3DMAX技法在汽车工业设计中的应用

信建英

摘  要： 针对以往应用于汽车工业设计中的逆向工程方法，模型建模逼真性和精度差，提出一种应用于汽车工业设计中的3DMAX技法。该方法在选取所需设计车型后，依据汽车电子系统实际尺寸和汽车三维模型效果需求，设置汽车电子系统汽车三维模型各部位的建模精度要求。利用面向对象软件工程方法制定汽车内部全景图，在设置的汽车三维建模精度要求下，基于汽车内部全景图通过NURBS建模方法利用3DMAX软件以及NURBS曲线建立汽车三维模型，利用3DMAX软件中的Vary渲染器选取所需材质对所建立汽车三维模型进行渲染，并通过FLASH 8.0动画编辑软件制作渲染后的汽车三维模型动画，并在其中加入声音、图片、文字等内容。实验结果表明，采用该方法设计的汽车三维模型建模精度均在99%以上，对不同汽车零件进行各项操作用时低于80 ms，设计效果满意度高。

关键词： 三维建模; 三维模型动画; 模型设计; 建模精度; 汽车三维模型; 渲染

中图分类号： TN99?34                         文献标识码： A                            文章编号： 1004?373X（2019）19?0182?05

Abstract： As the reverse engineering method previously applied to automotive industry design， has poor modeling verisimilitude and accuracy， a 3DMAX technology applied to automotive industry design is proposed. After the required design models are selected， the modeling accuracy requirements of each part of the three?dimensional model of the automobile electronic system are set according to the actual size and the 3D model effect demand of the automobile electronic system. The interior panorama of automobile is made by means of object?oriented software engineering method， automobile three?dimensional model is established  by means of the interior panorama of automobile NURBS modeling method， 3DMAX software and NURBS curve. The Vary render in the 3DMAX software is used to select the required material to render the automobile three?dimensional model. The FLASH 8.0 animation editing software is used to make cartoon of the rendered automobile three?dimensional model， and add it with sound， picture， words and other contents. The experimental results show that the modeling accuracy of automobile three?dimensional model designed by this method is higher than 99%， and the time of operating the different automobile parts is less than 80 ms， and the satisfaction degree to the design effect is high.

Keywords： 3D modeling; 3D model animation; model design; modeling accuracy; three?dimensional automobile model; rendering

0  引  言

3D Studio Max（3DMAX）软件具有对操作系统配置要求较低、三维建模弹性较大以及可增加各种插件使应用范围更广泛的功能，已应用于广告、建筑设计、工业设计、游戏软件、三维动画制作等各种领域中。其界面主要包括标题栏、工具栏、菜单栏、绘图区、动画操作区、视图操作区以及命令面板等。3DMAX软件的发展已经渐渐步入智能化以及信息化，可适应大数据时代各种需求[1]。随着人类生活水平的提高，汽车在人们生活中渐渐普及，汽车工业设计已成为热门行业，众多学者们渐渐将多种高科技技术应用于汽车工业设计中。将3DMAX技法应用于汽车工业设计中，不仅可提升汽车工业设计效率，并且使所设计汽车三维建模效果更好，有效解决了传统汽车工业设计中所用建模软件真实性差的缺陷[2]。

1  3DMAX技法应用于汽车工业设计中

3DMAX技法在汽車工业设计中主要包括车型选择、汽车建模、材质选择、渲染效果以及动画播放五部分。3DMAX技法在汽车工业设计中整体框架结构图如图1所示。

在利用3DMAX技法对汽车进行工业设计时，先在3DMAX软件中选择所需设计车型，完成选择后制定三维建模精度以及汽车内部全景图。基于建模精度以及汽车内部全景图通过NURBS建模方法建立汽车三维模型，选择所需材质对建立完成的汽车三维模型进行渲染，完成渲染后制作三维动画，便于汽车设计者全方位、直观地观察所设计汽车三维模型，将三维动画以及三维模型相结合，使设计者达到虚拟现实的效果[3]。

1.1  三维建模技法

1.1.1  三维建模精度制定

建模精度是汽车工业设计中最重要的部分，建模精度直接影响汽车设计精度。因此在汽车三维建模前，需要对汽车三维模型精度进行设计制定[4]。汽车三维模型精度的制定主要是依据汽车电子系统实际尺寸以及汽车三维模型效果需求，设置汽车电子系统汽车三维模型各部位的建模精度要求，该方法精度定制结果如表1所示。

表1中A表示要求精度级别较高;B表示要求精度级别中等;C表示要求精度级别较低，在汽车模型的建立中，只有达到设计精度要求才能保证汽车模型建立符合汽车工业设计要求[5]。

1.1.2  汽车内部全景图制定

选取面向对象软件工程方法进行汽车内部全景图制定，面向对象软件工程方法模块与模块间以汽车结构结合为整体，分类结构与类互为继承关系，该方法的有向连通软件工程结构图如图2所示。

面向对象软件工程方法的汽车内部全景图定制以用户需求为主，体现3DMAX软件交互性，增加汽车工业设计灵活性[6]。利用球形全景图实现汽车内部全景的展示，用户通过3DMAX软件可以360°×180°视角全方位观看汽车内部全景照片，实现虚拟现实效果。

1.1.3  汽车三维建模

在制定汽车三维建模精度以及汽车内部全景图后，利用NURBS建模方法对汽车进行建模。NURBS建模方法虽然操作较为复杂且比较占用计算机资源，但是具有灵活性强的优点[7]。NURBS建模方法通过不同控制点调节汽车曲线，使汽车最终曲面光滑且真实。并且NURBS建模方法可在任何情况下对汽车造型进行调整，依据不同需要建立汽车设计师最满意的模型。

在对汽车进行三维建模前，需要先搜集建立汽车三视图模型和汽车内部全景图的基本资料，再采用3DMAX软件实施复杂的汽车三维模型绘制。汽车模型绘制是建立汽车模型过程中最为耗时的步骤，需要在3DMAX软件中不停地对比三视图位置和汽车内部全景图位置，在确认最精准位置后将三视图的二维图像转换至NURBS曲线，最终将NURBS曲线通过不断融合、加盖以及挤压等步骤处理汽车细节。建模过程中以车轮、车头、车尾以及车身为单位单独建立，为便于后续贴图以及渲染，需要将前照灯以及刹车灯分离。建立的汽车三维模型图如图3所示。

1.2  Vary渲染技法

在确定汽车三维模型所需材质后，选取3DMAX软件中的Vary渲染器对汽车三维模型进行渲染，Vary渲染器是3DMAX软件所匹配的性能极为优秀的渲染器。用户可通过Vary渲染器中全局照明系统自行搭配合适的引擎，获取最优质的渲染效果。Vary渲染器可支持全局照明、运动模糊、烘焙贴图、景深等高级渲染功能[8]。Vary渲染器中具有的灯光库以及材质库可配合设计师对汽车模型进行渲染，获取最优质的汽车模型渲染效果，提高汽车三维模型的直观性和逼真性。

Vary渲染器中具有的灯光库中储存的光照信息可供用户实时调用，节省大量运算时间，增加渲染速度;Vary渲染器可识别渲染模型过程中的错误相交信息，具有高度智能化特点，渲染效果较好，并且可兼容3DMAX软件中所有灯光以及材质，兼容效果好，可提升渲染速度，增强渲染效果[9]。

1.3  动画技法

通过FLASH 8.0动画编辑软件在3DMAX中对渲染后的汽车模型制作动画，该软件不仅可以高精确度地制作汽车动画，并且可将声音、图片、文字以及视频等格式文件加入动画中。三维动画相对于三维图像可展示汽车所有细节。为提升汽车三维模型动画效果，在汽车动画制作中需要具有鲜明的特色以及合理的搭配[10]。

2  实验分析

为检测本文3DMAX技法应用于汽车工业设计中的设计效果，选取CPU为AMD Ryzen 7 2700X，内存大小为512 MB，硬盘大小为160 GB的计算机进行实验。实验时选取IIS服务器以及Access数据库作为软件测试环境。并将本文方法与逆向工程方法以及Rhino方法进行比较。

统计采用三种方法建立某类型家用轿车三维模型的建模精度，实验结果如图4所示。

从图4实验结果可以看出，本文方法在所统计五个部位建模精度均在99%以上，符合家用轿车建模要求，而逆向工程方法以及Rhino方法设计家用轿车三维模型的建模精度明显低于本文方法，验证了本文方法具有高建模精度的优势。

将实验家用轿车三维模型赋予颜色、材质以及光影效果后，统计三种方法设计的家用轿车三维模型的渲染效果，实验结果如表2所示。

通过表2实验结果可以看出，采用本文方法设计的家用轿车三维模型所有部位均渲染成功，完成度为100%，轿车任何一个曲面均可以完整显示，没有渲染失败部位;而逆向工程方法以及Rhino方法并未将家用轿车所有部位全部渲染完成，在车窗、车头、车身等部位均存在渲染失败现象。因此可以看出，采用本文方法设计的家用轿车三维模型渲染完成度较高，本文方法渲染材质效果逼真，光影效果完美，是一种可应用于汽车工业设计中性能较优的技法。而逆向工程方法以及Rhino方法渲染的家用轿车三维模型部分部位材质效果以及光影效果较为普通，渲染效果差。

三种方法在家用轿车工业设计过程中的操作性能统计结果如表3所示。

通过表3实验结果可以看出，本文方法进行家用轿车工业设计过程中，对不同轿车零件进行各项操作用时均在80 ms以下;而逆向工程方法以及Rhino方法用时明显高于本文方法，对不同汽车零件进行各项操作时用时均在150 ms以上，操作时间直接体现了方法的操作性能，以上实验结果充分验证了本文方法具有较高的操作性能。

选取100名专业的汽车工业设计师，并将100名汽车工业设计师分为10组，令10组人员分别使用三种方法进行家用轿车工业设计，设计完成后统计100名汽车工业设计师的问卷结果，采取问卷调差方式反映汽车工业设计师们对采用三种方法进行汽车工业设计的满意程度。调查内容包括方法合理性、稳定性、可操作性以及模拟效果，10组人员对三种方法的评分结果如表4所示。

通过表4统计结果可知，本文方法的合理性、稳定性、可操作性以及模拟效果均高于逆向工程方法以及Rhino方法。本文方法评分高于其他两种方法，说明采用本文方法进行家用轿车的工业设计效果好，可操作性高，且方法较为合理以及稳定，汽车设计师满意度较高。

3  结  论

3DMAX软件具有建模方法多、技术性较强、建模精度高以及渲染效果好的优点，被广泛应用于各行各业中。本文在建立汽车三维模型前实施三维建模精度与汽车内部全景图制定，并在制定后通过NURBS建模方法建立汽车三维模型，利用NURBS建模方法灵活性强的优点，提升汽车工业设计中汽车建模精度，满足不同汽车设计师的不同需求。

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