基于三维重构的车身曲面设计方法研究

李 和LI He

（襄樊学院 机械与汽车工程学院，襄樊 441053）

0 引言

汽车车身设计工作量大且复杂，周期长，设计过程中集合了当今各类高新技术。现代车身造型设计开发时，如何将概念设计阶段的二维效果图迅速转化为高品质的三维数字模型，是车身造型设计阶段的关键技术。三维数模可准确反映设计师的设计意图，且能更好的展示车身的外部造型和效果，便于使生产商快速做出决策。同时车身设计采用三维建模技术可缩短车身的开发周期时间，适应车身个性化设计需求，便于开展后期的产品并行设计。

1 CAS技术在车身曲面设计中的应用

在新车设计和换型设计中，底盘和发动机等可加以改进，而车身须重新设计。汽车产品的更新很大程度上取决于车身设计，可以说整车生产能力的发展取决于车身的生产能力，因此世界各汽车厂家都致力于增强车身设计队伍力量，努力改进车身的设计方法。

在进行汽车车身曲面设计时，由于车身曲面外形的高度复杂性，设计人员很难用二维图纸来清晰地表达和反映曲面的形状。车身外形曲面为CLASS A曲面，光顺质量要求较高。在保证车身外观设计美观的前提下，要达到车身表面曲面光顺、各曲面连接过渡处也必须达到平滑、过渡光顺要求，同时车身必须满足空气动力学要求，最大程度减少空气阻力。

伴随着计算机辅助造型(CAS)技术成熟和发展，国内外车身设计开发的方法早已经发生了巨大的变化。目前车身设计从设计草图生成到三维建模、修改、三维渲染，以及车身曲面质量评价等都在计算机上完成。在引进国外先进技术的同时，国内汽车行业注重对先进生产技术的消化和吸收，努力进行自主的创新设计研究，根据二维信息重建的三维数学模型的设计方法也正在使用和研究中。虽然三维建模软件在目前得到大范围的使用，但二维工程图纸在工程设计领域应用仍然很广泛，以前的车身设计使用的就是二维设计图纸，为了提高车身设计进度，缩短设计周期，新型车的车身的设计或者换型设计可在以前的设计资料图纸做修改，也可基于二维图形重建三维形体，如基于原有车身产品图片资料和工程图纸，使用相关建模软件对车身三维模型进行重构。

2 车身复杂曲面重构思想

重构三维模型就是从二维图形中提取三维信息，通过信息的分析、处理，重新构造出对应于二维信息的三维形体，实现三维形体的重建[1]。

基于图像技术三维重建理论的车身曲面重构，常应用于车身的自主开发设计和改型设计中[2]。车身曲面重构是基于工业设计师设计效果图或工程图纸进行分析，掌握车身曲面的构成机理。分析之后，从建立好的车身外形图三面投影体系上选取车身特征轮廓线，获取其特征数据点，通过所获取数据点采用逼近、拟合等方式生成车身曲线（如图1所示）。利用特征轮廓线生成的曲线构造车身曲面，然后重构汽车外形的三维数模。

针对车身外形曲面的构造，即便是新型车身造型也可参考以前的车身设计资料，以缩短设计周期。车身主模型数模重建参照车身工程图，利用三维建模软件可精确、快速地重构车身复杂曲面，实现车身设计自动化。

3 车身曲面重构技术

图像处理技术在车身曲面三维重构中的使用，即对已有的二维图片、效果图或者工程图资料等进行图像信息处理和图像边缘检测，获得图像的边缘轮廓后，再根据投影基本定律求出图像轮廓的三维坐标值，根据Shape from shading技术反求坐标值，即模式识别和图像处理中用于从单幅图像中恢复三维场景的技术来获得，最后依据所求的图像轮廓的三维数据点在三维建模软件平台上重建汽车外型的三维模型[2]。

基于数字模型设计的产品，参数化和交互性能强大，可满足产品不同设计阶段的设计要求，便于根据市场需求进行修改和设计变更。特别是针对车身外形曲面设计，车身曲面三维重构时利用车身曲面控制点可方便、快捷、准确地对车身曲面形状进行造型和控制。参数化设计的引入便于曲面模型的设计变更和修改，使车身曲面具有良好的编辑性。

3.1 车身外形图坐标系的定位

使用相关建模软件，例如使用Pro/Engineer软件，可利用此软件中的造型功能模块调入车身外形二维图形。首先进入造型设计中的跟踪草绘，确定界面视角，输入对应的视图方向的二维图形文件，可通过属性中的旋转、移动、缩放等选项，准确确定车身数模原点以及车身的真实尺寸，使车身模型图片按1∶1的实际比例在软件中显示。也可使用鼠标在显示窗口中先进行大概的位置、大小、方向等的调整后，在进行微调。

3.2 车身外形图三面投影体系的建立

Pro/E是美国参数技术公司（PTC)推出的CAD/CAM/CAE一体化的三维计算机辅助设计、制造和分析软件， Pro/E在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。

Pro/E采用的是ISO 国际标准，视图的三面投影体系采用的是第三角投影，而我国视图投影体系采用的第一角投影，所以在插入二维图片资料和建模时要注意，可在软件中设置好投影体系采用第一角投影。车身外形图三面投影体系的建立步骤如下：

1）启动Pro/E之后，选择“新建”命令，再选择“零件”命令，启动零件设计模块 ；

2）再选择“造型”命令，启动造型模块；

3）在造型模块中选择“跟踪草图”命令，在跟踪草图对话框中选择界面视角，输入图片资料图文件；

4）确定车身数模原点，编辑图片尺寸、角度、位置，使车身模型图片按1：1的实际比例在Pro/E软件中显示；

5）调整视角，重复3）和4）的步骤，调入的车身其他两个视图方向的二维图片资料，可得到如图1所示的车身在前视图、左视图和俯视图三个视图方向中的外形草图，以此作为车身曲面重构的基础资料和依据。

图1 3D视图中的车身效果图

3.3 车身外形曲线和曲面重建

车身曲面表面质量与其控制曲线有着密切的关系，为确保车身曲面光滑、流畅、美观的美学要求的同时，也要考虑到车身的空气动力性能好，风阻小，生成车身曲面的控制曲线必须光顺。同时生成正确的空间曲线是获得曲面边界、生成曲面的基础，也是车身外表面几何造型的关键[1]。在车身曲面造型中，效率较高构造方式是直接通过点生成曲面，但是这种构造方式不便修改编辑。而另一种车身曲面构造方式是通过汽车车身截面线来构造车身曲面，这种由曲线扫描方式构造的曲面的方法比较复杂，但方便修改编辑，改变曲面的形状只需通过修改曲线形状就可以比较容易达到修改目的，常用于曲面局部的修正。

车身曲面是复杂的空间曲面，车身曲面造型时依据参数化造型方法，结合车身的外形，采用车身曲面分块建模法。把车身曲面划分为多个比容易处理的曲面块，对各部分表面采取分块造型，构造时各分块曲面应参照同一坐标系进行造型，再装配到一起。装配时先进行车身各部分曲线的缝合，再根据实际光滑性要求对这些曲面块进行拼接和缝合，或使用过渡面将其连结。曲面连接处质量要求较高的，如需连接处达到二阶连续，则针对这某些特定区域进行光顺处理，使车身曲面的内部质量达到要求，使曲面之间的连续过渡自然，符合设计意图。

4 结束语

车身的设计和开发过程，直接决定着产品开发周期，计算机辅助设计可有效提高车身设计精度，缩短开发周期。本文基于将二维信息转化为三位数模的重构思想，针对三维建模软件的曲面造型技术在汽车车身曲面三维数模重建的应用进行了讨论，针对这种应用技术研究的优、缺点，需要在以后的研究中进行不断的探讨，并尽可能探索出更加高效、准确、便捷的方法。

[1] 徐万红, 张国忠. 基于“草图跟踪”的复杂曲面设计方法[J]. 东北大学学报, 2004 (14).

[2] 朱浩, 方宗德. 汽车外形设计的三维数模重建[J]. 计算机辅助设计与制造, 1999(10).

[3] 徐万红, 张国忠. 车身复杂曲面的建模方法与应用[J]. 机械设计与制造, 2003(5).

[4] 贵忠华, 刘振凯. 轿车车身CAD中的曲面品质分析方法[J]. 机械科学与技术, 1998(5).

[5] 孙福辉, 席平, 唐荣锡. 重构曲面的品质分析及优化技术[J]. 工程图学学报, 2000(4).

[6] 李红, 朱安亮. 基于二维几何特征的轿车车身三维造型设计[J]. 扬州大学学报, 2009(5).