使用三維手繪和虛擬油泥探索汽車造型創新設計

來自專欄 CATIA與工業設計的協同應用

汽車造型設計背景

自從汽車誕生一個世紀以來，其基本形式已經趨於成熟，在汽車造型上取得優勢，是世界上各大汽車企業提高銷量的重要途徑。而在汽車造型設計的周期中，汽車造型設計流程對於項目周期、項目管理、設計協同以及最終設計成果具有極其重要的影響。隨著電子技術的發展（即計算機輔助設計，Computer Aided Design，CAD），汽車設計也不斷在發生著革命性的創新。

CATIA作為目前使用最為著名的CAD軟體之一，從航天產業進入到汽車產業，輔助汽車造型甚至給整個汽車行業帶來巨大影響。隨著法國達索公司（Dassault Systemes）於2013年推出CATIA V6版本，即CATIA 3D體驗平台（3DEXPERIENCE Platform），其中三維手繪Natural Sketch與數字油泥Imagine&Shape應用更是給汽車造型設計帶來了新的思路。

圖1 Natural Sketch和Imagine&Shape

在傳統汽車造型設計流程中，設計人員需要進行多輪方案修改，通過大量的二維推敲探索，結合手工調整油泥模型，慢慢求解出合適的設計方案。

圖2 傳統汽車造型設計流程圖

計算機輔助設計和計算機圖形學（CAD）的快速發展及其在汽車設計流程中的引入標誌著傳統汽車造型設計流程開始向現代汽車造型設計流程轉變。虛擬技術逐步進入汽車造型設計的各個環節，很大程度上縮短了汽車造型設計的周期，減少了設計人員的工作量和製作費用，加強了設計人員及管理者之間的協作和溝通以及數據管理，最終也提高了設計的質量和水平，在各個環節的具體體現如下：

1. 草圖和效果圖的數字化創作技術；
2. 三維數字建模技術；
3. 三維列印等快速原型製作；
4. 逆向工程中A級曲面模型製作等。

圖3 現代汽車造型設計流程圖

CATIA在汽車造型設計的應用

在汽車設計創意構思階段，很多創意設計師仍然習慣於使用最初的紙筆來進行想法的快速表現，這主要是由於此階段所需要的快速出創意的要求和模糊的概念特徵是計算機難以勝任的，在後期要表現精確的數據時計算機的優勢就會體現出來；初步概念展現出以後，二維圖像處理軟體（例如最常使用的Photoshop）開始被用來表現概念方案，並且可以表現精細的部分，一些汽車設計師能在這一階段幾乎就能展現車輛的逼真的最終效果圖，當然最終的形態、比例等在真實的三維空間中具體樣子並不一定符合效果圖中所展示的效果。

圖4 普通手繪與Natural Sketch三維手繪

隨著CATIA Natural Sketch的應用，三維手繪這一步驟逐漸滲透到汽車設計的前期探索環節中，而不僅限於造型基本確定之前，這樣就使得油泥模型師、結構設計師等其他角色儘快獲得造型的成果；然後使用CATIA數字油泥 Imagine&Shape模塊進行數字油泥製作，在虛擬環境快速進行多次造型方案迭代，並處理相當部分工程問題，評審通過後，再進入一步製作等比例油泥模型製作。

圖5 使用Imagine&Shape調節曲面

使用三維手繪Natural Sketch繪製概念方案

Natural Sketch可以讓創意設計師使用二維手繪線和路徑創建三維模型。旨在為創意設計師在使用繪圖板和筆時提供個性化的、像真實紙一樣的體驗，它同樣支持鍵盤和滑鼠的操作。此模塊創建三維曲線的工作原理就是採用投影原理，在一個平面創建一條區先後切換到另一個平面，然後再次創建曲線，通過極端兩條曲線在空間中的投影相交得到三維曲線。NTS的優勢就是在三維空間中探索造型，更前期的思維創意可以在其它平台上完成，它填補了計算機輔助軟體的空白區域，而不是為了代替其它二維繪圖軟體的存在。

CATIA三維手繪完善了CATIA的創意設計解決方案，使得完整的工業設計的工作流程都能在統一的環境中實現，從構思和概念到細化和設計驗證，從第一張草圖到最後的生產準備的3D產品。

在3D環境中繪製草圖像在紙上草繪一樣真實，CATIA自然草圖繪製帶來了革命性的逼真的創意體驗，與設計師的需求相匹配。它消除了人們對3D創作的情緒障礙，使設計人員能夠完全專註於創意和設計意圖，而不是如何使用技術。

使用數字油泥Imagine&Shape進行快速造型方案迭代

Imagine&Shape的技術原理是細分曲面技術（Subdivision），這是一種基於NURBS曲面建模原理並添加細分演算法的一種建模方式，保留NURBS曲面精確的優勢的同時使曲面易於編輯和修改調整，尤其適合前期造型探討時不斷修改方案的情況。

創意設計師承接三維手繪的概念方案，在此基礎上使用Imagine&Shape進行概念模型的構築，Imagine&Shape由於其操作簡單方便，類似油泥製作模型，創意設計師和數字設計師都能勝任，也便於創意設計師利用此工具輔助造型生成以及對自己方案的優化，幫助設計師簡單快速地將概念方案或者草圖變成三維的空間曲面。

另外Imagine&Shape的數據可直接用於油泥加工，也可輸出為stl格式用於3D列印，便於方案實體化進行評審，節省時間與資源。

使用數字油泥Imagine&Shape建模，值得注意的是：

1. CATIA中的細分曲面是精確的曲面（貝塞爾或者NURBS曲線，而不是多邊形模擬曲面），這些曲面之間自動為G2連續，達到所需的美學外觀；
2. 由於形體的構成方法是自由的，它十分擅長描述複雜、有機的幾何形體，且十分便於進行設計更改。

圖6 Imagine&Shape網格細分調節曲面

使用三維手繪和數字油泥對汽車造型設計流程的改進與優勢

根據以上對傳統和現代汽車造型設計流程的分析並結合三維手繪和數字油泥的特性，可以對目前汽車造型設計流程做出如下改進：

在共同的項目協作空間中，首先製作總體項目規劃，明確各部門及人員的角色和任務分工，在以後各自的工作進度也可以在工作平台中共享。由得到的市場調研數據、公司總體發展策略和工程初步需求，創意設計師開始根據得到的主題意象進行二維手繪繪製或者直接在工作空間上用三維手繪進行創意構思；這一階段所得到的成果可直接被數字設計師利用，使用數字油泥建模快速製作模型；然後可以利用三維列印或者虛擬現實驗證，多次修改評審後進入逆向工程階段；

在整個流程中，各環節間產生的數據可以構建相應關聯關係，一旦方案中某些特徵進行了修改，其他設計者角色的數據也會隨之更新。決策者的介入貫穿於整個設計流程，他們的方案評審不再僅限於最終的設計結果。後續工程部門的工作不再僅能在設計工作結束之後開始，而是可以根據曲面設計甚至是手繪設計階段就開始準備，見圖。

圖7 使用三維手繪和數字油泥設計汽車造型流程圖

從三維手繪出發的全三維設計環境。創意設計師可以自由地通過三維曲線的形式表達他們的想法，再通過數字油泥進行快速設計方案迭代。這樣設計師能夠快速感受方案的在三維空間的實際效果，進行各個視角的驗證，儘可能的避免由於過於誇張的藝術表現效果帶來的難以解讀造型本身特點的負面影響。創意設計師所繪製的想法的三維數據不僅能提高數模師的工作效率，還能用於以後任何評審、製造、驗證等各個階段，設計意圖在整個流程得以保留。

結語

由於汽車是具有「高技術」與「高情感」的複雜產品設計，傳統及現有汽車造型設計流程的弊端隨著數字技術日漸成熟而逐漸放大，只有快速響應市場需求、縮短設計周期、降低設計成本以及更高質量的設計輸出才能在激烈的市場競爭中獲勝。使用三維手繪和數字油泥環節協同的、網狀連接的汽車造型設計流程將會使得設計的迭代變得更加方便，符合汽車設計發展快速更新迭代的時代趨勢。使用三維手繪和數字油泥探索汽車造型設計是計算機輔助設計繼續發展的結果，整個流程創新除了設計角色的分配、全三維設計環境、數據整合、設計平台的創建等等以外，也減少了實體物理樣機的製作。誠然由於汽車是一類高度複雜的產品設計，為了多方面的考慮在目前情況下完全拋棄實體物理樣機是不可能的，但隨著數字技術在設計流程中的不斷深度滲入，對物理樣機的依賴性也會越來越小，相信最終會被完全虛擬的數字樣機所取代。