汽車(chē)造型的多目標(biāo)綜合設(shè)計(jì)

汽車(chē)造型的多目標(biāo)綜合設(shè)計(jì)

汽車(chē)形狀是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要交叉，綜合多目標(biāo)，知識(shí)密集，科學(xué)與藝術(shù)是一體的。汽車(chē)車(chē)身事實(shí)上就是美學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科約束的一個(gè)綜合性設(shè)計(jì)問(wèn)題。汽車(chē)車(chē)身由自由曲面構(gòu)成,造型本身包含了復(fù)雜的造型信息、結(jié)構(gòu)信息和工藝信息。就造型設(shè)計(jì)而言,汽車(chē)造型的抽象、描述、分類、歸納都相當(dāng)復(fù)雜。即便是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師在面對(duì)一輛新款標(biāo)志407的時(shí)候,也會(huì)很難只用一兩句話就完整地描述出它的造型。因?yàn)?一輛設(shè)計(jì)優(yōu)秀的汽車(chē)總會(huì)帶有渾然一體的整體造型風(fēng)格,面與面之間的微妙過(guò)渡以及富有變化的細(xì)節(jié)。但如果這個(gè)問(wèn)題變成,描述標(biāo)志407的造型特征,那就會(huì)簡(jiǎn)單很多。因?yàn)?你可以分別用整體風(fēng)格、面與面之間的關(guān)系和細(xì)節(jié)變化的特征來(lái)表達(dá)你的印象,可以用標(biāo)志407與其他汽車(chē)的差異性、獨(dú)特特征來(lái)描述其造型。也許僅從汽車(chē)前臉的造型特征就能分辨出一輛車(chē)的品牌,從汽車(chē)側(cè)面輪廓特征就可判斷一款轎車(chē)還是一款SUV的車(chē)型,甚至只要看到腰線就能叫出它的名字。每一輛汽車(chē)都希望擁有能讓自己迅速被辨別出來(lái)的特征,汽車(chē)造型特征研究是汽車(chē)造型研究的重要領(lǐng)域。文中結(jié)合國(guó)家“973”項(xiàng)目子課題《工業(yè)(造型)設(shè)計(jì)專門(mén)知識(shí)及輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)》,研究汽車(chē)造型特征與特征線。1主要特征—汽車(chē)造型特征和特征線特征在英文中是“Feature”或“Character”,對(duì)于形態(tài)實(shí)體而言,主要是指形態(tài)獨(dú)特或顯著的部分(Anyofthedistinctpartsof),可以說(shuō)是作為標(biāo)志性、區(qū)別性的顯著形態(tài)特點(diǎn)。在日常用語(yǔ)或?qū)I(yè)用語(yǔ)中也會(huì)提到所謂主要特征、基本特征等,用于強(qiáng)調(diào)一般特征中比較重要的部分。在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中,特征的廣義定義是設(shè)計(jì)信息和制造信息的集合。但汽車(chē)造型中,可以從汽車(chē)造型屬性描述的角度定義特征,即造型特征。造型特征聚焦于對(duì)汽車(chē)整體風(fēng)格、形面感覺(jué)、細(xì)部處理,甚至延續(xù)于多代車(chē)型的造型元素的描述,以及造型所攜帶的結(jié)構(gòu)和形面信息的描述。因此,汽車(chē)造型特征主要指汽車(chē)造型信息和與造型相關(guān)的結(jié)構(gòu)工藝信息的集合。汽車(chē)造型特征的提取和表征意味著對(duì)汽車(chē)造型描述和整體把握,是一個(gè)解構(gòu)汽車(chē)造型的過(guò)程,同時(shí)為造型重構(gòu)和差異化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。1.1汽車(chē)造型特征線汽車(chē)造型的確是一個(gè)復(fù)雜的自由曲面問(wèn)題,不過(guò)其基本造型元素仍然是點(diǎn)、線、面。從描述造型的角度看,點(diǎn)雖然具有重要的造型意義,但其對(duì)造型描述不充分;面雖然最能表達(dá)形態(tài)的全部?jī)?nèi)容,但其過(guò)于復(fù)雜,不易被表達(dá)。而線源于點(diǎn)而展成面,是“承下啟上”的造型元素。線的重要性首先表現(xiàn)在汽車(chē)造型的草圖中,草圖是設(shè)計(jì)師的“視覺(jué)思維”工具,汽車(chē)造型草圖按側(cè)視、前45°和后45°繪制,見(jiàn)圖1,線條是草圖中表達(dá)造型、推敲造型的主要媒介。線幾乎攜帶了造型的所有特征信息,其實(shí)草圖中的線就是以特征線的形式出現(xiàn)的。在草圖中可以看到,線是汽車(chē)草圖的主要成分,同時(shí)也是對(duì)汽車(chē)概念及特征的最初表達(dá)。汽車(chē)草圖的表達(dá)主要涉及3種特征線型:頂端線、造型線、區(qū)域線(見(jiàn)圖1)。頂端線即汽車(chē)側(cè)面輪廓線是表達(dá)和控制整車(chē)造型信息量最大的特征線,又稱汽車(chē)造型的對(duì)稱線,是草圖中表達(dá)造型作用最大的線;造型線是汽車(chē)造型塊面的輪廓線,具有豐富的造型語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)意義;區(qū)域線可以看作是面與面之間的邊界線,表達(dá)造型的區(qū)域和過(guò)渡特征。線的重要性更表現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助汽車(chē)造型的3D模型中,見(jiàn)圖2。比較圖2中的草圖和3D模型可見(jiàn),雖然手繪和計(jì)算機(jī)造型建模是完全不同的造型工具,造型表達(dá)的深入程度更不能同日而語(yǔ),但是,草圖中線條所表達(dá)出來(lái)的造型特征作為造型信息被準(zhǔn)確地“遷移”到了3D模型中,設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意真實(shí)地表現(xiàn)出來(lái),同時(shí)產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)和工藝的關(guān)聯(lián)性。在建模過(guò)程中設(shè)計(jì)師通過(guò)草圖中的特征線尋找汽車(chē)造型的特征,盡管不同設(shè)計(jì)師對(duì)同一個(gè)草圖的建模結(jié)果總會(huì)有所差別,草圖上的某些線條總是被忠實(shí)地記錄了下來(lái)。在3D模型中,線是生成面的基礎(chǔ),3D模型中的構(gòu)形線其實(shí)也是以特征線的形式出現(xiàn)的。3D建模中的第一步就是描繪側(cè)面輪廓線,引擎蓋,前檔風(fēng)玻璃,車(chē)頂,后擋風(fēng)玻璃的構(gòu)建都必須以側(cè)面輪廓線為造型基礎(chǔ)。它也是決定著整車(chē)車(chē)型和風(fēng)格特征線,是三廂車(chē),還是兩廂車(chē),是跑車(chē)還是轎車(chē),強(qiáng)調(diào)速度感,還是穩(wěn)重感?？梢?jiàn),側(cè)面輪廓線既表達(dá)了形態(tài)內(nèi)涵,又包含了結(jié)構(gòu)信息。通過(guò)對(duì)其他特征線的分析,比如窗線,腰線,車(chē)燈和隔柵的輪廓線,可以發(fā)現(xiàn)它們都同時(shí)包含形態(tài)內(nèi)涵和結(jié)構(gòu)信息。在3D模型中提取特征線,分析它們包含的信息,就可以對(duì)汽車(chē)造型特征進(jìn)行描述。汽車(chē)造型特征線可以定義如下:定義1:汽車(chē)造型特征線是與整車(chē)造型相關(guān)的實(shí)體,由相應(yīng)的實(shí)體標(biāo)記(如腰線,BeltLine),有特定結(jié)構(gòu)約束和形態(tài)內(nèi)涵。定義2:在造型特征的層次結(jié)構(gòu)中,造型特征線是基本類別層(basiclevel),即以“最小的代價(jià)包括最多的信息”。由以上定義可見(jiàn),汽車(chē)造型特征線是有特定結(jié)構(gòu)約束和造型內(nèi)涵的,被標(biāo)記為腰線、側(cè)面輪廓線等名稱的一種有幾何表達(dá)的造型實(shí)體。造型特征線在描述造型上具有基本類別的意義,即在點(diǎn)、線、面構(gòu)成的特征層次結(jié)構(gòu)中,特征線更能夠以“最小的代價(jià)包括最多的信息”。1.2造型附加特征的線為對(duì)汽車(chē)造型特征進(jìn)行分類研究,用Alias構(gòu)建了100個(gè)汽車(chē)3D模型,基于所獲得的造型模型提取造型特征。汽車(chē)造型的基本形態(tài)和車(chē)身結(jié)構(gòu)可分為前圍,側(cè)圍,后圍和頂,即三圍一頂。三圍一頂?shù)闹髅鏄?gòu)成了汽車(chē)造型整體感和主體風(fēng)格,三圍一頂?shù)闹髅嫱瑫r(shí)也是車(chē)身結(jié)構(gòu)和模具制造的主要控制面,在三圍一頂?shù)闹髅嫔咸崛〉脑煨吞卣骶褪侵髟煨吞卣?表達(dá)主造型特征的線就是主造型特征線(如側(cè)面輪廓,腰線等);三圍一頂?shù)闹髅嬷g形成了豐富的過(guò)渡面,在過(guò)渡面上提取的造型特征就是過(guò)渡特征,表達(dá)過(guò)渡特征的線就是過(guò)渡特征線,(如AC柱,側(cè)翼子板等)。在整車(chē)造型的基礎(chǔ)上,通過(guò)裁減和添加手法形成的局部造型區(qū)域,產(chǎn)生了造型附加特征,表達(dá)造型附加特征的線稱為附加造型特征線(如隔柵,車(chē)燈等)。由此,將汽車(chē)造型特征分類為:主造型特征、過(guò)渡造型特征和附加造型特征,形成了一個(gè)樹(shù)形的造型特征體系,見(jiàn)圖3。這種分類形式既符合汽車(chē)造型的設(shè)計(jì)過(guò)程,又符合汽車(chē)車(chē)身制造的要求。雖然各個(gè)造型特征對(duì)于汽車(chē)造型本身的重要程度應(yīng)根據(jù)不同車(chē)型決定。例如:對(duì)于寶馬車(chē)而言,雙腎型的通風(fēng)隔柵是相對(duì)更重要的品牌特征,而對(duì)于大眾來(lái)說(shuō)由腰線所形成的側(cè)圍造型是相對(duì)更重要的特征,所以特征的分類是沒(méi)有權(quán)重的。1.3汽車(chē)造型特征線的建立基于汽車(chē)造型特征和特征線定義提取20條汽車(chē)造型特征線并進(jìn)行了分類分析。按照特征與特征線的概念,對(duì)于AudiA62004年版汽車(chē)造型進(jìn)行實(shí)例分析,見(jiàn)圖4。主特征和主特征線的提取:在三圍一頂?shù)闹髅嫔咸崛〉脑煨吞卣骶褪侵髟煨吞卣?見(jiàn)圖3、圖4。1、2、3線分別是前引擎蓋頂端線、車(chē)廂頂端線和尾箱頂端線,共同組成側(cè)面輪廓線,控制和表達(dá)汽車(chē)造型的側(cè)面輪廓和車(chē)型。4、5線分別是車(chē)窗上沿線和下沿線,組成車(chē)窗側(cè)面形狀的窗沿線。顯然,4線的形與1、2、3線的形之間有著高度的關(guān)聯(lián)性,5線的形與8線(腰線)有著密切的關(guān)系。8線是表達(dá)汽車(chē)造型整體風(fēng)格的腰線。7線確定了輪胎的位置,36線是車(chē)底線。以上特征線都屬于三圍一頂上提取的主特征。主特征是控制汽車(chē)造型的整體感覺(jué)和風(fēng)格,對(duì)車(chē)型的變化和風(fēng)格趨勢(shì)研究有重要的描述意義。過(guò)渡特征和過(guò)渡特征線的提取:三圍一頂?shù)闹髅嬷g的過(guò)渡面上提取的造型特征就是過(guò)渡特征。13線是2線和4線之間的過(guò)渡特征線。17、18線分別顯示了A柱和C柱與其相關(guān)面的過(guò)渡。14線顯示了輪罩的形狀,是與主造型面的過(guò)渡。15線顯示了引擎蓋的造型變化,是引擎蓋上主造型面之間的過(guò)渡特征。過(guò)渡特征通常反映車(chē)身造型細(xì)節(jié),是主特征之間的過(guò)渡和連貫。附加特征和特征線的提取:在整車(chē)造型的基礎(chǔ)上,通過(guò)裁減和添加手法形成的局部造型區(qū)域,產(chǎn)生了造型附加特征。21、22、23線分別代表前燈,格柵和尾燈的特征線,在汽車(chē)造型特征識(shí)別上起著十分重要的作用。24、25線代表前后保險(xiǎn)杠特征線。27線代表剎車(chē)通風(fēng)口特征線。附加特征通常反映品牌特征,21、22、23線具有高度的可識(shí)別性是造型設(shè)計(jì)要點(diǎn)。通過(guò)提取20條汽車(chē)造型特征線,將其分類為主特征線、過(guò)度特征線和附加特征線,建立了基于特征和特征線的汽車(chē)造型描述模型,見(jiàn)圖3。圖中,一個(gè)汽車(chē)造型實(shí)體被描述為造型特征的集合,造型特征又被表達(dá)為主特征、過(guò)渡特征和附加特征,特征與特征之間的關(guān)聯(lián)性由連線表示,從而構(gòu)建了一個(gè)完整的汽車(chē)造型描述模型。在汽車(chē)造型特征描述模型的基礎(chǔ)上,按照Metadata表結(jié)構(gòu)構(gòu)建了汽車(chē)造型特征的數(shù)據(jù)庫(kù),表1為汽車(chē)造型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。表1中,包括了每個(gè)特征實(shí)體的標(biāo)記(e1e2e3)、場(chǎng)合意象(車(chē)型、風(fēng)格、品牌)、造型意象(曲直、復(fù)雜簡(jiǎn)潔)、特別描述(高檔)、關(guān)聯(lián)實(shí)體(e1e2e3與e8關(guān)聯(lián),e1e2e3與e7e36關(guān)聯(lián))。2基于特征線的汽車(chē)造型描述模型文中以汽車(chē)造型為研究對(duì)象,通過(guò)汽車(chē)造型草圖和3D建模的分析,提