汽车外形设计的三维数模重建

汽车外形设计的三维数模重建

摘要本文提出了一个汽车外形三维数字模型重建的方法，该方法从汽车外形的工业设计效果图和汽车外形图片入手，利用图像处理技术，进行图像三维外形恢复，利用外三维CAD平台进行数字化主模型重建。同时对重建过程中的关键技术进行了分析研究，提出了可行性的解决方案，为汽车外形设计的并行化和自动化打下良好的基础。

关键词数模重建图像处理主模型反求技术

一、引言

汽车外形不仅决定着一个车型的市场形象，而且决定着汽车的性能，因此汽车设计大都采用自上而下（TOP-DOWN）的设计策略，首先进行总体设计，设计出汽车外形。传统的汽车外形设计和一般的机械产品一样，第一步是概念设计，由工业设计师按照产品设计要求，在满足产品功能的基础上，力求使产品更符合美学原则，以适应市场潮流。然后按比例制作实物模型，进行设计评价、设计修改的反复过程，最后按定型的设计绘制工程图纸，再进行试制、评价、修改、定型的过程，才能够进行批量生产。新品开发周期长，且不利于协作，难以适应瞬息万变的市场需要。因此必须利用发展迅速的计算机技术和产品造型技术，以数字化模型代替实物模型，在设计阶段先构造出新车型的数字化主模型（PMM），以利于工业设计、工程设计、产品评价等相关阶段并行和协同，并服务于产品整个生命周期。如何快速、高效、准确地构造出汽车外形的主模型，是现代设计方法的关键技术。根据对我国汽车业的调查研究，新车型的开发基本分为两种类型：一是开发新的车型；其二是老车型的改型设计。其中改型设计约占新车型的70%，是在原有车型的基础上进行改造和再开发，原有车型的大量信息可以再利用，原有设计的大量成果可以继承。而对于纯粹的新车型开发而言，仍有大量的车型属于仿制开发。对于完全自主进行的新车型开发，建立其数字化主模型的依据仍然有工业设计师给出的设计效果图。因此，产品主模型的构造实质上是继承和发展已有信息，即根据已有的设计信息进行数模重建，实现设计自动化。

二、重建思想

产品设计是将对产品的功能需求映射为能实现该功能要求且能加工出来的产品几何模型的过程。产品设计过程即是产品模型变换的过程，即从需求模型、功能模型、结构模型、工艺规划模型等交互映射，各种模型的构造还受着各种各样的约束，设计结果还必须以大量的工程知识为背景进行评估，设计思想是一个交互迭代、从抽象到具体、由模糊到精确的变化思想。设计各阶段由于设计目的、对象及所受约束的差异，而产生出各种各样的设计模型，由于设计模型的不同，需要对构造模型的设计人员进行分工，即由工业设计师负责构造概念化模型和功能化模型，工程设计师负责产品详细设计模型，工艺师具体负责产品工艺规划等，在产品各阶段模型构造中，最重要的模型是产品的主特征模型（PMM），它是连接上、下游设计过程的桥梁。现有的汽车外形技术存在两个极端：一是由工业设计师负责，要求工业设计师除负责概念设计外，还必须负责工程设计；另一类是由工程设计人员直接利用现有CAD 平台直接进行概念与工程设计。显然，这对设计人员素质要求很高，一般人难以完成。所以有必要在工业设计师与工程师之间架起一座数字化桥梁，因此我们提出了基于图像技术的三维重建理论，即对于改型设计和自主开发设计，根据工业设计师提供的工业设计效果图；仿制设计根据被仿制车型的图片资料（而不是依据由三坐标测量机或者激光扫描仪测出的坐标云点，因为被仿制实车往往不易获得，即使较易获得，所测云点的合理性也因操作人员的经验而有所不同，而车型图片则较易获得），恢复出汽车外形的三维云点，再重构汽车外形的三维主模型。其基本思路如图示。

三、重建技术

基于图像处理技术进行汽车外型三维重建，其基本技术是把所获得的仿制车型图片或工

业设计效果图处理成图像信息，然后对图像进行边缘检测，得到图像的边缘轮廓，然后根据透视投影基本定律反求出图像轮廓的三维坐标值，对于图像内部点坐标值的反求是根据Shape from Shading 来获得。最后依据所求的坐标值在三维开发平台上重建汽车外型的三维模型。其技术主要有：

1．图像分割及边缘检测技术包括图像与背景分离、几何尺寸以外信息处理及边缘检测，对图像的分割，我们采用基于边缘的图像分割技术，该技术特点是效率高，图像的分割与边缘检测同步进行。图像的连接方式采用启发式搜索算法，并加之以霍夫变换获得边缘断裂处的最佳匹配。实践中，我们对分割中所需的信息最小量值进行研究，从而提高该方法的实用性。边缘检测技术中的检测精度是图像处理中的难点，原因是1) 边缘成因复杂。

(2)噪声与边缘均是高频信号，难用频带区分，平滑滤波后表现为模糊化，影响效果。采用基于小波变换的多尺度边缘检测技术，在大尺度下拟制噪声，可靠地识别边缘；小尺度下精确定位，由粗到细跟踪边缘的精确位置。三维重建理论是可行的，但由于环境中噪声的干扰，输入不可避免地存在误差，过大的误差使重建难以进行，所以重建的另一关键技术在于由分割和边缘检测而积累的误差。通过适当地加以约束来限制误差的量级，提高算法的鲁棒性，并给出定量的校正理论。

2．三维坐标值的反求技术从平面图像获取实物三维客观几何形状，由于缺少深度信息，往往是不可解或者存在病态解及多解，但对于汽车外形这样的凸多面体对称物体，可以依据其对称性对方程加以约束，从而使反求成为可能。然而由于汽车外形的复杂性，求解透视投影图像的灭点及视点非常困难，我们采用迭代寻优的方法先求出灭点坐标，从而可以反求出透视变换矩阵。

3．Shape from Shading理论SFS方法存在两大难题：（1）需已知边界曲线（包括边界一－阶倒数或简化为与视线相切），而对于具有大深度的曲面体来说，其透视图像所对应的空间遮挡边界和斜率很难得知。（2）如果图像的分布不清晰，则SFS算法失效。我们提出基于图像的“遮挡边缘”和真实物体的“空间遮挡边界曲线”的分析，求观察体的空间遮挡边缘，然后由灰度分布求曲面的深度信息。

4．主模型的构造主特征模型是用来表达产品的几何拓扑属性、精度特征及材料特征，并隐含说明了参考系统的概念，该模型提供对其它各阶段设计模型的支持，目标是建立在产品生命周期各阶段支持对主模型的应用要求。对主模型的描述，我们采用STEP标准的EXPRESS模式进行表达，STEP标准是以中型格式概括出一个在产品生命周期内具有完整性与集成性的计算机化的产品模型所需信息，它采用统一的产品数据模型，并采用统一的数据管理，各系统间可直接进行信息交换，而不必转换为数据，从而提高信息传递的准确性和系统的集成性。

5．曲面模型的控制与交互修改技术产品数字模型的优点之一是将设计面向产品的一类对象，而不是单一产品。因此对不同的产品及同一产品的不同设计阶段都必须能够交互修改，对汽车外形设计而言，曲面模型建立应具有优秀的修改功能，基于汽车外形曲面控制点特征，对曲面进行设计控制，并通过对曲面设计的参数化，便于曲面模型的交互修改。为了便于对曲面形状进行控制和修改，在三维坐标恢复时，应按截面进行恢复

四、结论

（1）本文提出了一种汽车外型设计的新思想，即以工业设计效果图或者有关汽车外型图片出发，进行汽车三维数模重建，为开展产品并行设计打下基础。

（2）本课题设计开发了曲面模型的控制及交互修改模块，基于汽车外形曲面控制点特征，对曲面进行设计控制，并通过对曲面参数化设计，便于曲面模型的交互修改。

（3）通过内部数据交换，对设计过程中所有数据统一管理，并最后把产品主模型数据以STEP 标准进行输出，便于与其它设计环境进行数据交流。