文/ 梁峭 陳旻瑾 陳香 （江南大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院）

引言

消失面（漸消面）是工業(yè)產(chǎn)品中常見的一類曲面，對于消失面建模的掌握程度影響著數(shù)模師的建模能力，因此，對消失面構(gòu)建方法的探索是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)中的重要內(nèi)容，也是教學(xué)的難點(diǎn)之一。汽車是由復(fù)雜曲面包裹的工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，其中，大量變化精妙的消失面是其造型特征的重要組成部分，以汽車車身消失面作為對象，基于消失面的分類對其構(gòu)建方法進(jìn)行教學(xué)，對于提升數(shù)模師構(gòu)建曲面的能力有重要意義。

Alias作為目前汽車正向和逆向造型的主流軟件之一2歐陽波, 王楓紅, 賀赟. 基于Alias的自由曲面逆向造型設(shè)計(jì)[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 36(4):389-392.OUYANG Bo,Wang Feng-hong,HE Yun.Free Form Surface Reverse Design Based on Alias[J].Journal of Donghua University(Natural Science), 2010,36(4):389-392.，具有強(qiáng)大的自由曲面構(gòu)建功能，能夠構(gòu)建高階曲線和曲面，勝任從概念草模、CAS數(shù)模到A面數(shù)模的全部工作，在C3P環(huán)境（CAD、CAM、CAE和PDM）中3嚴(yán)揚(yáng), 劉志國, 高華云. 汽車造型設(shè)計(jì)概論[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.完成與下游工程階段的對接。而在消失面的構(gòu)建中，Alias也有其獨(dú)特的方法與思路。因此，本文嘗試在數(shù)字化（math-based）開發(fā)流程1趙偉，明守政，金靜強(qiáng).型面數(shù)字化設(shè)計(jì)對于提升汽車內(nèi)飾感知品質(zhì)的研究[J]. 包裝工程, 2016，37(24):96-101.ZHAO Wei,MING Shou-zheng,JIN Jing-qiang.Improving Perceived Quality of Automotive Interior in Surface Design[J].Packing Engineering, 2016，37(24):96-101.這一大背景下，基于造型特征2周文治, 趙江洪. 工程驅(qū)動(dòng)的汽車造型特征設(shè)計(jì)[J]. 包裝工程, 2017(12):141-144.ZHOU Wen-zhi,ZHAO Jiang-hong.The Automobile Styling Feature Design Driven by Engineering[J].Packing Engineering, 2017，38(12):141-144.3王震亞, 李海旺. 基于眼動(dòng)追蹤技術(shù)的汽車造型特征提取與認(rèn)知研究[J]. 包裝工程, 2016,37(20):54-58.WANG Zhen-ya,LI Hai-wang.Automotive Styling Feature Extraction and Cognition Based on the Eye Tracking Technology[J].Packing Engineering,2016,37(20):54-58.中消失面原理與影響因素的分析，在Alias環(huán)境中探討消失面的構(gòu)建方法及教學(xué)。

圖1 汽車造型中消失面在三個(gè)層次的運(yùn)用

一、汽車造型形面

從汽車基本造型信息來說，汽車造型信息包含體量（Volume）、形面（Treatment）和圖形（Graphic）三類4Catalano C E , Giannini F , Monti M, etal.Towards an Automatic Semantic Annotation of Car Aesthetics.Artificial Intelligence for Engineering Design,Analysis,and Manufacturing,2007,21(1):73-90.。設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)過程也遵從V-T-G的一般順序：體量先決定了車的類型，形面處理讓整車風(fēng)格更加清晰和明確，最后圖形的處理則與品牌識(shí)別息息相關(guān)。其中，形面要素指形面本身的屬性，以及與形面美學(xué)屬性相關(guān)的特征線。

形面的出現(xiàn)和發(fā)展伴隨著汽車造型風(fēng)格的各個(gè)階段，在不同的風(fēng)格時(shí)期，形面都表現(xiàn)出了對應(yīng)的特征，也越來越成為風(fēng)格信息的載體。比如，從馬車型汽車到箱型汽車，完成了特征面從無到有的蛻變。在流線型風(fēng)格階段，為了提高汽車的空氣動(dòng)力學(xué)屬性，大面積的、整體性的曲面開始出現(xiàn)在車身上，汽車真正成為了由復(fù)雜曲面包裹的造型實(shí)體。而到了雕塑化風(fēng)格階段，形面更是成為設(shè)計(jì)師重點(diǎn)關(guān)注和刻畫的領(lǐng)域，成為了整車風(fēng)格的載體，并深刻地融入了品牌基因。因此，對于形面的關(guān)注成為汽車造型研究的重要方面，其中，消失面作為一類曲面，也作為一種造型處理手法，與汽車造型關(guān)系緊密。

二、消失面與汽車造型

汽車屬于三維形體，對面的研究必然涉及到線。在三維形體中，線可以看作面與面相交而形成，不同的形面關(guān)系形成走勢不一的線型。汽車車身上，特征線形成了主要、過渡、附加的層級1趙丹華, 趙江洪. 汽車造型特征與特征線[J]. 包裝工程, 2007, 28(3):115-117.ZHAO Dan-hua,ZHAO Jiang-hong.Automobile Form Feature and Feature Line[J].Packing Engineering, 2007, 28(3):115-117.，關(guān)鍵特征線（比如肩線、腰線、裙線）的處理對于整體形態(tài)至關(guān)重要。而與此對應(yīng)，形面同樣有層級，形成了主特征面、過渡特征面和附加特征面的體系2梁峭,趙江洪.汽車造型特征與特征面[J].裝飾，2013(11):87-88.LIANG Qiao,ZHAO Jiang-hong.Automobile Modeling Features and Characteristic Surface[J].Zhuangshi, 2013(11):87-88.。消失面按照使用情況，可以用在主特征面、過渡特征面和附加特征面的任何一個(gè)層級，圖1中分別列舉了汽車造型實(shí)例中，消失面在三個(gè)層次的運(yùn)用情況。

從上圖可以看出，消失面在汽車車身上的應(yīng)用包括：1）作為主特征存在，對整體造型進(jìn)行分割，定義了整車的比例，并影響整車風(fēng)格；2）作為過渡面存在，在面與面之間形成不同連續(xù)性的過渡，完成兩個(gè)面的轉(zhuǎn)折，起到起承轉(zhuǎn)合的作用；3）作為獨(dú)立的附加特征存在，附著于原本單一的造型上，起豐富造型的作用；4）用來強(qiáng)調(diào)某條特征線，通過形面的設(shè)計(jì)來加強(qiáng)某一條重要的特征線，從而強(qiáng)調(diào)該特征線的意義。由此可見，消失面對與汽車車身造型有重要的意義，同時(shí)由于其運(yùn)用的靈活性，能夠?qū)υ煨推鸬蕉x、過渡、豐富等作用。

此外，通過對消失面形態(tài)的觀察可以看到，消失的面往往意味著消失的線，而線是有視覺引導(dǎo)性的，利用線的視覺引導(dǎo)性來進(jìn)行造型設(shè)計(jì)也是常用的手法。例如，一根完整的、持續(xù)的線能夠引導(dǎo)完整的視覺流程，但是容易產(chǎn)生無趣，造成造型的死板。而巧妙運(yùn)用消失的線則能產(chǎn)生聯(lián)想、關(guān)聯(lián)，形成心理的一種視覺延續(xù)，使得造型豐富，而這也是消失線和消失面對于造型的重要意義。

在汽車造型領(lǐng)域有舉足輕重地位的寶馬的“火焰形面”(flaming surface)，被公認(rèn)影響了過去近20年的汽車造型形面風(fēng)格，引領(lǐng)了“雕塑化風(fēng)格”的形成，其鼻祖克里斯·班戈用了圖2來解釋其形成原理3Silvia Baruffaldi. Bangle's Theorem. Auto&Design, 2005, 155:47-50.：“兩個(gè)面相交時(shí)，將兩個(gè)面各自延長，會(huì)有一條虛擬的相交線，稱為理論交線（theoretical line），意大利設(shè)計(jì)師特別擅長控制這些理論相交線；而如果在這個(gè)面的中間加一條凸起的脊，就像肌腱和肌肉一樣，先拱起再消失，這就是樣條線（spline）的處理方式”。而圖中的“spline”這一種造型手法，其實(shí)就是一種典型的消失面形成手法。通過對這一類形面的巧妙運(yùn)用，能夠形成整車的風(fēng)格，直至品牌的造型基因。

三、消失面的分類及影響因素

“消失”意味著一塊面或者一條線的從有到無。前文說到，線其實(shí)是面與面相交而成的交線，因此，線的消失意味著面的融合。由于汽車車身屬于3D實(shí)體，面不可能憑空消失，因此綜合起來，汽車車身的大部分消失面都可以解釋為“兩塊或多塊原本G0連續(xù)的面最終與同一塊面形成G2連續(xù)”。

圖2 克里斯·班戈解釋寶馬線條與形面處理方式的草圖手稿

在這一基礎(chǔ)上，可以對車身的消失面類型進(jìn)行一個(gè)總結(jié)，消失面大致可以分為AC，ABC，ABBA三種。AC類型消失面又可以稱為“消失線型”，因?yàn)閲?yán)格意義上來說，這里并沒有面的消失而只有線的消失，即AC兩塊面原本G0連續(xù)，形成鋒利的特征線，最終二者融合于同一個(gè)面。ABC型是汽車造型中使用最多的類型，ABC型與AC型最大的差別在于，B面和C面有一個(gè)曲率的巨大變化導(dǎo)致法線反轉(zhuǎn)，從而形成B這樣一個(gè)新的特征面，這個(gè)特征面在腰線面等地方使用頻繁。相比AC型的鋒利，ABC型變化更多，消失更柔和。而ABBA型可以看作ABC型的一種特殊情況，即棱線的兩邊都形成了一個(gè)B面，這種手法在引擎蓋棱線位置使用特別多。圖3分別是三種類型的構(gòu)成方式、數(shù)模演示和實(shí)例舉例。

一般來說，形面的質(zhì)量主要由連續(xù)性、曲率等因素決定1Catalano C E, Falcidieno B, Giannini F, et al. A Survey of Computer-Aided Modeling Tools for Aesthetic Design.[J]. Journal of Computing &Information Science in Engineering, 2002, 2(1):11-20.ZHANG Wen-quan,ZHAO Jiang-hong.Research on the Formation of Audi Brand and Design Feature[J].Zhuangshi, 2011(7):75-77.，結(jié)合上述消失面的類型，便可以對影響消失面的主要因素進(jìn)行歸納，如圖4所示。1）初始面形狀。消失面往往依托于兩塊或多塊初始面，通過與初始面形成GO、G1、G2等不同的連續(xù)關(guān)系，而達(dá)到“消失”的效果。因此，初始面形狀是影響消失面的首要因素，初始面的凹凸程度、走勢，會(huì)對消失面形成直接影響。2）面高差。根據(jù)上文的分析，消失面的形成可以理解為兩塊或多塊原本G0或G1連續(xù)的面最終與同一塊面形成G2連續(xù)，這樣的話，意味著消失面有兩頭，一頭是由于面高差，形成較為明顯的面。而另一頭則是與第三個(gè)面形成融合關(guān)系，從而消失。因此，面高差是影響消失面的另一個(gè)因素，高差越大，消失面特征越明顯；3）特征線形狀（包括作為邊界和結(jié)構(gòu)線的特征線）。上文提到，面與面的相交形成線，而在建模尤其是NURBS方式的建模過程中，往往是通過搭線來構(gòu)面，因此，所使用的切割線以及搭接線的形狀決定了消失面的輪廓。上述三個(gè)影響因素往往是同時(shí)作用，共同決定了消失面的形狀和質(zhì)量。

圖3 消失面類型總結(jié)與示意

四、典型汽車消失面的構(gòu)建方法分析與教學(xué)

Alias中并沒有專門的工具來構(gòu)建消失面，而是利用通用工具。但是由于Alias強(qiáng)大的曲面功能，配合合理的方法，能夠構(gòu)建出任意形態(tài)的高質(zhì)量的消失面。因此本節(jié)將結(jié)合汽車車身常見消失面的位置與形式，講述典型消失面的構(gòu)建及教學(xué)方法。1、調(diào)節(jié)曲面CV點(diǎn)形成消失面（棱線）

Alias中形面都由CV點(diǎn)構(gòu)成，因而可以通過CV點(diǎn)來進(jìn)行直接控制，這種直接調(diào)節(jié)CV點(diǎn)來形成消失面的方法比較常用在形成特定消失面尤其是棱線的時(shí)候，比如引擎蓋凹凸造型面。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速得到某個(gè)特征，而缺點(diǎn)就是不能精確控制，因此常用在概念CAS模型中。具體的方法為：搭建大面，畫出投影線，在所要構(gòu)建棱線的大面上，用“project”+“trim”工具，使用投影線切出比棱線所在面積稍大的四邊面區(qū)域，之后用“trim convert”工具將切出的四邊面進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化時(shí)將面的階數(shù)增加，亦即增加面的CV點(diǎn)。然后選取部分CV點(diǎn)進(jìn)行拉升及調(diào)整，直至得到得到理想形狀的棱線，過程如圖5所示。

該方法的教學(xué)中需要強(qiáng)調(diào)幾個(gè)要點(diǎn)：1）所切四邊面的形狀基本決定了棱線的大致形狀，因此在切割的時(shí)候要進(jìn)行提早謀劃，例如棱線的所在區(qū)域、寬窄比例、大致彎曲形狀等，都會(huì)受到投影線的影響；2）由于棱線要“消失”，因此四邊面與原來的大面仍然必須保證G2連續(xù)，故而在調(diào)節(jié)CV點(diǎn)的時(shí)候要注意，上下左右四個(gè)方向的兩排CV點(diǎn)不能動(dòng)。如果不小心移動(dòng)，后期通過Align工具重新連續(xù)，然后再調(diào)整形狀；3）調(diào)節(jié)CV點(diǎn)的時(shí)候，為了精確地控制棱線的形狀，可以打開“Transform CV”工具來控制鼠標(biāo)移動(dòng)的敏感度，還可以通過空格鍵打開“Hotspot”面板來對詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化操作。

圖4 消失面影響因素總結(jié)及示意

2、大面剪切形成消失面

在Alias的曲面構(gòu)建中，有這樣一個(gè)規(guī)律，“先構(gòu)大面（主特征面），后建過渡面，最終附加面”，而典型的一些過渡面和附加面，正是可以通過這樣一個(gè)方法來得到。如圖6，以前保險(xiǎn)杠立面為例，構(gòu)建一個(gè)附加特征面。其基本步驟包括：1）構(gòu)建原始曲面，通過掃掠等方式，構(gòu)建一個(gè)面積較大、幾何屬性簡單的大面，作為基礎(chǔ)；2）分面，在原始曲面的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要構(gòu)建相互關(guān)聯(lián)的大面，形成對應(yīng)的連續(xù)關(guān)系（通常是G2）；3)根據(jù)造型需要或者依據(jù)三視圖，構(gòu)建投影特征線，特征線的形狀形成相互關(guān)聯(lián)性；4）使用投影特征線進(jìn)行投影、剪切，形成消失面區(qū)域；5）根據(jù)需求搭線，或利用現(xiàn)有邊界，形成四邊面，然后使用相應(yīng)曲面命令搭建四邊面，過程中保證相應(yīng)連續(xù)性。通常是一條邊形成G0的線，另一條邊形成G2的高連續(xù)曲面。

該方法的教學(xué)要點(diǎn)包括：1）原始面的搭建時(shí)，就要考慮到消失面的連續(xù)性，因而需要從一開始就保證原始面的基本連續(xù)關(guān)系。例如圖中的兩條投影線分別剪切兩塊不同的面，而這兩塊面都需要同時(shí)與上方的原始曲面形成G2連續(xù)來保證光影效果；2）投影特征線的形狀與位置需要仔細(xì)考慮，一方面遵循設(shè)計(jì)師在效果圖中的要求，另一方面要考慮消失面的變化的緩急，因?yàn)檫@個(gè)變化緩急的程度決定了斑馬線的走勢與密集程度，最終決定了曲面的光影；3）構(gòu)建四邊面的命令有許多選擇，例如“rail”、“square”等，這些命令的選取以及相關(guān)命令選項(xiàng)的設(shè)置，要根據(jù)實(shí)際情況特別是造型要求與效果進(jìn)行。

3、線面搭接形成消失面

這是Alias建模尤其是CAS模構(gòu)建中最常使用的一種方法，因?yàn)镹URBS建模方法最重要的原理就是以線構(gòu)面，通過線和線的連續(xù)、線和面的連續(xù)，最終實(shí)現(xiàn)想要的面與面的連續(xù)。該方法的原理還是先通過線，把非漸消的部分構(gòu)建出來，留下漸消的區(qū)域，然后通過線的搭接，面的調(diào)整，完成消失面的構(gòu)建。如圖7所示，以常見的汽車肩線特征面的構(gòu)建為例，具體的步驟如下：1）分面。在這一類型的消失面構(gòu)建中，分面的合理性至關(guān)重要。通常是將變化趨勢一致的非漸消部分構(gòu)建出來，形成原始大面，從而確定漸消面的起始位置及區(qū)域；2）搭線。根據(jù)分面的情況，結(jié)合曲面的幾何特性，構(gòu)建第一階段曲面。首先，使用“project tangent”或者“align 2008”工具保證線的連續(xù)性，然后在構(gòu)建四邊面的過程中繼續(xù)保持連續(xù)性，通過相關(guān)參數(shù)的調(diào)整來使斑馬線與光影符合造型要求；3）繼續(xù)搭線，構(gòu)建第二階段曲面，仍然是先調(diào)整線的連續(xù)性，再保證面的連續(xù)性，并使最終光影效果符合要求。

圖5 調(diào)節(jié)曲面CV點(diǎn)形成消失面（棱線）示意

圖6 大面剪切形成消失面示意

該方法的教學(xué)要點(diǎn)包括：1）分面要合理，分清楚主特征面、過渡特征面等曲面位置，尤其是消失面的邊界要確定好，可以嘗試多種分面方式，以表達(dá)曲面形態(tài)和保證曲面質(zhì)量為目的。新手?jǐn)?shù)模師可以采用“試錯(cuò)”的方式，分好面之后快速進(jìn)行曲面搭建，如果行不通，迅速更換思路，嘗試新方法。分面的方式強(qiáng)烈依托于各數(shù)模師的建模習(xí)慣及經(jīng)驗(yàn)；2）由于該方法的核心在于以線構(gòu)面，因此線的形態(tài)、質(zhì)量、連續(xù)性對面的效果由直接決定作用。教學(xué)過程中要強(qiáng)調(diào)對線型的控制，培養(yǎng)對線型的感覺，特別是需要訓(xùn)練調(diào)線的技巧。因此在本方法教學(xué)之前，除了講解連續(xù)性的一般概念之外，需要安排專門的調(diào)線練習(xí)，幫助數(shù)模師快速、有效地調(diào)出高質(zhì)量的曲線；3）在很多情況下，需要直接打開曲面的CV點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，這時(shí)候可以打開曲面連續(xù)性檢測工具，通過觀察最大間隙的位置來調(diào)整具體的CV點(diǎn)，調(diào)整的過程需要注意形態(tài)與連續(xù)性的變化。

圖7 線面搭接形成消失面

結(jié)語

一塊面的消失往往意味著另一塊面的生成，因此消失面既是一種曲面類型，也可以視作曲面之間形成的一種曲面關(guān)系，亦或是基于曲面的一種造型方法。而Alias作為專業(yè)的數(shù)模軟件，提供了強(qiáng)大的構(gòu)建曲面與控制曲面質(zhì)量的命令?；贏lias環(huán)境的汽車車身消失面教學(xué)對于提升數(shù)模師的建模能力提供了幫助。同時(shí)需要看到，對于汽車車身曲面的構(gòu)建除了要熟練掌握軟件命令之外，更重要的在于提升對車身曲面形態(tài)的理解與把握能力。因此在教學(xué)中需要傳達(dá)一個(gè)理念，即數(shù)模師需要在與設(shè)計(jì)師的溝通協(xié)作中，形成對設(shè)計(jì)意圖的良好理解，并融入模型處理的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，最終目的是為概念的落地而服務(wù)，并完成兩種角色的協(xié)同創(chuàng)新。