1 简介

    在经济社会高度发展的今天，相比较实用性，汽车携带着更多的人文符号，如消费者性格、喜好、身份和地位。所以，除了内在的机械性能，汽车造型设计在汽车的销售过程中一直受到消费者特别的关注。汽车造型决定了其是否能第一时间吸引客户，这将影响汽车的销售，甚至与汽车企业发展的命运息息相关。目前，中国汽车产业已经进入了一个高速稳定的发展阶段，但是中国汽车品牌却不能在国际市场上站稳脚跟。如何从“中国制造”转变成“中国创造”，成为一个强大的汽车国家，关键在于创新。汽车造型设计是创新的核心组成部分之一，但如今现有CAD软件和技术没有针对造型研究创新的模块，而3D变形技术的引入将改变这一现状。3D变形技术可以自动产生大量的、不同于现有产品的新形式，这些都是不同于初始定位对象和中间对象的，它能激发设计师的灵感，有助于汽车造型的创新。随着3D变形技术的发展和完善，它将弥补现有CAD软件的不足，成为一个汽车造型创新的有效手段。

2 3D变形技术的基本原理

给定两个几何模型，一个源S和一个目标T，3D变形技术生成中间模型序列{Mt|t∈[0,1]}，M在其中不断地从源（M0=S）到目标（Mi=T）改变其形状。在3D变形中，中间对象都有S和T的一些特征，但彼此不同。图1显示了分别从3D视图的角度，从金字塔到立方体之间的变化，左边的图形是给定的源，右边的图形是目标对象，其他的是中间对象。它们是以参数t从多边金字塔向立方体的变形中生成的，多边金字塔和立方体的共同特征是被保留在变形过程中。

图1 3D变形原理图

3 3D变形技术在汽车款式设计中应用的算法

    汽车造型是一个复杂的自由表面问题，基本的设计元素仍然是点、线和面。对于造型描述来说，点对造型设计非常重要，但又不能满足造型。线随点变化，是连接着的造型元素，但面却能很好地表达造型。根据计算机中车型的不同表达方式，本文介绍了以下3D变形技术：

3.1 基于2D轮廓的3D变形技术

    汽车侧面轮廓线是表达和控制大部分造型信息的特色线条，叫做汽车造型对称线。因此，基于2D轮廓的3D变形技术已成为不可或缺的汽车造型技术。它通常包括以下几个步骤：首先，使用坐标平面平行于汽车对称线，画出汽车表面，从而获得一系列平行的2D轮廓。生成的2D轮廓越多，越多的造型特征就会被保留，但计算难度也会越大。

图2 基于2D轮廓的汽车变形算法

    其次，在相应的2D轮廓之间建立对应顶点。然后，根据这些对应顶点，改变2D轮廓。最后，当2D轮廓拟合时，汽车的中间模型生成。图2显示了一辆汽车和一滴水之间的变形过程。

3.2 基于投影的3D变形算法

    三角网格是描述模型最常见、最好的形式，特别是对于汽车模型复杂的拓扑结构，它们可以描述模型的所有细节。为了维持这种拓扑结构，通常根据投影进行变形算法。算法的主要步骤如图3所示：

图3 基于投影的算法过程

    （1）将S和T投射到单位范围上，获得S’和T’。投影过程应反映模型顶点的拓扑关系，并不自交。

    （2）根据顶点S’和T’之间的几何关系，计算顶点T在S上对应的坐标位置。

    （3）重复步骤2，计算投影T上所有的顶点S。根据S’和T’之间的关系，建立项目模型M，它可以表达新模型M的拓扑结构，M可以通过插值变换计算。

3.3 其他3D变形算法

    根据模型的不同表达式，如NURBS曲面、点云和隐式表面等，这些模型有很多变形算法，如基于表面的隐式变形算法和基于距离场的变形算法，这些算法都有优缺点，并在文献中有更详细的描述。这些算法在汽车设计中有重要意义。

4 3D变形技术在汽车造型设计中的应用价值

    3D变形技术已广泛地应用于计算机辅助设计、计算机动画系统、娱乐和医疗行业，特别是在电影特技和动画中，这项技术已经成熟。虽然技术应用在汽车造型设计中还并不常见，但是它具有非常重要的作用。

    （1）汽车造型设计的创新方法。CAD计算机辅助设计和汽车造型设计软件是汽车造型设计的常用工具。它可以帮助设计师来表达他们的想法，但它不能思考。通过3D变形技术，可以改变现有汽车模型以获得所需的目标模型，计算机将自动生成一系列的中间模式。因此，这项技术可以为汽车设计提供一种新的创新的方式。

    （2）为汽车造型设计提供一个新的思路和方法。首先，中间对象都有自己的特点。他们有汽车模型的视觉特征，但中间对象不同于源汽车模型的。其次，中间对象有变异性的特点。由于算法的复杂性，变形中的中间对象可能脱离设计师的控制。但这种变化可以激发设计师，扩展设计的思想。

    （3）为汽车造型设计师提供大量的参考。在变形过程中，每一个不同的值对应一个中间对象。设计师可以接收大量的带有参数细分的新模型。这些中间模型不同于现有汽车的独立风格，可被设计师用作参考素材。

    （4）有利于空气动力学造型设计。空气动力学与车身设计有紧密的关系。如图2所示，下坠的水滴是一个很好的动态模型，汽车模型转变成一滴水的过程将生成大量的符合动力学的模型，将这些模型导入汽车分析软件将获得最优化的车身。3D变形可以融合技术与美学，汽车款式设计也因此将更为先进和科学。

    （5）3D变形技术是直觉主义的和瞬时的。中间汽车模型在3D中显示，这比设计草图会得到更多的风格信息。设计者可以观察汽车的每一个细节。图1中，设计者可以观察3D视觉中每一个细节的渐进变形。变形结果可以用于任何CAD软件的快速成型和模具开发。因此，它不仅可以得到改善，还可以减少后期工作的困难和缩短设计周期。

    （6）有利于概念车（未来汽车）的设计。将设计师创造的概念模型与现有的汽车模型相融合，您可以得到更多新的、意想不到的造型，想法也可以得到扩展。

    汽车造型设计对国民经济的发展起着越来越重要的作用。3D变形技术为汽车造型设计提供了一种新的辅助设计方法。虽然产品建模设计的技术应用还不成熟，但随着技术的发展，它将会刺激设计师的设计灵感，提高建模创新的价值。