吳浩聰，宋 健，姚亞鳳

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 引言

伴隨著汽車市場產(chǎn)品競爭日趨激烈，車企對車型開發(fā)與更新?lián)Q代的需求也隨之增多，開發(fā)周期不斷緊縮。同時在智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化、共享化趨勢下，汽車造型設(shè)計不斷嘗試以新的設(shè)計形式與方法尋求創(chuàng)新與突破。數(shù)字化設(shè)計作為造型設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，面對新一輪大發(fā)展、大變革的時代，時刻保持技術(shù)的先進(jìn)性，提高自身效率變得尤為重要。Subdivision建模（以下簡稱Subd建模）作為一種新的技術(shù)與方法，結(jié)合了傳統(tǒng)Nurbs建模與Polygon建模的優(yōu)勢，在動畫、影視等領(lǐng)域有比較廣泛的運(yùn)用，目前在汽車造型設(shè)計領(lǐng)域還處在摸索階段，尚未形成統(tǒng)一的方法。

2 Subdivision建模概述

Subd建模是以多邊形網(wǎng)格為基礎(chǔ)，用細(xì)分曲面模擬三維模型，通過獨(dú)特算法得到整體光滑曲面的建模方法。目前在CAD設(shè)計軟件中應(yīng)用比較廣泛的幾何建模方法為Nurbs曲面建模、Polygon多邊形建模和Subdivision細(xì)分曲面建模，三者間的概念對比見表1。Nurbs曲面建模即非均勻有理B樣條線，采用曲線及曲面表達(dá)幾何模型，通過控制點(diǎn)來控制曲線曲面形狀，是目前汽車造型領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的建模方式。Polygon建模是使用大量多邊形平面來擬合任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)幾何模型的建模方法；Subd建模采用多邊形建模的算法，并綜合了Nurbs曲面建模的優(yōu)點(diǎn)，通過初始控制網(wǎng)格和細(xì)分規(guī)則，避免了傳統(tǒng)參數(shù)建模在構(gòu)造復(fù)雜自由曲面模型時由于裁剪拼接引入的幾何誤差，同時又具有多邊形建模所不具備的較高的曲面質(zhì)量，這些優(yōu)勢使細(xì)分曲面建模方法逐漸受到用戶的重視。

表1 三種建模方式對比

3DMax、Maya等三維設(shè)計軟件都有專門的細(xì)分曲面造型模塊，汽車造型設(shè)計主流建模軟件Alias，在其2020版本中也新增了Subdivision板塊，打造了一套Alias、Subd建?；旌瞎ぷ髁?，使得Alias也具有了細(xì)分曲面建模功能。

3 Subdivision在汽車造型數(shù)字化設(shè)計中應(yīng)用的可行性與優(yōu)勢分析

汽車造型設(shè)計作為形式與功能結(jié)合的載體，既具有藝術(shù)美感又兼具嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)限制，涵蓋了造型語義、型面特征等眾多復(fù)雜信息，設(shè)計流程較為復(fù)雜，設(shè)計分工非常細(xì)致。在整個開發(fā)流程中造型方案一般要經(jīng)歷多輪評審，這就要求造型設(shè)計不斷優(yōu)化流程，使用快捷高效的手段進(jìn)行評審與展示推進(jìn)設(shè)計，而探究 Subd 建模在汽車造型數(shù)字化設(shè)計中應(yīng)用的可行性是其首要條件。

3.1 汽車造型數(shù)字化設(shè)計一般流程與瓶頸

在傳統(tǒng)造型開發(fā)流程中，數(shù)字化設(shè)計作為中間環(huán)節(jié)承接二維與工程，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計已經(jīng)貫穿到造型開發(fā)的各個階段，推動設(shè)計的進(jìn)程。汽車開發(fā)中數(shù)字化設(shè)計的傳統(tǒng)流程與目前流程對比如圖1所示。在產(chǎn)品立項階段進(jìn)行車型定位，數(shù)字化設(shè)計會根據(jù)項目策劃及工程輸入的Package制作基礎(chǔ)比例模型進(jìn)行項目評審。造型開發(fā)中，概念設(shè)計階段根據(jù)設(shè)計任務(wù)確定造型風(fēng)格，明確造型特征，數(shù)字化設(shè)計團(tuán)隊會根據(jù)造型設(shè)計團(tuán)隊的二維草圖及總布置圖構(gòu)建比例模型，為創(chuàng)意團(tuán)隊進(jìn)行造型設(shè)計的推敲提供基礎(chǔ)，同時也為工程部門的早期介入提供數(shù)據(jù)支持。設(shè)計方案確定后根據(jù)進(jìn)一步設(shè)計方案的細(xì)化及工程輸入進(jìn)行方案數(shù)字模型的制作，依靠建模軟件構(gòu)建細(xì)節(jié)模型，逐步解決各種造型可行性問題。造型數(shù)據(jù)完成后交接給油泥模型團(tuán)隊進(jìn)行實(shí)體模型制作評審，最后造型模型確認(rèn)后輸出到工程部門進(jìn)行驗(yàn)證與開發(fā)。

圖1 汽車造型設(shè)計流程

在整個開發(fā)流程中，數(shù)字化設(shè)計在不同的階段扮演不同的角色，職能區(qū)間不斷迭代，設(shè)計任務(wù)不斷延伸。目前在汽車造型數(shù)字化設(shè)計中主流的三維建模方式為Nurbs曲面建模，由于其能夠提供較為平滑的曲面而得到廣泛推崇，但在操作方式與算法處理上受制于工具本身的局限不能做到高效快速。尤其在進(jìn)行前期項目立項、造型多方案推敲時，Nurbs曲面的繁瑣性會使建模效率大打折扣。數(shù)字化設(shè)計師在二維轉(zhuǎn)三維過程中，必然會遇到造型還原度偏離的難題，在解決這一難題的過程中，數(shù)據(jù)工作常常反復(fù)，Nurbs曲面在模型修改上會耗費(fèi)較多時間。

另一方面隨著消費(fèi)者生活水平與審美的提升，造型設(shè)計開發(fā)逐漸演變?yōu)橐韵M(fèi)者需求為導(dǎo)向，產(chǎn)品形態(tài)已經(jīng)從以功能至上的簡約設(shè)計不斷向多元化甚至復(fù)雜化發(fā)展。傳統(tǒng)的Nurbs建模方式在應(yīng)對新的造型趨勢上顯得力不從心，在復(fù)雜造型表達(dá)上不具備優(yōu)勢。這些都是汽車造型設(shè)計中遇到的瓶頸，限制了造型開發(fā)的效率與方案的多樣性。

3.2 Subdivision建模的優(yōu)勢

Subd建模除了提供一套綜合多邊形建模易用性與Nurbs曲面精確光滑性的建模方式之外，還提供了一些與傳統(tǒng)Nurbs工作流程結(jié)合的解決方案，本文主要以汽車造型主流建模工具 Alias 中的Subdivision模塊為例，探討其在汽車造型設(shè)計開發(fā)流程中的優(yōu)勢。

（1）操作簡捷性

以 Alias 中的Subdivision為代表的細(xì)分曲面軟件操作命令簡單，通過簡單的拉伸、橋接、邊插入等工具就可以實(shí)現(xiàn)模型的搭建，極易上手，對于不具備建?；A(chǔ)的設(shè)計師也不存在較高的門檻。軟件具體的操作命令如圖2所示。

圖2 Alias中Subdivision工具命令欄

（2）靈活高效性

使用者可以快速制作粗略的多邊形形式，在操作中直接通過用編輯控制點(diǎn)的方式修改模型，像多邊形曲面一樣任意拓?fù)?，不像Nurbs一樣必須要四邊形。同時Subd建模數(shù)據(jù)狀態(tài)具有整體一致性，在修改過程中不必?fù)?dān)心縫合和連續(xù)性，極大地提高了建模效率。

（3）精度可調(diào)性

Subd建模作為Polygon建?；A(chǔ)上衍生出的建模方法，不僅繼承了Polygon建模的操作簡單、靈活便捷，同時又兼具Nurbs建模曲面光滑連續(xù)的特點(diǎn)。Subd建?？梢灾辉谛枰?xì)節(jié)的部位執(zhí)行細(xì)分操作，增加點(diǎn)、線的排布來表達(dá)復(fù)雜形態(tài)，通過調(diào)整控制點(diǎn)提高曲面質(zhì)量。

（4）結(jié)構(gòu)精簡性

通過Subd建模輸出的數(shù)據(jù)，一個零部件成整組狀態(tài)，可以減少曲面的丟失，在可視化數(shù)據(jù)制作階段，節(jié)約了樹結(jié)構(gòu)的整理時間。同時由Subd建立的復(fù)雜曲面，結(jié)構(gòu)簡單，可以更好地表示UV方向，方便在可視化里實(shí)現(xiàn)貼圖等操作，其數(shù)據(jù)所占內(nèi)存較小，能夠保證展示流暢性。

3.3 Subdivision建模的局限性

Subd建模雖然整合了Polygon與Nurbs的優(yōu)勢，在前期開發(fā)中更加靈活高效，但在整個汽車造型設(shè)計流程應(yīng)用中還存在一定的局限性。首先受限于其建模方式及現(xiàn)有工具的不完善，在與上下游部門數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性上仍具有不足之處。其次要達(dá)到較高要求的光順平滑的曲面質(zhì)量，Subd建模也需要花費(fèi)一定時間進(jìn)行調(diào)試。

4 Subdivision在汽車造型數(shù)字化設(shè)計中的應(yīng)用策略與方法

Subd建模采用類似于多邊形建模的方式與模型進(jìn)行交互，在設(shè)計過程中應(yīng)用具有較大的靈活性，伴隨著數(shù)字化設(shè)計已經(jīng)貫穿到整個汽車造型設(shè)計流程，Subd建?？梢愿鶕?jù)需要有機(jī)的結(jié)合到汽車設(shè)計的不同階段，有效推進(jìn)設(shè)計進(jìn)程。目前Subd建模的應(yīng)用在造型開發(fā)中前期階段具有明顯的優(yōu)勢，筆者主要將其應(yīng)用方法集中在造型數(shù)字化設(shè)計的立項、概念設(shè)計與方案模型制作階段。

4.1 促進(jìn)產(chǎn)品立項

在產(chǎn)品立項階段，因?yàn)轫椖康牟淮_定性，不可能投入過多的物力和人力，需要控制時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。數(shù)字化設(shè)計師首先根據(jù)工程輸入的Package，利用Subd建模中Box、Plan、Extrude工具快速建立產(chǎn)品的比例模型。通過細(xì)分曲面、移動控制點(diǎn)工具，取得不同軸距、前懸、后懸、車高、車寬等多個方案，并進(jìn)行市場調(diào)研，細(xì)分市場定位。工程師根據(jù)基礎(chǔ)模型，進(jìn)行初步分析，優(yōu)化總布置圖，落實(shí)各空間系統(tǒng)的關(guān)鍵位置，并選出最優(yōu)方案參與評審展示，讓決策層能夠直觀感受車身比例，確定車型尺寸。

4.2 輔助概念生成

在概念設(shè)計前期階段，其主要任務(wù)是創(chuàng)意的生成與發(fā)散，這個階段主要是在二維平面中實(shí)現(xiàn)的。Subdivision工具簡單易于操作的特性能極大地發(fā)揮數(shù)字化設(shè)計在概念設(shè)計階段的作用。首先設(shè)計師通過Subd多邊形任意拓?fù)?，建立粗略的基礎(chǔ)模型，轉(zhuǎn)換為Smooth順滑模式在三維空間中多角度觀察，通過移動控制點(diǎn)，在不斷的調(diào)試下感知其體量關(guān)系，確定合適的比例姿態(tài)。如圖3所示，在得到滿意的基礎(chǔ)形后，再進(jìn)行特征的深化。設(shè)計師可以一邊在二維中進(jìn)行方案推敲，一邊在三維中隨意拉動控制點(diǎn)調(diào)節(jié)形態(tài)，并通過Crease、Weld等工具進(jìn)行棱線等簡單特征的制作。概念生成由二維為主轉(zhuǎn)變?yōu)槎S和三維不斷交互的過程，在概念設(shè)計前期階段就及時驗(yàn)證方案在三維空間中的形態(tài)及空間關(guān)系，增加了造型創(chuàng)意立體化實(shí)現(xiàn)的可能性，有助于消除傳統(tǒng)設(shè)計中二維轉(zhuǎn)三維造成的設(shè)計偏差，這是一個平面與空間相結(jié)合的造型構(gòu)想過程，克服了純粹二維平面造型推敲的局限性與束縛。Subd建模的靈活高效性使得概念設(shè)計在三維空間中進(jìn)行快速推敲變成了可能，這是在傳統(tǒng)Nurbs建模中所不具備的。

圖3 基礎(chǔ)比例模型

4.3 完成3D方案模型

二維創(chuàng)意階段確認(rèn)后，一般會選擇3到4個效果圖進(jìn)行三維方案模型制作，通過提前在概念設(shè)計前期階段引入3D 模型進(jìn)行方案推敲，對后續(xù)構(gòu)建3D Proposal Model，還原造型意愿提供了很大的支持和保障。Subd建?？梢愿鶕?jù)效果圖及前期推敲模型快速搭建多個方案，通過Inset Edge增加循環(huán)邊，Cut工具進(jìn)行曲面細(xì)分，構(gòu)建整車低細(xì)分模型進(jìn)行三維評審，如圖4所示。Subd建模的應(yīng)用能增加設(shè)計方案在3D方案模型的多樣性，為方案的選擇提供更多的可能。

圖4 低細(xì)分曲面模型

方案模型確定后，后續(xù)在3D Proposal Model的基礎(chǔ)上不斷細(xì)分，調(diào)節(jié)控制點(diǎn)及布線方式進(jìn)行曲面質(zhì)量、高光的優(yōu)化，在Subd細(xì)分模型上通過Unweld、Uncrease等工具進(jìn)行分縫與分件操作，向細(xì)分主體添加高質(zhì)量的曲面造型細(xì)節(jié)（例如修剪、圓角），實(shí)現(xiàn)高度細(xì)分模型，如圖5所示，達(dá)到能夠用于可視化展示的Detail Model。這個過程由于Subd建模本身的局限性需要花費(fèi)較多時間。

圖5 高細(xì)分曲面模型

5 結(jié)束語

雖然目前汽車開發(fā)流程已經(jīng)成熟和穩(wěn)定，但Subdivision其操作簡單，靈活高效的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了Nubs曲面建模的局限性，為造型設(shè)計概念生成提供了強(qiáng)有力的依托，為創(chuàng)意落地提供更加便捷的途徑。這些優(yōu)勢有效地應(yīng)對了汽車造型數(shù)字化設(shè)計所遇到的瓶頸，對優(yōu)化汽車造型流程、提高開發(fā)效率提出了新的解決方案。當(dāng)然Subd建模在與下游工程數(shù)據(jù)對接中還存在一定的不足，也是其今后需要改進(jìn)的方向。

汽車造型設(shè)計是一個龐大的范疇，它包括了外飾整體造型、內(nèi)飾設(shè)計以及零部件設(shè)計，針對每一個具體項目、具體位置、具體階段，合理靈活地利用Subd建模工具，才能最大程度上發(fā)揮出其在汽車造型數(shù)字化設(shè)計中的創(chuàng)造性。