楊念祖　邢魚(yú)弟

關(guān)鍵詞：NURBS 曲面；Polygon 多邊形；3D UI ；OpenGL 引擎；UV 展開(kāi)

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著智能網(wǎng)聯(lián)和自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷革新，車(chē)企紛紛加速推出智能化汽車(chē)產(chǎn)品，市場(chǎng)對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品的認(rèn)可度和接受度也逐步提升。新能源汽車(chē)加速普及也為智能化技術(shù)落地創(chuàng)造了更多可能。數(shù)據(jù)顯示，到2030 年，中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)中將有50% 的新車(chē)為新能源汽車(chē)，其中絕大多數(shù)新能源汽車(chē)將會(huì)搭載智能化硬件和相關(guān)功能。從前，汽車(chē)的功能性單一，機(jī)械按鍵操控車(chē)上所有功能，如收音機(jī)和CD 播放音樂(lè)等。而如今，液晶中控大屏取代了這些按鍵，各類(lèi)應(yīng)用軟件也取代了收音機(jī)和CD。最新上市的車(chē)型中更是展現(xiàn)出了全新的汽車(chē)發(fā)展趨勢(shì)，大量車(chē)型使用3D UI 人機(jī)交互設(shè)計(jì)、智能駕駛輔助等組成沉浸式體驗(yàn)的全場(chǎng)景智能。在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，車(chē)內(nèi)的HMI 智能交互系統(tǒng)不僅是車(chē)輛功能的控制中心，更是車(chē)企展示差異化體驗(yàn)設(shè)計(jì)，展示品牌技術(shù)儲(chǔ)備的重要節(jié)點(diǎn)[1]。

界面設(shè)計(jì)（UI 設(shè)計(jì)）是指對(duì)軟件的人機(jī)交互、操作邏輯和界面美觀的整體設(shè)計(jì)[2]。而3D UI 人機(jī)交互簡(jiǎn)單地，就是可以把車(chē)輛感知范圍內(nèi)的世界投射到車(chē)機(jī)屏幕上，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)駕駛過(guò)程中的駕駛感知信息。它不僅能提高駕駛中的安全性，還能帶來(lái)沉浸式的座艙交互感受。比如在車(chē)型狀態(tài)界面，車(chē)輛是3D 呈現(xiàn)的，用戶可以用觸控的方式控制車(chē)窗、后視鏡、行李艙蓋和空調(diào)等。

在互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展過(guò)程中，智能化、多功能成為汽車(chē)UI 設(shè)計(jì)的新方向[3]。相較于傳統(tǒng)平面圖形的UI 界面，3D UI 界面更加真實(shí)，尤其是基于可視化引擎的3D UI 界面，其可實(shí)現(xiàn)的效果和交互的方式幾乎沒(méi)有限制。如使用Unity 引擎的小鵬G9，使用UnrealEngine 引擎的高合HiPhi Z，它們的3D UI 設(shè)計(jì)效果獨(dú)特，好看好用。

但3D UI 界面的缺點(diǎn)仍然存在。與2D UI 圖片幾乎不占太多系統(tǒng)資源相比，3D UI 界面中車(chē)輛數(shù)模數(shù)據(jù)量越大，效果越精細(xì)，對(duì)系統(tǒng)算力的占用也就越大。實(shí)時(shí)材質(zhì)光影效果更真實(shí)、自然，同時(shí)占用很多的GPU 算力。如何在效果和效率上平衡，是3D UI 使用的一個(gè)難點(diǎn)。特別是針對(duì)采用普通芯片，算力并不突出的一般車(chē)型而言，數(shù)據(jù)量及用戶體驗(yàn)是優(yōu)先考慮的因素。因此，應(yīng)該從2 個(gè)方面優(yōu)化3D UI 模型，即車(chē)模數(shù)據(jù)量?jī)?yōu)化和車(chē)模光影效果優(yōu)化。

1 車(chē)模數(shù)據(jù)量?jī)?yōu)化

1.1 三維車(chē)模數(shù)據(jù)類(lèi)型

眾所周知， 主機(jī)廠在制作整車(chē)模型時(shí)通常采用ALIAS、ICEM、CATIA 和UG 等專(zhuān)業(yè)軟件， 通過(guò)這些工具創(chuàng)建NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）曲面模型。NURBS 曲面模型以數(shù)學(xué)公式計(jì)算得出的準(zhǔn)確坐標(biāo)參數(shù)為基礎(chǔ)，因此其邊、面以及任何一點(diǎn)都具有高度準(zhǔn)確性。這使得NURBS 曲面模型在實(shí)際的模具制造和物理加工生產(chǎn)中能夠得到廣泛應(yīng)用。

NURBS 曲面的平滑度極高，能夠無(wú)縫連接各個(gè)控制點(diǎn)，形成流暢的曲線和表面。這一特性對(duì)于整車(chē)外觀的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)樗_保了車(chē)身曲線的自然過(guò)渡，使得最終的整車(chē)外觀更為流暢、美觀。在實(shí)際的模具制造過(guò)程中，這種高度準(zhǔn)確的曲面模型能夠直接應(yīng)用于數(shù)控加工等環(huán)節(jié)，確保模具制造的精度和質(zhì)量。

具體而言，如圖1 所示，綠色區(qū)域代表著NURBS 曲面，而紅色點(diǎn)則標(biāo)示了CV（Control Vertex） 關(guān)鍵控制點(diǎn)。這些控制點(diǎn)在NURBS 曲面的構(gòu)建過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，通過(guò)它們的位置調(diào)整，可以精確控制曲面的形狀和曲率。這種精準(zhǔn)的控制使得NURBS 曲面模型在整車(chē)設(shè)計(jì)中能夠滿足對(duì)曲線和表面的高要求。

但在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和車(chē)載UI 的OpenGL 三維圖形界面中，三維模型通常以多邊形（Polygon）結(jié)構(gòu)表示，由點(diǎn)、線和面組成。這種模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量較小，使其能夠充分利用顯示芯片GPU 進(jìn)行高效繪制（圖2）。多邊形模型在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域、三維顯示、渲染以及圖形用戶界面中得到廣泛應(yīng)用。這種表示方式不僅有助于圖形的快速繪制，而且在處理相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)時(shí)能夠有效降低數(shù)據(jù)復(fù)雜度，提高渲染效率。

1.2 三維車(chē)模數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)化

NURBS 曲面模型是一種準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，其數(shù)據(jù)量很大，在三維OpenGL 界面中正常顯示的話，需要將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)或車(chē)機(jī)能處理的簡(jiǎn)單Polygon 模型。這種由NURBS 曲面模型轉(zhuǎn)化為Polygon 模型的過(guò)程稱(chēng)為細(xì)分（Tessellation），該過(guò)程可以使用計(jì)算機(jī)圖形化軟件自動(dòng)處理。使用弦長(zhǎng)偏差（ChordDeviation）、法線偏差（Normal Tolerance）和最大弦長(zhǎng)（MaxChord Length）3 個(gè)參數(shù)調(diào)整精度。參數(shù)值越低，細(xì)分精度越高；細(xì)分精度越高，模型越平滑，數(shù)據(jù)量越大。

如圖3 所示，從左往右分別為NURBS 曲面、弦長(zhǎng)偏差為2.000 mm 的多邊形模型以及弦長(zhǎng)偏差為0.075 mm 的多邊形模型，后兩者的三角面數(shù)分別為1 244、33 150。因此，細(xì)分過(guò)程的精度設(shè)置會(huì)導(dǎo)致三角面數(shù)的幾十倍差異。

1.3 車(chē)載3D UI 模型優(yōu)化方法

以某車(chē)型為例，使用極大的弦長(zhǎng)偏差（3.000 mm）、極大的法線偏差（30.000 mm）以及極大的最大弦長(zhǎng)（400.000 mm）轉(zhuǎn)換整車(chē)外飾曲面模型，最終得到20 萬(wàn)面數(shù)的多邊形數(shù)模。如此低精度轉(zhuǎn)換后的車(chē)模，在目標(biāo)車(chē)輛中控界面運(yùn)行時(shí)會(huì)異?？D，且漏光，模型粗糙。如圖4 所示，模型銘牌字符不完整，圓角變折角，多處面破面。

卡頓原因是車(chē)模數(shù)據(jù)面數(shù)多，車(chē)載芯片算力不足。但原模型已無(wú)法繼續(xù)整體降低精度，因此，自動(dòng)細(xì)分方法對(duì)車(chē)載3D 模型不可用。而多邊形建模是目前應(yīng)用最廣的建模方法，它的兼容性非常好，運(yùn)行速度最快，而且在較少的面數(shù)下也制作出復(fù)雜的模型[4]。

通過(guò)對(duì)自動(dòng)細(xì)分模型的分析，我們可以觀察到，NURBS 曲面的段數(shù)和階數(shù)之間存在的差異導(dǎo)致細(xì)分后的模型中，大多數(shù)面都集中在曲面的圓角、轉(zhuǎn)折和分縫等區(qū)域，而相對(duì)較大的曲面塊中的面數(shù)較少。由于精度較低，這導(dǎo)致了面與面之間接縫的破損。為了避免這一問(wèn)題，應(yīng)采取手動(dòng)調(diào)整的方式，將更多的面數(shù)分配給較大的曲面塊，以確保其在模型中得到最優(yōu)的顯示效果。此外，模型拼縫、圓角和字符等取消在數(shù)模中體現(xiàn)，而改用貼圖來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的效果。這樣可以提高模型的整體精度，避免由于低精度導(dǎo)致的面接縫破損問(wèn)題。

綜上所述，我們得到了手動(dòng)多邊形建模的具體流程。

（1）使用多邊形建模軟件如MAYA、Blender 或3DSMAX，導(dǎo)入高細(xì)分多邊形模型。

（2）重新構(gòu)建低面數(shù)多邊形，可以使用點(diǎn)吸附功能，將新模型的點(diǎn)吸附在高細(xì)分模型中。為方便后續(xù)調(diào)整，盡量使用四邊形來(lái)制作模型

（3）因車(chē)模為左右對(duì)稱(chēng)，只需要重構(gòu)一側(cè)數(shù)模。盡可能使用少的點(diǎn)來(lái)擬合高細(xì)分模型，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特征如腰線、大曲面等需要在模型中通過(guò)卡點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。其他小細(xì)節(jié)、圓角和非視覺(jué)中心特征等，可以不在模型中體現(xiàn)。

（4）最后設(shè)置模型的軟硬邊，以體現(xiàn)數(shù)模的轉(zhuǎn)折特征和光滑過(guò)渡，將模型的總面數(shù)控制在2 萬(wàn)以下（圖5）。

圖5 所示為MAYA 制作的某車(chē)型3D UI 模型，其最終面數(shù)為5 689。

2 車(chē)模光影效果優(yōu)化

除了使用游戲引擎（U n i t y 、U n rea lEngine）的車(chē)載系統(tǒng)，絕大多數(shù)車(chē)輛的車(chē)載系統(tǒng)無(wú)法支持高階的OpenGL 圖形化功能，如動(dòng)態(tài)高光、反射、實(shí)時(shí)陰影和透明通道等，而僅能在固有色層支持一張或數(shù)張貼圖。因此，在車(chē)模光影的優(yōu)化中，我們需要將真實(shí)的光影、反射等信息匯集到一張圖片中。加上前述中的圓角、轉(zhuǎn)折和分縫等，也需一并在貼圖中體現(xiàn)。具體流程如下。

（1）使用MAYA 或UV Layout 等軟件將3D 車(chē)模的UV 拆分，因車(chē)模左右對(duì)稱(chēng)，為最大化利用貼圖資源，相同部分的UV 應(yīng)重合在一起。特別注意前后保險(xiǎn)杠，因牽引鉤蓋的開(kāi)口，無(wú)法對(duì)稱(chēng)使用。為保證貼圖清晰度，重點(diǎn)關(guān)注部位如燈具等，需要在UV 圖中占據(jù)大一點(diǎn)的位置（圖6）。

（2） 準(zhǔn)備車(chē)型的正前、正后、正側(cè)、前45°和后45°實(shí)拍圖片或者渲染圖片。此圖片直接影響最后車(chē)模效果，需仔細(xì)評(píng)估準(zhǔn)備。

（3）使用Bodypaint3 D 或者S u b sta n ce Painter 等貼圖繪制軟件，用貼圖投射的方式將5 張圖投射到車(chē)模中。其中，前45°和后45°圖為融合正前、正側(cè)和正后使用（圖7）。

（4）可以使用圖片的分縫位置來(lái)參考投射的角度，盡量使投射視角與照片視角一致。利用多圖層及遮罩實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。對(duì)圖片中材質(zhì)表現(xiàn)不到位的部分，可以使用其他圖片或軟件內(nèi)部材質(zhì)替代（圖8）。

3 結(jié)束語(yǔ)

飛速發(fā)展的時(shí)代已經(jīng)向人們有力證明，當(dāng)下限制人類(lèi)發(fā)展的只能是人們的思想。只要人們敢想、敢做、敢實(shí)踐，人類(lèi)未來(lái)的生活必定逐步走向科技化、智能化和現(xiàn)代化[5]。隨著車(chē)輛智能化和網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，車(chē)載用戶界面（UI）的演化成為汽車(chē)科技領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。其中，從2D 到3D 的轉(zhuǎn)變，標(biāo)志著未來(lái)駕駛體驗(yàn)的變革。推動(dòng)這一變化是車(chē)載芯片算力的持續(xù)提升。隨著技術(shù)的進(jìn)步，車(chē)輛的算力逐漸達(dá)到能夠處理上百萬(wàn)多邊形數(shù)據(jù)的水平，為實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的實(shí)時(shí)光影、反射等效果奠定了基礎(chǔ)。

在不久的將來(lái)，我們有望看到車(chē)輛完全能夠處理復(fù)雜而龐大的三維模型，將駕駛艙變?yōu)橐粋€(gè)沉浸式的虛擬空間。這意味著駕駛者和乘客可以在車(chē)內(nèi)感受到更加逼真的視覺(jué)體驗(yàn)，仿佛置身于另一個(gè)現(xiàn)實(shí)之中。這不僅僅是對(duì)駕駛過(guò)程的提升，更是對(duì)整個(gè)出行時(shí)代的定義和重新構(gòu)想。然而，在這個(gè)未來(lái)愈發(fā)清晰的畫(huà)面之前，我們需要找到在當(dāng)前主流車(chē)載系統(tǒng)中流暢運(yùn)行3D 車(chē)模的解決方案。

這種解決方案的關(guān)鍵在于充分利用現(xiàn)有技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化和整合，實(shí)現(xiàn)在有限算力下的高效運(yùn)行。通過(guò)巧妙地處理多邊形數(shù)據(jù)，能夠在不影響性能的前提下完整呈現(xiàn)整車(chē)效果，而無(wú)需等待未來(lái)高算力的車(chē)載系統(tǒng)。

繼續(xù)深入研究和推廣這一方法，將為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)注入新的活力。它不僅僅是技術(shù)的進(jìn)步，更是對(duì)用戶體驗(yàn)的重要改善。未來(lái)駕駛不再僅僅是目的地的到達(dá)，更是一場(chǎng)身臨其境的感官之旅。這樣的變革，讓駕駛變得更加智能、有趣、安全。因此，我們有理由相信，3D 車(chē)模的推廣將成為未來(lái)車(chē)輛設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新的一項(xiàng)重要趨勢(shì)。

作者簡(jiǎn)介：

楊念祖，本科，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)虛擬可視化VR 評(píng)審、車(chē)CGI 動(dòng)畫(huà)。

邢魚(yú)弟，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠?chē)數(shù)字曲面A 面設(shè)計(jì)、汽車(chē)外造型CAS 快速實(shí)現(xiàn)。