基于三維重構(gòu)的車(chē)身曲面設(shè)計(jì)方法研究

李 和LI He

（襄樊學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，襄樊 441053）

0 引言

汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)工作量大且復(fù)雜，周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中集合了當(dāng)今各類(lèi)高新技術(shù)。現(xiàn)代車(chē)身造型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，如何將概念設(shè)計(jì)階段的二維效果圖迅速轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的三維數(shù)字模型，是車(chē)身造型設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵技術(shù)。三維數(shù)?？蓽?zhǔn)確反映設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖，且能更好的展示車(chē)身的外部造型和效果，便于使生產(chǎn)商快速做出決策。同時(shí)車(chē)身設(shè)計(jì)采用三維建模技術(shù)可縮短車(chē)身的開(kāi)發(fā)周期時(shí)間，適應(yīng)車(chē)身個(gè)性化設(shè)計(jì)需求，便于開(kāi)展后期的產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)。

1 CAS技術(shù)在車(chē)身曲面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在新車(chē)設(shè)計(jì)和換型設(shè)計(jì)中，底盤(pán)和發(fā)動(dòng)機(jī)等可加以改進(jìn)，而車(chē)身須重新設(shè)計(jì)。汽車(chē)產(chǎn)品的更新很大程度上取決于車(chē)身設(shè)計(jì)，可以說(shuō)整車(chē)生產(chǎn)能力的發(fā)展取決于車(chē)身的生產(chǎn)能力，因此世界各汽車(chē)廠家都致力于增強(qiáng)車(chē)身設(shè)計(jì)隊(duì)伍力量，努力改進(jìn)車(chē)身的設(shè)計(jì)方法。

在進(jìn)行汽車(chē)車(chē)身曲面設(shè)計(jì)時(shí)，由于車(chē)身曲面外形的高度復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員很難用二維圖紙來(lái)清晰地表達(dá)和反映曲面的形狀。車(chē)身外形曲面為CLASS A曲面，光順質(zhì)量要求較高。在保證車(chē)身外觀設(shè)計(jì)美觀的前提下，要達(dá)到車(chē)身表面曲面光順、各曲面連接過(guò)渡處也必須達(dá)到平滑、過(guò)渡光順要求，同時(shí)車(chē)身必須滿足空氣動(dòng)力學(xué)要求，最大程度減少空氣阻力。

伴隨著計(jì)算機(jī)輔助造型(CAS)技術(shù)成熟和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外車(chē)身設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的方法早已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。目前車(chē)身設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)草圖生成到三維建模、修改、三維渲染，以及車(chē)身曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)等都在計(jì)算機(jī)上完成。在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)注重對(duì)先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的消化和吸收，努力進(jìn)行自主的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，根據(jù)二維信息重建的三維數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)方法也正在使用和研究中。雖然三維建模軟件在目前得到大范圍的使用，但二維工程圖紙?jiān)诠こ淘O(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用仍然很廣泛，以前的車(chē)身設(shè)計(jì)使用的就是二維設(shè)計(jì)圖紙，為了提高車(chē)身設(shè)計(jì)進(jìn)度，縮短設(shè)計(jì)周期，新型車(chē)的車(chē)身的設(shè)計(jì)或者換型設(shè)計(jì)可在以前的設(shè)計(jì)資料圖紙做修改，也可基于二維圖形重建三維形體，如基于原有車(chē)身產(chǎn)品圖片資料和工程圖紙，使用相關(guān)建模軟件對(duì)車(chē)身三維模型進(jìn)行重構(gòu)。

2 車(chē)身復(fù)雜曲面重構(gòu)思想

重構(gòu)三維模型就是從二維圖形中提取三維信息，通過(guò)信息的分析、處理，重新構(gòu)造出對(duì)應(yīng)于二維信息的三維形體，實(shí)現(xiàn)三維形體的重建[1]。

基于圖像技術(shù)三維重建理論的車(chē)身曲面重構(gòu)，常應(yīng)用于車(chē)身的自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和改型設(shè)計(jì)中[2]。車(chē)身曲面重構(gòu)是基于工業(yè)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)效果圖或工程圖紙進(jìn)行分析，掌握車(chē)身曲面的構(gòu)成機(jī)理。分析之后，從建立好的車(chē)身外形圖三面投影體系上選取車(chē)身特征輪廓線，獲取其特征數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)所獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)采用逼近、擬合等方式生成車(chē)身曲線（如圖1所示）。利用特征輪廓線生成的曲線構(gòu)造車(chē)身曲面，然后重構(gòu)汽車(chē)外形的三維數(shù)模。

針對(duì)車(chē)身外形曲面的構(gòu)造，即便是新型車(chē)身造型也可參考以前的車(chē)身設(shè)計(jì)資料，以縮短設(shè)計(jì)周期。車(chē)身主模型數(shù)模重建參照車(chē)身工程圖，利用三維建模軟件可精確、快速地重構(gòu)車(chē)身復(fù)雜曲面，實(shí)現(xiàn)車(chē)身設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

3 車(chē)身曲面重構(gòu)技術(shù)

圖像處理技術(shù)在車(chē)身曲面三維重構(gòu)中的使用，即對(duì)已有的二維圖片、效果圖或者工程圖資料等進(jìn)行圖像信息處理和圖像邊緣檢測(cè)，獲得圖像的邊緣輪廓后，再根據(jù)投影基本定律求出圖像輪廓的三維坐標(biāo)值，根據(jù)Shape from shading技術(shù)反求坐標(biāo)值，即模式識(shí)別和圖像處理中用于從單幅圖像中恢復(fù)三維場(chǎng)景的技術(shù)來(lái)獲得，最后依據(jù)所求的圖像輪廓的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)在三維建模軟件平臺(tái)上重建汽車(chē)外型的三維模型[2]。

基于數(shù)字模型設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，參數(shù)化和交互性能強(qiáng)大，可滿足產(chǎn)品不同設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)要求，便于根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行修改和設(shè)計(jì)變更。特別是針對(duì)車(chē)身外形曲面設(shè)計(jì)，車(chē)身曲面三維重構(gòu)時(shí)利用車(chē)身曲面控制點(diǎn)可方便、快捷、準(zhǔn)確地對(duì)車(chē)身曲面形狀進(jìn)行造型和控制。參數(shù)化設(shè)計(jì)的引入便于曲面模型的設(shè)計(jì)變更和修改，使車(chē)身曲面具有良好的編輯性。

3.1 車(chē)身外形圖坐標(biāo)系的定位

使用相關(guān)建模軟件，例如使用Pro/Engineer軟件，可利用此軟件中的造型功能模塊調(diào)入車(chē)身外形二維圖形。首先進(jìn)入造型設(shè)計(jì)中的跟蹤草繪，確定界面視角，輸入對(duì)應(yīng)的視圖方向的二維圖形文件，可通過(guò)屬性中的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放等選項(xiàng)，準(zhǔn)確確定車(chē)身數(shù)模原點(diǎn)以及車(chē)身的真實(shí)尺寸，使車(chē)身模型圖片按1∶1的實(shí)際比例在軟件中顯示。也可使用鼠標(biāo)在顯示窗口中先進(jìn)行大概的位置、大小、方向等的調(diào)整后，在進(jìn)行微調(diào)。

3.2 車(chē)身外形圖三面投影體系的建立

Pro/E是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)推出的CAD/CAM/CAE一體化的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造和分析軟件， Pro/E在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。

Pro/E采用的是ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，視圖的三面投影體系采用的是第三角投影，而我國(guó)視圖投影體系采用的第一角投影，所以在插入二維圖片資料和建模時(shí)要注意，可在軟件中設(shè)置好投影體系采用第一角投影。車(chē)身外形圖三面投影體系的建立步驟如下：

1）啟動(dòng)Pro/E之后，選擇“新建”命令，再選擇“零件”命令，啟動(dòng)零件設(shè)計(jì)模塊 ；

2）再選擇“造型”命令，啟動(dòng)造型模塊；

3）在造型模塊中選擇“跟蹤草圖”命令，在跟蹤草圖對(duì)話框中選擇界面視角，輸入圖片資料圖文件；

4）確定車(chē)身數(shù)模原點(diǎn)，編輯圖片尺寸、角度、位置，使車(chē)身模型圖片按1：1的實(shí)際比例在Pro/E軟件中顯示；

5）調(diào)整視角，重復(fù)3）和4）的步驟，調(diào)入的車(chē)身其他兩個(gè)視圖方向的二維圖片資料，可得到如圖1所示的車(chē)身在前視圖、左視圖和俯視圖三個(gè)視圖方向中的外形草圖，以此作為車(chē)身曲面重構(gòu)的基礎(chǔ)資料和依據(jù)。

圖1 3D視圖中的車(chē)身效果圖

3.3 車(chē)身外形曲線和曲面重建

車(chē)身曲面表面質(zhì)量與其控制曲線有著密切的關(guān)系，為確保車(chē)身曲面光滑、流暢、美觀的美學(xué)要求的同時(shí)，也要考慮到車(chē)身的空氣動(dòng)力性能好，風(fēng)阻小，生成車(chē)身曲面的控制曲線必須光順。同時(shí)生成正確的空間曲線是獲得曲面邊界、生成曲面的基礎(chǔ)，也是車(chē)身外表面幾何造型的關(guān)鍵[1]。在車(chē)身曲面造型中，效率較高構(gòu)造方式是直接通過(guò)點(diǎn)生成曲面，但是這種構(gòu)造方式不便修改編輯。而另一種車(chē)身曲面構(gòu)造方式是通過(guò)汽車(chē)車(chē)身截面線來(lái)構(gòu)造車(chē)身曲面，這種由曲線掃描方式構(gòu)造的曲面的方法比較復(fù)雜，但方便修改編輯，改變曲面的形狀只需通過(guò)修改曲線形狀就可以比較容易達(dá)到修改目的，常用于曲面局部的修正。

車(chē)身曲面是復(fù)雜的空間曲面，車(chē)身曲面造型時(shí)依據(jù)參數(shù)化造型方法，結(jié)合車(chē)身的外形，采用車(chē)身曲面分塊建模法。把車(chē)身曲面劃分為多個(gè)比容易處理的曲面塊，對(duì)各部分表面采取分塊造型，構(gòu)造時(shí)各分塊曲面應(yīng)參照同一坐標(biāo)系進(jìn)行造型，再裝配到一起。裝配時(shí)先進(jìn)行車(chē)身各部分曲線的縫合，再根據(jù)實(shí)際光滑性要求對(duì)這些曲面塊進(jìn)行拼接和縫合，或使用過(guò)渡面將其連結(jié)。曲面連接處質(zhì)量要求較高的，如需連接處達(dá)到二階連續(xù)，則針對(duì)這某些特定區(qū)域進(jìn)行光順處理，使車(chē)身曲面的內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到要求，使曲面之間的連續(xù)過(guò)渡自然，符合設(shè)計(jì)意圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

車(chē)身的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程，直接決定著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可有效提高車(chē)身設(shè)計(jì)精度，縮短開(kāi)發(fā)周期。本文基于將二維信息轉(zhuǎn)化為三位數(shù)模的重構(gòu)思想，針對(duì)三維建模軟件的曲面造型技術(shù)在汽車(chē)車(chē)身曲面三維數(shù)模重建的應(yīng)用進(jìn)行了討論，針對(duì)這種應(yīng)用技術(shù)研究的優(yōu)、缺點(diǎn)，需要在以后的研究中進(jìn)行不斷的探討，并盡可能探索出更加高效、準(zhǔn)確、便捷的方法。

[1] 徐萬(wàn)紅, 張國(guó)忠. 基于“草圖跟蹤”的復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)方法[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào), 2004 (14).

[2] 朱浩, 方宗德. 汽車(chē)外形設(shè)計(jì)的三維數(shù)模重建[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造, 1999(10).

[3] 徐萬(wàn)紅, 張國(guó)忠. 車(chē)身復(fù)雜曲面的建模方法與應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2003(5).

[4] 貴忠華, 劉振凱. 轎車(chē)車(chē)身CAD中的曲面品質(zhì)分析方法[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 1998(5).

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[6] 李紅, 朱安亮. 基于二維幾何特征的轎車(chē)車(chē)身三維造型設(shè)計(jì)[J]. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào), 2009(5).