘要 随着汽车工业的发展，汽车车身造型设计在整车设计中越来越重要， 使用计算机软件进行造型设计是必然的趋势目前计算机辅助设计软件明 显的分成了艺术类软件和工程类软件两大类，针对这两类软件的数据交流 困难以及目前汽车设计软件过于工程化的特点，本文提出了以3 d s m a x 为 基准的造型设计方法，并探索出了一条3 d s m a x 多边形模型向u g 工程模型 的转换方法。 本文首先探讨了汽车概念设计阶段所适合的表现手法，并对目前市面上主流 的设计软件进行了分类和对比详细分析了3 d s m a x 所采用的多边形曲面网格的 算法和结构，多边形算法的关键在于逼近，即用近似的多边形网格物体去接近 真实物体，细分次数决定逼近程度，同时3 d s m a x 中采用的视觉光滑技术简化了 模型，但降低了曲面质量然后提出了将汽车平面照片转换为3 ds m a x 模型的 思路和流程，并结合某客车项目给出了相关实例。指出了采用c h a r a c t e r s t u d i o 插件中的人体骨架进行虚拟人机工程设计的思路。在论文的后半部分介 绍了工程软件所通用的n u r b s 曲线曲面的建立和光顺性检查，并对比了n u r b s 软件r h i n o 和u g 在建模上的不同，其中u g 采用的是参数化的关联性建模。然后 本文重点论述了3 d s m a x 模型向u g 工程模型的转换，针对两者在曲面结构上的不 同，提出了利用3 d s m a x 和u g 的默认数据接口并结合手动操作的方法。第一种方 法阻关键曲线组为媒介，通过从多边形模型表面抽取关键曲线、在r h i n o 中将关 键曲线转换为n u r b s 曲线并修正、利用修正后的曲线建立n u r b s 曲面并完成拼接 这三个步骤实现转换；第二种方法以点云为媒介，通过3 d s m a x 输出点云、使用 逆向工程软件处理点云生成曲面以实现转换最后给出了以3 d s m a x 为基准的汽 车造型设计流程 本文所提出的以3 d s m a x 为基准、结合u g 软件的造型设计方法发挥了艺术类 软件和工程类软件的特长，提高了汽车造型概念设计阶段的效率和效果表现质 量，同时也满足了工程运用的要求 关键词：3 d s m a x 、多边形、n u r b s 、转换 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y ，t h eb o d yd e s i g np l a y sam o r e i m p o r t a n tp a r ti nw h o l ev e h i c l ed e s i g n ，u s i n gc o m p u t e rs o f t w a r et od e s i g nt h es h a p ei s n e c e s s a r y a tp r e s e n tt h ec o m p u t e rd e s i g ns o r w a r e sa r ed i v i d e di n t ot w ok i n d s ：a r t s o f t w a r ea n de n g i n e e r i n gs o f t w a r e b e c a u s et h e s et w ok i n d so fs o f t w a r e sh a v e d i f f i c u l t y i nd a t ac o m m u n i c a t i o na n dt h ec u r r e n tv e h i c l ed e s i g ns o f t w a r e sa r et o o e n g i n e e r i n g o r i e n t e d ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r das h a p ed e s i g nm e t h o d u s i n g 3 d s m a x ，a n de x p l o r e sam e t h o dt ot r a n s f o r m3 d s m a xp o l y g o nm o d e lt ou gn u r b s m o d e l t h i s p a p e r a tf i r s t c o m p a r e sr e p r e s e n t a t i o nt e c h n i q u eo n v e h i c l e c o n c e p t d e s i g n ，a n dc o n t r a s t st h ep o p u l a rs o f t w a r e si nm a r k e t t h e ni n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e a n ds t r u c t u r eo f3 d s m a x p o l y g o nm o d e l i n d e t a i l ，i t sk e yi sa p p r o a c h ，u s i n g a p p r o x i m a t e l yp o l y g o nt os i m u l a t er e a lo b j e c t , t h ea p p r o a c hd e g r e ei sd e t e r m i n e db y i t e r a t i o nn u m b e r ，a n ds m o o t hs u r f a c et e c h n i q u ep r e d i g e s tt h em o d e l ，b u tr e d u c et h e q u a l i t yo fs u r f a c e t h e na n a l y s e sh o wt oc o n v e r tv e h i c l ep h o t ot o3 d s m a xm o d e l ，a n d g i v e sab u sm o d e la se x a m p l e ；d i s c u s s e st h ei d e ao fu s i n g3 d s m a xp l u gc h a r a c t e r s t u d i oh u m a nb o n et od e s i g ni n t e r i o rc o n s i d e r i n gm a n - m a c h i n ee n g i n e e r i ns e c o n d h a l fo ft h i s p a p e r , i n t r o d u c e st h es e tu po fn u r b sc n r v e sa n ds u r f a c ea n dh o wt o e x a m i n et h ef a i r n e s so ft h e m ，t h e nc o m p a r e dt h ed i f f e r e n c eo fr h i n oa n du gi nn u r b s m o d e l i n g ，u g h s e sp a r a m e t e ra n da s s o c i a t e dd a t at ob u i l dt h ee n g i n e e r i n g m o d e l t h e n a n a l y s e sh o wt ot r a n s f o r m3 d s m a xp o l y g o nm o d e lt ou gn u r b s m o d e l b r i n g sf o r w a r da 哪a 1m e t h o du s i n g3 d s m a xa n du gd e f a u l ti m p o r t i n ga n d e x p o r t i n gp o r t t h ef i r s tm e t h o du s e sc u l w ea sm e d i u m ，b yd r a w i n go u tt h ek e yc u r v e s f r o mp o l y g o nm o d e ls u r f a c e 、c o n v e r t i n gt h e s ec u r v e st on u r b sc u r v e sa n dm o d i f y t h e mi nr h i n o 、u s i n gt h e s ec n r v e sb u i l d i n gn u r b ss u r f a c e sa n dc o m b i n i n gt h es u r f a c e s t of i n i s ht h ec o n v e r s i o n ；t h es e c o n dm e t h o du s e sp o i n tc l o u da si n t e r m e d i u m 、b y e x p o r t i n gp o i n t sd a t af r o m3 d s m a x 、u s i n gr e v e r s ee n g i n e e r i n gs o f t w a r et od e a lw i t h t h ep o i n t sa n db u i l dt h e 乳l r f a e et of i n i s ht h ec o n v e r s i o n a tl a s taf l o wc h a r ts h o w s u s i n g3 d s m a xt od e s i g nt h ev e h i c l eb o d ys h a p e t h em e t h o do fu s i n g3 d s m a xa n du gt od e s i g nt h es h a p ee x e r t st h ea d v a n t a g eo f a r ts o f t w a r ea n de n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，i n c r e a s e st h ee f f i c i e n c ya n dp r e s e n t a t i o n q u a l i t yo fv e h i c l eb o d yc o n c e p td e s i g n ，a tt h es a m et i m ef u l f i lt h ed e m a n do f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d ：3 d s m a x ，p o l y g o n , n u r b s ，c o n v e r t 武汉理工大学硕士论文 第1 章引言 1 1 汽车造型设计的重要性 随着经济全球化进程的加快，世界汽车工业竞争e l 益加剧，汽车巨头们都在 加紧新车型的设计开发，由于发动机、底盘设计制造技术基本成熟，新车型便主 要体现在电子设备和车身造型的更新上。目前，在一种瓤车型的开发项目中，4 0 0 n 的设计师和工程师是在从事与车身相关的开发。车身与汽车电子一起已经成为目 前汽车整车产品中最活跃的因素。造型是汽车的外观，是汽车评价中最直观、最 负感染力的部分，好的造型对提高产品竞争力、反映企业文化有着重要意义。 对于我国目前的情况来说，在汽车车身造型设计方面，与国外有名的汽车制 造公司和汽车设计公司存在很大的差距，在很长一段时间里，我们所谓的设计很 大程度上是在模仿人家成熟的车型，然后做一些适当的修改，成为自己的产品， 真正意义上的自主开发是风毛麟角虽然中国独立的设计开发公司有几十家，但 是真正完全具备了包括高级轿车在内的汽车整车设计开发能力，并达到国际水平 的大公司却屈指可数汽车设计在中国基本属于新兴行业，大部分设计公司都是 近两年内才成立的。国内的汽车生产企业舍近求远，不惜花高价去求助国外的设 计公司，一个根本的原因就是中国的汽车设计公司没有拿出真正的精品去展示， 也拿不出精品去展示对予本土设计开发，合资技术中心泛亚是做的比较好的， 原因在于美国通用汽车为其提供了全球技术资源共享和富有经验的技术专家，使 其在较短的时间内形成了核心竞争利，提高了研发能力。其自行设计开发的鲲鹏 车在不久前举行的北美底律车展上引起了海外媒体和企业的重视。在2 0 03 年我 们看到了新的亮点，上海别克君威汽车虽然这款车发动机等部件用的还是通用 国外供货商的东西，但是外形设计主要是中国人设计的。毕竟上海通用借助国际 平台使中国人坐上了自己设计外形的车，这就是一个比较大的突破。奇瑞在汽车 开发领域的成功就是利用国内外资源的情况下实现快速、低成本的汽车开发，据 说奇瑞5 年规划了3 0 款新型轿车的开发，速度之快为世界之最，这令中国汽车 的设计者十分兴奋尽管在这一方面取得了一些成绩，但是相对于国外，相对于 我国高速增长的汽车产业，相对于我国快速增长的汽车消费，相对于i3 亿中国 人不同的消费需求，这些成绩还显得微不足道所以，中国的汽车造型设计还有 很长一段路要走，它将在中国的汽车工业中扮演越来越重要的角色。 1 2 计算机技术在设计中的运用以及存在的问题 随着计算机技术的发展，越来越多的产品造型设计师已不再使用铅笔、喷笔 等工具来绘制产品效果图，取而代之的是高效率的计算机辅助设计软件，它不仅 大大提高了产品表现的速度，还可以逼真地表现出产品的材料和色泽。通过变换 武汉理工大学_ 唾士论文 不同的视角和不同的环境就可以获得多种表现方案。 在建筑设计和工业设计领域，已经开始大量使用效果图来评价设计方案的好 坏也就是说在工程方案尚未确定前，通过制作三维模型的渲染效果图来表现设 计方案。在效果图的制作中，3 d s m a x 以其简洁的制作流程和强大的渲染能力成为 主导软件，占据了大部分市场同理，在汽车设计中，设计者往往可以提出很多 设计方案，如果把这些方案用平面手绘图和色彩效果图去表示，就不够真实，缺 乏三维感；全部做成油泥模型，将会花费大量的时间和财力；如果用工程软件去 做，由于工程软件的严谨性，需要大量的制作时间和精力；如果用艺术类软件去 做，比如3 d s m a x ，由于艺术类软件的快捷性和随意性，可以较快的生成三维数字 模型并进行照片级的渲染，甚至可以导出s t l 文件在三维打印机上直接生成实物 模型。总之，在汽车的概念设计中，用艺术类软件是较为合适的。 在工程生产领域，也已经大量使用计算机技术。特别是c a d c a e c a m 技术的 使用，比如工程圈绘制、结构强度分析、虚拟现实、虚拟加工、模拟碰撞、数控 机床等。目前出现了一批集成了c a d c a m c a e 的大型软件，比如c a t i a 、u g n x 、p r o e 等，这类软件往往拥有大量的模块以满足工业生产的方方面面。例如在c a t i a 中 就有专门的汽车模块、船舶模块、航空模块等，而汽车模块里又有很多子模块。 整个汽车从规划、设计( 概念设计和工程设计) 、生产、销售都可以用计算 机软件进行虚拟，可以说，计算机技术的引入对传统的汽车工业是一场变革 但是目前计算机软件存在着一个问题，就是两极分化。艺术类软件和工程类 软件都发展的比较成熟，但是两类软件之闻缺乏沟通，而在产品的设计中存在着 概念设计和工程设计两个阶段，这种情况对于提高产品的开发效率是极为不利 的。之所以两类软件交流困难是因为艺术类软件普遍采用的是多边形网格算法， 而工程软件使用的是n u r b s 算法，两类算法截然不同 以现有的水平看，国内外还没有那款软件能够实现直接转换，无论是3 d s m a x 还是c a t i a 、u g 这样的国际主流软件都没有提供直接转换的接口，因为实际工作 中所涉及的模型千差万别，对模型的标准和要求也各种各样，只有当软件的智能 化水平以及计算机硬件处理能力上升一个台阶后才可能实现直接转换。本文为了 实现模型的转换，采用了综合各类软件专长、充分利用已有的数据接口并结合手 动操作的方法 就目前发表的论文和书籍看，研究计算机软件算法和运用的文章很多，特别 是研究n u r b s 算法的，主要是计算机图形学方面的文章，并不涉及转换。市面上 有很多关于3 d s m a x 建筑效果图、渲染、动域方面的书籍，但车身制作方面的较少， 这也是本文想加以弥补的地方 本文希望通过把车身设计理论和实际课题相结合，探索一条艺术设计软件和 武汉理工大学硕士论文 工程软件相结合的方法，提高车身设计的效率和水平，降低进入车身设计领域的 门槛，增强自主开发能力，这正是本课题研究的目的和意义所在。 1 3 课题的来源以及所要研究的内容 1 3 1 课题来源 本文作者在导师的指导下参与了某厂通勤大客车豹车身和内饰设计以及工 程数字模型制作；还参与y s u v 车车身的制作以及三维动画方面的工作，在此期 间积累了p h o t o s h o p 、3 d s m a x 、v u e 、r h i n o 和u g 软件的使用经验，并对汽车造型 设计有了一个太体的认识。 在大客车设计的过程中，从p h o t o s h o p 处理平面照片做起，至j j 3 d s m a x 概念模 型、v u e 渲染效果图，然后又经过r h i n o 数据转换，最后在u g 中建立工程模型，实 现了从概念设计向工程运用的飞跃。 1 3 2 研究内容 具体来说包括： 1 ) 概念设计阶段汽车的表现手法对比 2 ) 3 d s m a x 多边形建模 3 ) 根据图片在3 d s m a x 中建立汽车三维模型 4 ) 3 d s m a x 中虚拟人机工程的运用 5 ) n u r b s 曲线曲面的建立和分析 6 ) 以r h i n o 为中介软件，将3 d s m a x 模型转换到工程软件u g n x 中 武汉理工大学硕士论文 第2 章造型设计的趋势和方法 2 1 汽车造型综述 2 1 1 汽车造型与功能实现的关系 造型就是一个物体的外观，物体呈现出各种各样的造型可能是出于功能、美 学、人性或是这几个方面的综合需要。艺术品、手工艺品可以不考虑功能而只需 要满足美学，除了一小部分豪华车外，大部分汽车是面对社会公众、并且要进行 大批量生产的工业产品，所以说汽车的设计必须综合考虑功能、美观方面的需要。 汽车的功能实现是第一位的，其次才是汽车的美观。如果忽略汽车的功能需 要去追求美观，这样的设计虽然可以一时的刺激顾客的购买欲望，但终究是要被 淘汰的从美学的角度出发，单纯的功能实现就可以带来某种视觉美。比如蒸汽 机、重型机械，其复杂的管路和零件、金属质感的表面就蕴含着一种美，又比如 现代的喷气式战斗机，在设计的过程中根本不会去考虑什么艺术、美学，而是最 大限度的满足作战需要，但它们确实具有威武、流线般的外观。 要实现汽车的功能，就必须考虑汽车的动力系统( 轮胎、发动机、操控、照 明、空气阻力) 和载人( 货) 系统( 车身壳体、内饰座位、货舱) 。 传统的汽车采用前置内燃机为动力，出于散热通风的需要就得在前脸增加栅 格和发动机外罩，出于照明的需要就必须在前脸和尾部增加各种类型的灯，目前 市面上的汽车尽管千姿百态，但都满足了上面所举的两点，只是手法不同而已。 可见汽车的功能对汽车外观所起的决定性作用假如未来汽车的动力系统不同于 现在，或者说车身结构方面有大的改观，那么所产生的造型就肯定不同于现在。 例如，意大利p i n i n f a r i n a 公司所设计的b i r d c a g e7 5 “概念跑车，在车身上采 用了车顶和门一体化的设计，使得其外观与常规的跑车截然不同。如图2 - 1 所示： 图2 - 1 采用新型车身结构韵概念跑车 汽车的功能实现虽然对汽车的造型起着决定性的作用，但对某一时期的汽车 市场而言，各个汽车厂商在汽车技术，也就是在功能实现上的差别并不大，很难 4 武汉理工大学硪士论文 形成独有的优势。因此，造型成了表达设计风格、传递企业文化、吸引顾客的主 要手段。以目前的汽车市场为例，对一个普通消费者而言，汽车在动力上的某种 新技术它可能不知道或不了解，那么外观就成为选购的重要因素。造型是汽车的 脸面，它带给人的是第一感觉、第一印象。奇瑞q q 之所以深受女性消费者的喜 爱就在于其可爱、小巧和绚丽的外形，哈飞之所以与别的面包车不同就在于其流 畅、富有旋律的线条，奥迪的各个车型都能给人带来大气、现代、严谨的感觉和 气势，就好像融人了德国庄重的交响乐和建筑，所以奥迪车成为政府，企业家购 买的首选。而法国车般都拥有流畅优美的线条，给人时尚浪漫的感觉。美国车 则具有大方、粗广的特点 2 1 2 汽车造型的发展趋势 外来汽车的造型会呈现什么样的趋势，仁者见仁，智者见智，本文简单的呈 述一下自己的观点。 ( 1 ) 功能决定造型，在功能实现上的进步必将会反映到造型上。随着汽车工程 技术上的重大变革，比如电机驱动取代内燃机驱动、燃料电池或者高容量蓄电装 置取代燃油箱、电子操控取代机械式操控，这些大的变革将引起汽车动力系统的 简化和占用空间的减少，这就给汽车的造型设计带来更大的发挥空间，更能体现 个性，更好的满足人机工程方面的要求，丽不像内燃机汽车造型会受到诸多因素 的限制通用推出的滑板车概念就充分说明了这一点。 ( 2 ) 未来的汽车将更加的个性化、更加的灵活多变，很多地方采用模块化设计， 用户可选择、可搭配的余地更大选购汽车有些像选购电脑，车身可以象电脑机 箱一样有多种款式可供选择。用户在内饰空间里的座椅布局和样式选择上有更大 的空间。 ( 3 ) 为了满足不同使用场合的需要，比如高速行驶和城市行驶、休闲状态和行 驶状态等，汽车上将会有很多可变部件，甚至车身可以变形。 2 2 当前汽车造型设计的流程 汽车的造型设计是一个复杂的、需要团队协作的过程造型设计只是整车设 计中的一个部分，不是一个孤立的部分目前流行的设计过程如下： 1 制定产品开发计划 这是汽车开发的第一步，也是最关键的一步。这需要分析和预见市场情况并 完成市场定位，同时也耍考虑到企业的长远规划、技术水平、生产能力等。 2 造型设计的准备工作 在开始造型设计之前，必须考虑汽车所要达到的性能指标，也就是汽车总布 置设计，包括重量和主要尺寸，并提出整车的动力方案和内部空间方案。 3 概念设计 武汉理工大学硕士论文 在明确大体的总布置设计后，就应当开始概念设计，这个阶段由造型设计师 完成，分为两个阶段：线描草图和色彩效果图线描草图就是用素描的方法去反 映汽车的造型，通常用铅笔、钢笔或者绘图软件完成，线描草图由反映车身轮廓 和细节的线条组成，在绘制时要考虑透视关系。线描草图是所有汽车表现手法中 最为快捷、最为高效的，有利于捕捉设计师的灵感。 在线描草图定型后，就要考虑制作色彩效果图，色彩效果图由于加入了色彩 更能反映汽车曲面的变化效果。下一章将详细介绍这两种表现手法的关系。 4 缩小比例模型 最常用的比例为1 ：5 ，比例模型比起效果图又进了一大步，能够更加准确的 反映汽车的造型，模型一般用油泥、石膏或仿真原料完成。 5 1 ：1 模型 比例模型不能够真实的反映汽车造型，因为它不具备大尺寸感，所以在比例 模型定型后就要考虑制作1 ：1 模型，尽管1 ：1 模型的制作需要大量的入力和物 力，但也是一个必不可少的过程，是造型设计的最后阶段。【1 】 6 武汉理工大学硕士论文 第3 章计算机辅助设计软件对比 3 1 表现手法综述 在汽车车身设计的过程中，对设计师而言，要做的第一步往往是根据设计的 要求和大脑的构思、灵感来绘制平面素描图，而并不涉及三维方面的东西。这是 为什么了? 我们可以把物体的效果表现来做一个简单的分析，人们要描述一个物品的外 观可以用语言、平面图形( 草图水墨画、壁画、油画、素描画以及近现代所采 用的水彩画、钢笔画、蜡笔画、喷绘以及电脑所生成的平面图和拍摄图片) 、三 维手法( 实物以及油泥或塑料模型、电脑所制作的三维数字模型等) 。 最快、最容易的表现手法当然是语言，语言( 文字说明) 对一个造型的描述 具备很高的抽象性和慨述性，它是艨胧的，给人带来遐想的空间，但很不精确。 能够快速、较为准确的表现手法是平面方式，无论是各种各样的手绘图还是 电脑显示器上的图片，尽管它们在物理上是平的，但却可以较为准确的反映三维 空间的情况。比如一个杯子，我们可以用笔画出来或用照相机摄影，当我们看到 图画或是相片时，我们就可以了解这个杯子的形态。 值得一提的是，平面图在反映三维物体时有一个致命的缺陷。那就是一张平 面图只能反应一个角度下的可视效果。当我们看到一张照片时，可以想像到其它 相邻观察角度的效果，但这毕竟是不精确的比如，当我们得到一张新车的正斜 侧面照片时，我们就可以知道汽车的前脸、侧面、车顶这些必须在相邻拍摄角度 下才可以完全反映的车体部位的样子，而不用站在汽车的正面或从高处观察汽 车当然我们只是知道了这些部位的样子，并有了一定的感性认识，但具体是什 么样，比如说那些部位线条的精确走势、曲面的精确形状是什么样就不那么清楚 了，如果要弄清楚就必须多拍摄相应的角度，或对这张正斜侧面照片采用图形变 换方法，具体方法见下文至于车尾、车底的布局是什么样子那就完全不知道了。 所以说平面图是有缺陷的怎样弥补这种缺陷了? 方法很简单，采用或生成多张 不同视角的图当我们得到多张不同视角的图片时，就会对这个物体的形态有一 个更为清晰的认识 当然，要真正反应一个物体的形态必须采用三维手法。无论是实际的三维手 法，比如比例模型、三维打印机所“打印”的电脑数字模型或干脆采用实物；虚 拟的三维手法，比如采用计算机三维软件在显示器上进行旋转、缩放数字模型或 将数字模型做成动画，甚至采用虚拟现实的手段来观察三维数字模型等。这才是 最实在最精确、最具有说服力的方法，因为任何一个角度我们都可以观察到， 可谓釜底抽薪当然这种方法所要求的代价最高，尽管计算机虚拟可视化技术使 武汉理工大学硕士论文 得三维表现变的容易多了，但要完成一个复杂的、高精度的三维数字模型仍需要 大量的精力和时间，特别像汽车这样即具有艺术效果又要求工业精度的物体而 实物模型的制作，无论是全尺寸的油泥模型还是小比例的模型，其制作也是不容 易的。现在出现了三维打印机，允许将三维数字模型打印成实物模型，但这需要 建立三维数字模型 3 2 适用于汽车的表现手法 3 2 1 二维手法 表现手法有很多种，但适合象汽车这样具有艺术性工业性产品的表现方法并 不多，很多美术家所采用的表现手法并不适合汽车设计，比如油画、国画、雕板 画等。 现代的汽车一般由复杂多变、呈现艺术感的曲面组成，而且这些曲面不是 杂乱无章毫无规律的，而是具有曲面光顺效果，能够用数学语言加以描述的。 描述曲面的最简单最快捷的方法是轮廓线。一块曲面在三维软件中最常用的生 成方式是用曲线来生成，比如uv 线，引导线或轮廓线等。所以我们在欣赏汽 车设计师的概念草图时，往往看到几根主线条就勾勒出了一辆汽车的外形。线 描草图是造型设计中的第一个环节，它是最重要的，几根主线条就可以反映出 汽车的大外形、大的走势。工业设计中用的最多的就是线描草图。如图3 - 1 显 示的是奥迪某款车的线描草图。 图3 - 1 线描草图例子 线描草图可以在纸上用铅笔绘出，用橡皮修改也可以使用计算机平面绘 图软件结合数位笔来绘制，这些软件有各种各样的笔刷和图层工具，使得修改 和拼接变的非常方便。 使用纸和铅笔或是采用电脑软件完全取决于设计师的个人习惯，因为在这 个阶段，对设计的构思、对大轮廓的把握才是关键。 线描草图的绘制要求很高，是设计师的一项基本功。绘制者必须对所绘物 体的结构有比较准确的认识，也就是说在绘制者的大脑里有这么一个物体，其 次就是对透视关系的把握，线描草图不是机械视图中的轴测图或正交图，尽管 武汉理工大学硕士论文 轴测图或正交图由线条组成，但不具备透视关系，在现实生活中是不存在的。 透视关系是由人眼的观察习惯造成的，简单的说就是“远小近大”，比如在地 面看建筑物时就会发现楼顶要比楼底小。而线描草图就是要把所画的东西以人 眼观察的视角再现出来，而且根据上文介绍，要完整的反映一辆汽车需要多个 视角的图片，所以每画一次就要考虑一次透视关系。 线描草图尽管可以反映出一辆汽车的大轮廓，但在细节表现、曲面的 隆起和收缩上就有些力不从心了。打个比方，线描草图是物体的“骨”，光有 骨是不够的，还要把皮肉附上去。这种图就是色彩效果图，如下图。 图3 - 2 汽车的色彩效果图 有了线描草图，绘制色彩效果图就容易多了。它也可以在纸上或电脑上完 成，在纸上主要借助水彩、水粉或蜡笔。在电脑上可以用c r o a l d r a w 、p a i n t e r 或p h o t o s h o p 完成为什么要引入色彩? 一方面要反映对汽车色彩布局的设计， 现代的汽车有些是几种色彩交织在一起以达到某种设计效果；另一方面就是反 映曲面的细微变化，当光线照射到一块曲面上时，如果这个曲面是光滑的( 比 如车漆表面) ，曲面上就会呈现出高光特性，看上去有的部位亮、有的部位暗， 部位的亮与暗取决于光线的照射角度、观察者的角度以及曲面自身的凸凹。在 同样的光线照射条件和观察角度下，凸的面和凹的面所呈现出的亮暗不同。所 以说不管所设计的车是单色漆还是多色漆，绘制色彩效果图很有必要，它比较 完整的反映了汽车的全貌 3 2 2 三维手法 如果要更加详细的反映所设计的汽车，就必须采用三维手法。显然，对设 计而言，采用虚拟的三维手段比采用实物的三维手段要更为快捷。对三维模型 的建模来说，一般都需要建立三维轮廓线来生成曲面，当然有的软件不需要三 维线条就可以生成三维实体，比如3 d sm s x 中的多边形建模和变形球等，z b r u s h 中的三维刻刀，但这种建模方法往往用于制作生物或是自然景观，有很大的随 意性和不规则性，比较适合美术家，对汽车这样的工业产品来说就不是很适合。 9 武汉理工大学硕士论文 像r h i n o 这样专业的工业造型软件在完成造型时都要绘制生成曲面的空间曲 线，下图是笔者用3 d s m a x 生成的三维空闻线条： 图3 3 三维软件中的空间曲线 三维空间线条虽然不是三维面体，它仅仅只是空间曲线，但可以直接或间 接的用来建立面体，例如在r h i n o 中直接使用曲线成面命令就可以生成曲面， 在3 d s m a x 中使用s u r f a c e 编辑器修改封闭的空间曲线就可以建立曲面。打个 比方，三维线条就相当于二维线描草图，三维曲面模型就相当于色彩效果图， 两者的关系也是“骨”与“肉”的关系，只不过由二维空间放人到三维空间。 当空间曲线满足设计要求后，就可以进行三维曲面建模了，也就是把汽车 的曲面模型建立出来( 不包括材质) ，如果只是外形设计而不考虑内饰或动力 的话，就可以只做一个壳子图3 - 4 是笔者采用图3 - 3 展示的空间曲线所建立 出来的三维曲面模型 图3 - 4 完成的汽车模型 如果要更好的反映汽车的形貌，就必须赋予相应的材质并完成灯光设置， 使设计出来的汽车处于一个虚拟的环境中，然后摆好摄像机，就可以进行照片 1 0 慧蕊瓷j。 器遂、矿，j| 意攀j。_、 ：、。一 麓k 一 ，! 蘑、 武汉理工大学硕士论文 级的渲染了。当然，材质、灯光、渲染的设定是非常复杂的，因为现实生活中 的材质有不同的反射、折射、高光、自发光属性，特别像车漆、玻璃这样复杂 的材质，现实中的光线照射到物体上后要进行多次反射，而且光线在传播中会 衰减。现在随着计算机渲染技术的进步，出现了各式各样的渲染器，高质量的 渲染图完全可以以假乱真，和现实中所拍摄的照片没什么区别。下图是笔者渲 染的汽车效果图。 图3 - 5 高质量渲染的汽车效果图 再完成汽车的建模、材质和灯光后，如果需要，就可以考虑制作动画。计 算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物，它是伴随着计算机硬件和图形 算法高速发展起来的- 1 7 高新技术，它综合利用计算机科学、艺术、数学、物 理学和其它相关学科的知识在计算机上生成绚丽多彩的连续的虚拟真实画面。 简单地讲，计算机动画是指用绘制程序生成系列的景物画面，其中当前帧画 面是对前一帧硒面的部分修改目前适合于汽车的动硬技术有关键帧动画、过 程动画、基于物理的动画等 也可以把三维数字模型转换成s t l 格式用于三维打印机打印以生成比例模 型。这就是目前兴起的三维成型技术。快速成形技术( 简称r p ) 是由c a d 模型 直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，其基本过程是： 首先设计出所需零件的计算机三维模型，然后根据工艺要求，按照一定的规律 将该模型离散为一系列有序的单元，通常在z 向将其按一定厚度进行离散( 习 惯称为分层) ，把原来的三维c a d 模型变成一系列的层片；再根据每个层片的 轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形系统成形一系列层 片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。快速成型技术与传统材料 加工技术相比，具有如下鲜明的特点： 1 数字化制造。 武汉理工大学硕士论文 2 高度柔性和适应性。可以制造任意复杂形状的零件。 3 直接c a d 模型驱动。如同使用打印机一样方便快捷。 4 快速。从c a d 设计到原型( 或零件) 加工完毕，只需几十分钟至几十小时。 5 材料类型丰富多样，包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料( a b s 等) 、陶 瓷粉、金属粉、砂等，可以在汽车、航空、机械、家电、建筑、医疗等各个领 域应用。工作原理如下图： 曩职j 区鞋，厨l 机j 阻 图3 - 6 快速成型技术的原理 一般的三维软件都支持快速成型技术，也就是说可以把c a d 模型导出为三 维打印机所需要的s t l 格式文件。 总之，汽车的表现方法如下： 平面图形类：线描草图、色彩效果图 三维手法类：1 ) 三维软件中的线条、三维数字模型 2 ) 由三维数字模型所派生出的三维动画、虚拟现实、三 维打印机实物等 3 ) 比例模型、实物 现以法国雷诺公司所设计生产的f l u e n c e 概念车为例，针对这辆汽车有不同 的表现手法，各种不同的表现手法适合不同的阶段，最后才是实车 一；l j 刍 一 群 三三| )百巍 目叫莺一 蔼量= 捕攀 武汉理工大学硕士论文 图3 - 7 不同的造型表现手法 3 3 虚拟仿真技术简介 我们知道，在过去的汽车设计中往往要制作油泥模型，那么做出的油泥模型 不仅仅只是拿来看，还可以用来检验风阻系数以及完成其它工程方面的实验。 计算机生成的三维模型不仅仅只是用来观察它的外形，还有适用于工程的仿 真和模拟的作用。具体来说包括工程设计方面( c a e ) 的曲面光顺性评价、有限 元分析、风阻系数模拟、虚拟碰撞实验、人机工程学、底盘结构、虚拟现实以及 工艺方面( c a m ) 的虚拟模具、虚拟制造等。下面介绍一下比较热门的虚拟现实和 虚拟制造。 虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、入机接口技术、多媒体技术 以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，对该技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代。直到9 0 年代初，虚拟现实技术才开始作为一门较完整的体系而受到人们 极大的关注。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作 与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实 在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能 意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实 际上难以实现的或根本无法实现的面“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此， 虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自 武汉理工大学硕士论文 己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即入是这种环 境的主宰。我们可以设想，如果制作出来的三维汽车可以让我们在虚拟现实的环 境中触摸、体验甚至驾驶，那将是设计上的一大进步。虽然目前的技术还远没到 这个程度，但这是目前计算机技术上的一个热点。 虚拟制造( v m ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 是一个处于发展中的新概念。目 前比较通行的说法是：虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现，即采用计算 机建模与仿真技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同 工作，通过三维模型及动画或虚拟现实，实现产品的设计、工艺规划、加工制造， 性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程， 以增强制造过程各级的决策与控制能力。尽管虚拟制造技术出现只有短短的几年 时间，但它已在汽车业界得到广泛的重视，而且其革命性的影响也很快地显示了 出来。虚拟制造技术已被公认为未来汽车设计、开发的必然趋势。虚拟制造强调 在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析， 以保证制造实施的可行性 3 4 当前软件对比 现在随着计算机软硬件技术的发展，传统的手工绘图( 草图、素描、水彩或 水粉效果图) 都可以在计算机上借助相应的平面软件完成，丽手工制作各类模型 可以借助相应的三维软件完成，甚至工程上的各个实验都可以在电脑上完成。软 件是传统工作的延续，使得以前很多难以实现的工作得以完成，设计完全可以做 到无纸化下文将详细介绍、比较当前流行的主流软件。 3 4 1 平面软件 平面软件用于制作线描草图和色彩效果图，目前常用的平面软件有a d o b e 公 司的p a i n t e r 、p h o t o s h o p 等，p a i n t e r 是非常出色的仿自然绘画软件，它提供 了前所未有的丰富笔刷和材质，非常适合绘制线描草图，全球很多设计公司、游 戏公司在进行原画设定时都使用的是p a i n t e r ，目前最高版本是p a i n t e r8 ，经 过数代的发展在功能上已经很完善了。下图是采用p a i n t e r 软件所绘制的座椅概 念草图。 1 4 武汉理工大学颈士论文 图3 8p a i n t e r 绘制的设计草图 对于色彩效果图，也可以继续使用p a i n t e r ，或是用p h o t o s h o p 来进行效果绘 制，这里推荐使用p h o t o s h o p ，因为色彩效果图的绘制实际上是一种图片效果处 理过程，p h o t o s h o p 不擅长原画但特别适合图片处理。很多广告公司、效果图制 作公司使用的都是p h o t o s h o p 。p h o t o s h o p 凭借其图层、滤镜等一系列功能可以 非常自由的处理图片。p a i n t e r 和p h o t o s h o p 的兼容性比较好，两个软件的文件 互导时可以保留图层。如果线描草图是用纸和笔完成的，可以用扫描仪扫描成 t if 文件格式到p h o t o s h o p 中处理。下图是笔者用p h o t o s h o p 软件绘制的汽车效 果图。 图3 - 9p h o t o s h o p 绘制的色彩效果图 综上所述，线描草图适合用p a i n t e r 完成，色彩效果图适合用p h o t o s h o p 完 成，当然线描草图和色彩效果图完全使用p a i n t e r 来做也是非常不错的选择。 3 4 2 三维软件 市面上现有的三维软件很多，上文介绍，三维数字模型一方面可以用来展示 设计产品的外观，另一方面它还可以用在工程仿真上。所以三维软件也分成了两 大类：艺术类和工程类，两类软件所使用的主要算法截然不同。 见下表： l 软件l 代表软件算法l 特点 l 一一 i 一1 i 武汉理工大学硕士论文 艺术类 3 d s m a x 、m a y a 、l i g h t w a v e 、p o l y g o n ( 多 建模效率相当高，自由性随 c i n e m 4 d 、s i l o 、z b r u s h 边形算法)意性强，便于修改，曲面的 面数少运算快，适合渲染和 动画；曲面质量差，适合于 效果演示不适合工程运用 工程类r h i n o 、u g n x 、c a t i a 、p r o en u r b s ( 非均建模效率低，随意性差，修 匀有理b 样改不方便，曲面丽数高运算 条) 慢，曲面严谨质量高，适合 于工程运用和仿真 下面介绍其中的代表软件。 3 d s m a x ： 下一章将详细介绍。 m a y a ：m a y a 是a 1 i a s 与w a v e f r o n t 于1 9 9 8 年6 月对p c 用户推出的三维动画 软件，m a y a 与其它的三维软件有明显的区别，首先，m a y a 继承了a 1 i as 所有的 工作站级优秀软件的特性，灵活、快捷、准确、专业、可扩展、可调性；同时， m a y a 独一无二的工作界面使操作更直观，利用了窗口的所有空间并将其发挥到 极至，快捷键的合理组合使动画制作事半功倍m a y a 不仅有类似于3 ds t u d i om a x 等p c 三维软件的普通建模功能，同时更具备了其它软件少有的n u r b s 建模功这 样m a y a 具备了高级建模的能力m a y a 在灯光、摄像机、材质等方面的表现也不 俗，摄像机的功能和参数更加专业，如镜头、焦距、景深等特殊功能是其他软件 不具备的 z b r u s h ：z b r u s h 是由p i x o l o g 沁公司开发的面向人物的新一代绘画和造型软 件它独特的2 d 和3 d 功能的组合，为艺术家们开创了一个极其自由的创作空间。 它的建模方式是革命性的，缩小了电脑操作和艺术创作之间的距离，能够更加快 速而直接地表达创作者的思维z b r u s h 有点类似于传统工艺中的泥塑，只不过不 是用手和刻刀，而是用鼠标和压感笔( 数字化仪) 对电脑中的数字模型进行雕刻。 基本工作流程是：用一种称为z 球( z s p h e r e s ) 的独特球体堆砌模型的大