汽车草图与CAS模型的差异程度研究

杜文畅　邹欣

摘要：目的量化造型过程中草图转换到数字模型中的差异，提供反馈给设计师。方法通过对草图和CAS模型的差异面积对比观察，拟定出草图与前期模型特征线的差异面积，通过统计差异面积变化反馈出草图到CAS模型的变化程度。结果对草图到建立CAS模型阶段的变化程度提供有意义的参考。结论草图转换到模型过程中量化统计特征线的差异程度的方法。

关键词：CAS模型 特征线 草图 差异面积

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2018）09-0120-03

引言

汽车造型设计是一个从平面到立体实物的创造过程，在纸上绘制的线条在通过层层筛选和修改后可能会映射在实体车辆中，往往在项目初期的几张纸上的线条最后决定的一辆汽车的设计形态方向。草图的绘制像一块海绵，吸取灵感，应用在设计中，是一种富有艺术性和想象力的工作。但汽车又是面向普罗大众的商品，它需要被人接纳，为企业赚取利润，汽车的前期数字模型是对方案中的设计要求的具象化体现。当富有创造力的艺术品转化到被赋予商业化价值的方案中的时候，两者之间属性上的差异，从平面到立体，从创造到执行，不同的性质造成草图转化到模型的差异。本次研究内容是针对草图到前期模型转化阶段的形体变化程度的探索。

一、草图和CAS模型在设计流程的作用

在目前的汽车造型设计流程中草图绘制阶段是建立在总体布置之后，根据造型需求的风格、和设计诉求等方面筛选出符合目标用户的草图方案，通过已有的草图和车身布置要求快速建立初期数字模型，并且数字模型的建立和观察可以快速高效地观察到最初的三维汽车体量特征和型面关系。汽车造型设计中的CAS是Concept A Surface的缩写，CAS模型是计算机辅助设计阶段的前期模型，这类模型不需要具备A级曲面的高质量平顺性，可以在项目前期快速建立模型使平面造型转化为三维模型。不同的车企CAS模型和油泥模型可能是前后推进或者同时推进。随着计算机辅助设计技术和虚拟现实技术的积累，CAS模型在型面调整的灵活性、曲面的搭建效率、客观的光影观测和评审阶段的完整度都有着一定的技术优势。草图通过平面投影的方式可以在3D模型软件中以参考背景形式存在，在模型的快速搭建和视图比对方面相对于初期油泥模型能达到更高的精度和图像对比。因此在草图转换到三维模型的过程中特别加入了CAS后期模型流程部分用于草图的对比（如图1）。

数字模型设计属于计算机辅助设计，得益于计算机技术近年来的快速发展，在CAS模型搭建速度，渲染质量，基于VR、AR技术的评审技术已经比较成熟，CAS模型相对于油泥模型在方案推敲和修改上有时间短效率高的特点，同一个方案中CAS模型更容易获得多样化的推敲结果。CAS模型另外的一个特点是可以在完成造型要求后和渲染软件进行对接，从而将草图到三维模型再到虚拟评审短时间内串联，缩短产品的前期开发时间。有利于高效快速的实现设计意图。

近年来在“雕塑风格”的影响下，汽车造型设计出现的一些不规则和多样化的特征线，丰富了汽车形面内容，同时将车身曲面进行割裂，在视觉上将汽车曲面分为不同的部分。如今，特征线在草图绘制过程中的使用已经成为现代汽车造型设计的主流设计手段。无论是在草图阶段到CAS模型搭建阶段，特征线都是作为一种表现车辆局部形态特征的方式被应用。由于汽车造型设计的曲面信息量较为复杂，表达形式较为多样化，在本次研究中草图与CAS模型对比主要是依靠侧视图的特征线进行。

二、草图与CAS模型特征线的研究方法

在案例的设计过程中，通过前期的設计要求绘制对应的草图，其中包括侧面轮廓线、肩线、裙线、车窗下沿线、车窗线、轮眉等。绘制不同方案的草图标记以上特征线的位置，比对CAs模型中对应的特征线通过差异面积的统计得到对应的数值。

（一）关于定位

侧面草图与CAS模型侧视图的比对是以前轮轮眉内侧圆弧位置大小重合为对比参考的基准点进行。

（二）关于差异面积

本次研究是以像素面积为主要差异单位，差异面积是线条与线条相交所产生夹角范围内到特征线线段间的连接线所形成的面积。区域在侧面视图定位完成的前提下同类别的线条之间的差异形成的面积作为差异面积，在一部分特殊要求下可硬根据不同位置的线条设定权重，最后对各特征线的差异程度进行求阳得到侧面视图整体的差异面积。

（三）两种特殊情况

CAS模型中出现草图阶段未曾出现的特征线、或者局部草图特征线与CAS模型特征线趋势相同但只有部分重叠，这样的情况下会造成即使不是同样的线段或者凭空出现、消失的特征线差异面积为零，但在线的形态上两者并非是相同线段，在这样的特殊情况下可以定义非重叠部分附加上一定的差异面积，面积的默认高度值根据项目要求进行设置。

在封闭组合的线段中CAS模型的封闭线段和草图的封闭线段之间的差异面积是用布尔运算中的组合逻辑得到（如图2）。

三、特征线差异面积研究

在本次研究中是针对侧面视图进行的特征线差异程度研究，在侧面视图中找出特征线的位置，比如：侧面轮廓线、车灯轮廓、车灯下沿线、保险杠进气口特征线、侧面肩线、侧面裙线、后轮眉特征线、底盘线、车尾灯轮廓、侧窗轮廓线、后保险杠棱线、后裙特征线等（如图3、4）。

根据所提到的特征线和车型的定位进行草图绘制，案例中的车型是以B级轿车为设计定位车型。绘制人员根据定位和特征线要求进行草图绘制，得到以下4个方案的草图和草图的提取线稿（如图5）。（共4组）

通过草图方案确定车辆的设计特征，在模型的建立阶段参考了现有市场中的B级轿车空间尺寸1得到CAS模型（如图6）。

对CAS模型侧视图和草图方案提取的线稿进行对比，以前轮轮眉内侧轮廓重合作为定位轮廓的基准，针对方案草图所提取的特征线与CAS模型阶段所提取的特征线进行比对得到之间的差异面积。通过差异面积的绘制得到色面积色彩，用色彩像素分布直方图得出面积值（如图7）。

四、分析

差异面积并非是对前期草图转换到CAS模型阶段正确程度所建立的评判标准，草图绘制是一个从无到有的创造过程，转换到模型阶段一定会出现平面与三维空间的误差。草图的绘制带有一定的艺术性特征，在一些局部线条中通过夸张的趋势强调形态的表现，但在转换到三维形态中由于不同数模师对线的走势有不同的理解以及其他限制汽车造型因素，导致创意草图与模型数据之间出现形态上的差异。通过差异面积的标定差异度可以将草图与模型视图的差别通过可视化表达出，为草图和数字模型之间提供了一个具体的特征线变换的量化参考。

在传统汽车造型设计流程中草图到模型阶段存在一定的比例和姿态上的变化，产生变化的原因是在二维平面转换到三维立体推敲过程中的完善和补充，数模师在理解设计师在方案中体现的体量感和设计感后着手模型建立工作，这个过程是设计师与数模师协同的过程，本质上是人与人交流的过程，不可避免地会掺入人的一部分主观意识。数字模型的形态相对于草图形态相对平缓，数据方案同时也会更加保守。所以两者性质不同，造成差异面积的存在。可以通过差异面积进行数字模型的控制，比如方案中的侧面肩线轮廓差异面积是6000的单位，通过缩小差异面积数值可以有效的控制数据模型的特征线位置，当差异面积为0的时，数字模型肩线已经与草图方案肩线重合（如表1）。

CAS模型是在草图的参考下进行搭建，但同时需要考虑到车辆总布置、人机工程学、以及设计评审等方面的修改，所得到的整体形态相对于草图会产生一定的变化。差异度是在设计评审阶段应用于模型调整的一个数值参考项，如果出现较大的从差异面积，在数字模型需要调整的前提下可以通过差异度提供数字模型的变化程度进行特征线的调节。

差异面积还可以对前期的草图进行反馈，获得特征线最接近CAS模型的草图方案以及偏离度最大的草图方案。为前期方的草图积累设计经验。在4个绘制的草图案例中，侧面轮廓线的差异面积最大，其次的侧窗的差异面积会产生较大的差别，肩线部分比较容易产生较大的差异面积。其中方案4的总差异面积达到59832个像素，是其他3个方案的近2倍总差异面积，同时在姿态和体积方面整体相对于CAS模型高出一段明显的距离，方案4的草图已经不具备转换为CAS模型的作用。方案1到方案3的差异面积都控制在3000单位以上的附近，整体比较均衡，在数字模型中基本都体现了方案1到方案3的比例控制要求。

结论

差异是一个参考量，为设计师从草图转换到模型提供了一个参考数值。在传统的汽车造型设计中，设计师绘制平面草图，数模师在计算机中间搭建三维立体模型，整个设计流程是由不同的人完成不同阶段的任务，使得造型方案在推敲阶段出现一定的变形。为了反映草图到数字模型阶段中出现的变形提出差异度参考量，草图在转化到数字模型方案中通过差异面积的方式表达其中的变形量，在草图中的夸张线条部分可以根据差异面积进行数值上的参考修改，作为平衡模型形态与草图发散线条之间差异程度的参考，通过参考已经量化的数值对于数字模型进行控制。同时差異度可以通过前期草图和CAs模型的对比找出最接近数字模型和偏离度最大的方案，从而为项目设计人员积累设计经验。