CN104392042A - 一种基于模型数据库的快速3d车身造型方法 - Google Patents
一种基于模型数据库的快速3d车身造型方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种模型基于数据库的快速3D车身造型方法,属于汽车造型设计领域。一种由汽车图片智能提取出汽车特征线,进行一致参数化处理后由二维曲线生成三维汽车模型,并生成三维车身曲面模型。其中包括以下环节:图片输入,提取特征线,生成车身三维曲线,生成车身三维曲面,渲染车身三维曲面,最后以不同格式输出。本发明的有益效果是:能够将车身二维图片快速实现汽车的三维建模,并且可以由二维驱动三维变形,从而帮助设计师提高设计表达质量,提高设计过程中二维数据向三维数据转换的速度,实现快速车身造型。
Description
技术领域
本发明涉及一种由汽车图片,智能生成其参数化汽车3D模型。主要包括生成3D线框模型以及3D车身曲面模型。能够通过数据驱动和知识驱动有效实现车身造型的快速建模,属于汽车造型设计领域。
背景技术
三视图、胶带图是反映车身三维形体的传统的工具。但这种方法存在表现准确性的问题,这种准确性问题表现为两个方面,首先,三视图与效果图所表现的可能不是同一个形体;其次,三视图本身的三个视图间也存在准确性问题。同时,由于胶带图是以二维图形表现三维形体,所以并不是很直观。以上问题会造成评审设计以及模型制作过程中理解的偏差,造成设计时间的延误,甚至直接导致最后结果的失败。目前为止,为了提高汽车设计效率,促进产品创新设计和加快推出新产品的步伐,汽车研发过程中的许多环节已实现数字化。汽车造型师在概念设计时利用3D造型软件,如Photoshop、Painter、Alias、Sketchbook等来将设计效果图或草图转变为3D的数据模型,这一过程不仅需要很长时间,还要求对3D软件的操作很精通。解决设计效果图或草图快速实现3D造型,可以减少车身概念设计阶段的时间和工作量。传统CAD软件在建模过程中,需要大量的重复进行对点、线、面的编辑工作才能生成比较完整的数据模型。因此如何将二维的效果图快速转化为支持工程软件的三维数字模型并实现数据的有效重用是实现单视图三维建模的关键技术。
为解决上述问题,将手绘草图、效果图等设计意图迅速转化为数字化模型,实现已有数字化几何模型库的有效重用,通过建立车身3D曲面模型,能够更加直观的得到车身的整体信息,缩短汽车设计周期。
发明内容
针对现有的挑战,本发明提出了一种快速车身造型技术,本技术在汽车车身造型设计时,不仅实现数字化,而且实现数字化几何模型的有效重用,实现概念设计的智能化与集成化。
一种基于模型数据库的快速3D车身造型方法,包括步骤如下:
(1)定义特征线模板:按照车身结构特征对不同车型定义二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的特征线模板,构成特征线模板的特征线是由4个控制点生成的三次贝塞尔曲线,表示了汽车的结构特征线、过渡特征线和附加特征线;针对不同的车型,特征线模板的特征线的数量相同,并且其形状拓扑一致;其中:主视图共有42条特征线,包括27条结构特征线、1条过渡特征线和14条附加特征线,结构特征线:轮廓线、前车轮外侧线、地面线、前挡风玻璃、发动机盖、前翼子板、进风口和中间分界线,过渡特征线:发动机罩盖折线,附加特征线:前车灯、雾灯及进气格栅群、前车标和前车牌;后视图共有40条特征线,包括25条结构特征线、1条过渡特征线和14条附加特征线,结构特征线:轮廓线、后车轮外侧线、地面线、后挡风玻璃、行李箱盖、保险杠和中间分界线,过渡特征线:行李箱盖折线,附加特征线:后车灯、排气管、后车标和后车牌;右视图共有97条特征线,包括60条结构特征线、13条过渡特征线和24条附加特征线,结构特征线:轮廓线、前车轮线、前轮毂线、后车轮线、后轮毂线、地面线、前车门线、后车门线、前车窗、后车窗和后小窗,过渡特征线:腰线、裙线、行李箱盖折线、顶围与侧围过渡线、前轮罩弧线和后轮罩弧线,附加特征线:前车灯、雾灯及进气格栅群、前翼子板、前车门把手和后车门把手;俯视图共有59条特征线,包括52条结构特征线和7条过渡特征线,结构特征线:轮廓线、进风口、发动机罩盖、前挡风玻璃、车顶、后挡风玻璃、行李箱盖、前车窗、后车窗、后小窗、前车门、后车门和中间线,过渡特征线:腰线、行李箱折线、发动机罩盖折线和行李箱盖折线。
(2)特征线模型速配:将实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像与步骤(1)得到的特征线模板进行精确速配,根据实际二维车身的具体结构,将其与特征线模板对应,即得到相应的特征线模型;匹配步骤:首先利用图像分割方法提取实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像,再利用特征提取算子提取实际二维车身的特征线,然后将实际二维车身的特征线与所属车型的特征线模板进行匹配。
(3)建立数据库:将步骤(2)得到的实际二维车身图像与对应特征线模型进行匹配注册,并建立模型数据库;实际二维车身图像数据源包括实际二维车身的主视图、后视图、右视图和俯视图的图片,对应特征线模型数据源为各种车型的主视图、后视图、右视图和俯视图相匹配的特征线模型,并根据车身所属的类别分别建立对应的三维曲线网格模板。
(4)由实际二维车身右视图的二维特征线重建三维曲线网格:重建方式如下:
(a)通过步骤(2)获取实际二维车身右视图特征线,分析实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图间特征线的对应关系,选择实际二维车身右视图的部分特征线作为重建车身3D曲线网格模型所需的二维特征线;
(b)平均3D形变模型的生成:对于不同的车型,分别建立多个3D曲线网格模型,即建立3D网格模型库,将各3D曲线网格模型对应坐标值算数平均得到平均3D形变模型。
(c)实际二维车身右视图特征线生成3D特征线网格:利用步骤(b)中得到的平均3D形变模型,以实际二维车身右视图特征线上控制点的x方向和y方向坐标固定为刚性约束,基于稀疏重建方法求得所有3D特征线的参数。
(d)3D特征线的后处理:通过分析实际二维车身结构,根据迭代算法调整相连两条特征线之间的连续性关系,包括C0,C1等。
(5)生成车身三维曲面模型:按照车门数、单侧车窗书等特征将轿车车型分类,分为6种车型:阶梯背-四门-三侧窗、阶梯背-四门-两侧窗、阶梯背-两门-两侧窗、直背-四门-三侧窗、直背-四门-两侧窗和直背-两门-两侧窗。构建多种车身三维曲面模型,定义三维车身所需要的曲线为106条特征线。按照围成汽车车身的型面定义主特征线,并根据车身曲面的生成方式,将车身曲面分成三类:四边曲线网格曲面(TCM)、N边曲面(NSS)和边约束裁剪曲面(TS)。根据车身结构将不同特征线组合形成的模块定义为对应的曲面生成方法,实现由已有车身曲线网格到车身3D曲面的模型,将输出的车身三维曲面模型存入数据库中。同时生成相应的三维*step,*prt,*igs等格式的工业模型数据,更好的表现了设计意图。
(6)车身三维曲面快速渲染,输出三维*step,*prt,*igs等格式的工业模型数据可以直接应用于工业设计,能够直接用来生成3D渲染效果图,实现快速车身造型。
本发明的有益效果:
1)由单一右视图的二维特征线快速生成三维曲线网格模型,更准确、更直观展现汽车车身设计效果;
2)由三维曲线网格快速生成汽车三维曲面模型,实现汽车车身的快速建模,同时可以方便的建立汽车三维模型库;
3)实现了由车身单一右视图生成车身的*step,*prt,*igs等格式的工业模型数据,有效实现了图像重用,并为设计师提供了很大便利。
附图说明
图1为本发明专利的技术流程图。
图2为主视图特征线图。
图3为后视图特征线图。
图4为右视图特征线图。
图5为俯视图特征线图。
图6三维曲线编号图(前3/4视图)。
图7为三维曲线编号图(后3/4视图)。
图8为三维曲线网格图。
图9为车型分类之阶梯背-四门-三侧窗。
图10为车型分类之阶梯背-四门-两侧窗。
图11为车型分类之阶梯背-两门-两侧窗。
图12为车型分类之直背-四门-三侧窗。
图13为车型分类之直背-四门-两侧窗。
图14为车型分类之直背-两门-两侧窗。
图15中1-21为车身三维曲面中划分的四边曲面模块。
图16为四边曲面的生成模板。
图17为N边曲面的生成模板,其标号为三维曲线网格中所对应的序号。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。其步骤如下:
(1)按照车身结构特征定义二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的特征线模板;构成特征线模板的特征线是由4个控制点生成的三次贝塞尔曲线(Bézier),对于不同的车型,其特征线模板的特征线数量及编号顺序一致,并在形状上拓扑一致。表1-4是对每条特征线在车身结构中专业术语的说明。
表1.主视图的特征线所代表的专业术语
表2.后视图的特征线所代表的专业术语
表3.右视图的特征线所代表的专业术语
表4.俯视图的特征线所代表的专业术语
对各个视图的特征线进行关联,其对应关系如表5所示:
表5.主、后、右、俯四个视图中各条线的对应关系
三维视图中的线条与各个视图的对应关系如表6所示:
表6.2D curves--3D CurvesNET的对应关系
3D视图 | 主视图(42条线) | 右视图(97条线) | 后视图(40条线) | 俯视图(59条线) |
N1 | 42 | 25 | 50 | |
N2 | 41 | 1 | 51 | |
N3 | 2 | 52(-1) | ||
N4 | 3 | 53(-1) | ||
N5 | 4 | 54 | ||
N6 | 5 | 55 | ||
N7 | 6 | 56 | ||
N8 | 7 | 38 | 57 | |
N9 | 8 | 39 | 58 | |
N10 | 9 | 40 | 59 | |
N11 | 43 | 1(-1) | ||
N12 | 9 | 24 | 2(-1) | |
N13 | 8 | 23 | 3(-1) | |
N14 | 7 | 22 | ||
N15 | 6 | 21 | ||
N16 | 20 | |||
N17 | 19 | |||
N18 | 18 | |||
N19 | 17 | |||
N20 | 16 | |||
N21 | 15 | |||
N22 | 14 | |||
N23 | 13 | 6 |
N24 | 12 | 7 | ||
N25 | 11 | 59(-1) | ||
N26 | 10 | 8 | 8(-1) | |
N27 | 9 | 9 | ||
N28 | 22(-1) | 10 | ||
N29 | 21 | 11 | ||
N30 | 20 | 12 | ||
N31 | 17 | 13 | ||
N32 | 16(-1) | 14 | ||
N33 | 15(-1) | 15 | ||
N34 | 14 | 16 | ||
N35 | 65 | 17 | ||
N36 | 12(-1) | 18 | ||
N37 | 66 | 19 | ||
N38 | 12(-1) | 20 | ||
N39 | 67 | 21 | ||
N40 | 14(-1) | 22 | ||
N41 | 15(-1) | 23 | ||
N42 | 68 | 16 | 24 | |
N43 | 34 | 41 | ||
N44 | 17 | 25 | ||
N45 | 18 | 26 | ||
N46 | 43 | 27 | ||
N47 | 44 | 28 | ||
N48 | 50 | 31 | ||
N49 | 55 | 34 | ||
N50 | 56 | 35 | ||
N51 | 57 | 36 | ||
N52 | 52 | 33 | ||
N53 | 46 | 30 | ||
N54 | 18(-1) | 80 | ||
N55 | 19(-1) | 79 | ||
N56 | 58 | 37 | ||
N57 | 59 | 38 | ||
N58 | 60 | 39 | ||
N59 | 61 | 40 | ||
N60 | 85 | 41 | ||
N61 | 86 | 42 | ||
N62 | 45 | 29 | ||
N63 | 51 | 32 | ||
N64 | 49 | 42 | ||
N65 | 47 | 44 | ||
N66 | 53 | 46 | ||
N67 | 97 | |||
N68 | 96 |
N69 | 95 | |||
N70 | 48 | |||
N71 | 54 | |||
N72 | 69 | |||
N73 | 62 | |||
N74 | 63 | |||
N75 | 70 | |||
N76 | 19 | 9 | ||
N77 | 23 | 48 | ||
N78 | 49 | |||
N79 | 26 | |||
N80 | 27 | |||
N81 | 28 | |||
N82 | 29 | |||
N83 | 34 | |||
N84 | 35 | |||
N85 | 36 | |||
N86 | 37 | |||
N87 | 24 | 72 | ||
N88 | 25 | 73 | ||
N89 | 26 | 74 | ||
N90 | 27 | 71 | ||
N91 | 81 | 20 | ||
N92 | 82 | 23 | ||
N93 | 83 | 22 | ||
N94 | 84 | 21 | ||
N95 | 31 | 75 | ||
N96 | 28 | 76 | ||
N97 | 29 | 77 | ||
N98 | 30 | 78 | ||
N99 | 30 | |||
N100 | 31 | |||
N101 | 32 | |||
N102 | 33 | |||
N103 | 38 | |||
N104 | 39 | |||
N105 | 40 | |||
N106 | 41 |
(2)给定实际二维车身图像的特征线模型的精确速配:根据实际的二维车身的具体结构,将其与特征线模板对应,得到了相应的特征线模板,首先利用图像分割方法提取实际二维车身图像,再利用特征提取算子提取实际二维车身的特征线,然后用形状上下文的方法将实际二维车身的特征线与所属车型的特征线模板进行匹配。
(3)通过(2)的方法,将实际图像与对应特征线模型建立数据库。实际图像数据源包括二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图片或草图;特征线模型数据库为各种车型的各个视图的精确匹配的二维特征线模型。并根据车身所属的类别分别建立对应的三维曲线网格模板。
(4)由车身右视图的二维特征线生成三维曲线网格:由车身的右视图重建车身3D曲线网格模型;重建方式如下:
(a)通过(2)获取二维车身右视图特征线,通过分析主视图、后视图、右视图和俯视图四个视图之间特征线的对应关系(见表2),选择右视图的部分特征线作为重建车身3D曲线网格模型所需的二维特征线;
(b)平均3D形变模型的生成:对于不同的车型,分别建立多个3D曲线网格模型生成3D网格模型库,将对应坐标值算数平均得到平均的3D模型。
(c)二维车身右视图特征线生成三维特征线网格:利用步骤(b)中得到的平均3D形变模型,以二维车身右视图特征线的x,y方向坐标固定为刚性约束,运用基于统计方法的稀疏重建求得所有3D特征线的参数。
(d)3D特征线的后处理:通过分析车身结构,通过算法迭代调整优化相连两条特征线之间的连续性关系,包括C0,C1等。
(5)快速生成车身三维曲面模型:按照车门数、单侧车窗数等特征我们将轿车车型进行分类,建立6个模板(见图9-14)。构建多个车身3D模型,最终定义三维车身所需要的曲线为106条特征线。按照围成汽车车身的型面定义主特征线,并根据车身曲面的生成方式,将车身曲面分成三类:四边曲线网格曲面(TCM)(见图15-16)、N边曲面(NSS)(见图17)和边约束裁剪曲面(TS)。根据车身结构将不同特征线组合定义对应的曲面生成方法,从而实现由已有车身曲线网格到车身3D曲面的模型,将输出的车身3D曲面的模型存入数据库中。同时生成相应的*step,*prt,*igs等格式的工业模型数据,更好的表现了设计意图。
(6)车身三维曲面快速渲染:输出三维*step,*prt,*igs等格式的工业模型数据可以直接应用于工业设计,利用三维渲染软件能够直接用来生成3D渲染效果图,实现快速车身造型。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明,但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围,本发明的保护范围由随附的权利要求书限定,任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于模型数据库的快速3D车身造型方法,其特征在于,步骤如下:
(1)定义特征线模板:按照车身结构特征对不同车型定义二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的特征线模板,构成特征线模板的特征线是由4个控制点生成的三次贝塞尔曲线,表示了汽车的结构特征线、过渡特征线和附加特征线;针对不同的车型,特征线模板的特征线的数量相同,并且其形状拓扑一致;其中:主视图共有42条特征线,包括27条结构特征线、1条过渡特征线和14条附加特征线,结构特征线:轮廓线、前车轮外侧线、地面线、前挡风玻璃、发动机盖、前翼子板、进风口和中间分界线,过渡特征线:发动机罩盖折线,附加特征线:前车灯、雾灯及进气格栅群、前车标和前车牌;后视图共有40条特征线,包括25条结构特征线、1条过渡特征线和14条附加特征线,结构特征线:轮廓线、后车轮外侧线、地面线、后挡风玻璃、行李箱盖、保险杠和中间分界线,过渡特征线:行李箱盖折线,附加特征线:后车灯、排气管、后车标和后车牌;右视图共有97条特征线,包括60条结构特征线、13条过渡特征线和24条附加特征线,结构特征线:轮廓线、前车轮线、前轮毂线、后车轮线、后轮毂线、地面线、前车门线、后车门线、前车窗、后车窗和后小窗,过渡特征线:腰线、裙线、行李箱盖折线、顶围与侧围过渡线、前轮罩弧线和后轮罩弧线,附加特征线:前车灯、雾灯及进气格栅群、前翼子板、前车门把手和后车门把手;俯视图共有59条特征线,包括52条结构特征线和7条过渡特征线,结构特征线:轮廓线、进风口、发动机罩盖、前挡风玻璃、车顶、后挡风玻璃、行李箱盖、前车窗、后车窗、后小窗、前车门、后车门和中间线,过渡特征线:腰线、行李箱折线、发动机罩盖折线和行李箱盖折线;
(2)特征线模型速配:将实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像与步骤(1)得到的特征线模板进行速配,根据实际二维车身的具体结构,将其与特征线模板对应,即得到相应的特征线模型;匹配步骤:首先利用图像分割方法提取实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像,再利用特征提取算子提取实际二维车身的特征线,然后将实际二维车身的特征线与所属车型的特征线模板进行匹配;
(3)建立数据库:将步骤(2)得到的实际二维车身图像与对应特征线模型进行匹配注册,并建立模型数据库;实际二维车身图像数据源包括实际二维车身的主视图、后视图、右视图和俯视图的图片,对应特征线模型数据源为各种车型的主视图、后视图、右视图和俯视图相匹配的特征线模型,并根据车身所属的类别分别建立对应的三维曲线网格模板;
(4)根据实际二维车身右视图的二维特征线重建三维曲线网格:重建方式如下:
(a)通过步骤(2)获取实际二维车身右视图特征线,分析实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图间特征线的对应关系,选择实际二维车身右视图的部分特征线作为重建车身3D曲线网格模型所需的二维特征线;
(b)平均3D形变模型的生成:对于不同的车型,分别建立多个3D曲线网格模型,即建立3D网格模型库,将各3D曲线网格模型对应坐标值算数平均得到平均3D形变模型;
(c)实际二维车身右视图特征线生成3D特征线网格:利用步骤(b)中得到的平均3D形变模型,以实际二维车身右视图特征线上控制点的x方向和y方向坐标固定为刚性约束,基于稀疏重建方法求得所有3D特征线的参数;
(d)3D特征线的后处理:通过分析实际二维车身结构,根据迭代算法调整相连两条特征线之间的连续性关系;
(5)生成车身三维曲面模型:将轿车车型分类,建立6种模板:阶梯背-四门-三侧窗、阶梯背-四门-两侧窗、阶梯背-两门-两侧窗、直背-四门-三侧窗、直背-四门-两侧窗和直背-两门-两侧窗;构建多种车身三维曲面模型,定义三维车身所需要的曲线为106条特征线;按照围成汽车车身的型面定义主特征线,并根据车身曲面的生成方式,将车身曲面分成三类:四边曲线网格曲面、N边曲面和边约束裁剪曲面;根据车身结构将不同特征线组合形成的模块定义为对应的曲面生成方法,实现由已有车身曲线网格到车身3D曲面的模型,将输出的车身三维曲面模型存入数据库中;同时生成相应的三维*step、*prt或*igs格式的工业模型数据;
(6)车身三维曲面快速渲染:将步骤(5)输出的三维*step、*prt或*igs格式的工业模型数据直接用于生成3D渲染效果图,实现快速3D车身造型。
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