以汽車為例深入講解G0,G1,G2,G3,G4曲面

zhao_1381045

大家好我是趙存璞，今天和大家說的是曲面方面的問題，很多網友和朋友都問我做曲面時候我們常說的G0,G1,G2,G3,G4曲面是什么意思？怎么用？怎樣定義？各種等級曲面用什么地方呢？下面是我所知道一些資料給大家分享，希望對有相同疑惑的CAD\CAM\CAE朋友有幫助。
; J9 ~4 t' J- v      說到曲面我們不得不首先想到的是汽車，曲面在我們生活中是很常見的，哪都能看得見，但是說最具有技術的那要數汽車了，汽車，飛機，航天器材等等是對曲面要求較高的行業，那么我們今天就說最常見，大家最好理解的汽車曲面，在整個汽車開發的流程中，有一工程段稱為 Class A Engineering，這個工程段重點是在確定曲面的品質可以符合A級曲面的要求。
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　　所謂A級曲面的定義，是必須滿足相鄰曲面間之間隙在 0.005mm 以下（有些汽車廠甚至要求到 0.001mm），切率改變 ( tangency Change ) 在0.16度以下，曲率改變 (curvature change) 在0.005 度以下，符合這樣的標準才能確保鈑件的環境反射不會有問題。

* r4 D2 t+ G3 _　　a-class包括多方面評測標準,比如說反射是不是好看、順眼等等。當然，G2可以說是一個基本要求,因為g2以上才有光順的反射效果。但是,即使G3了，也未必是a-class,也就是說有時雖然連續，但是面之間出現褶皺，此時就不是a-class

) J( b: S; @3 w- D2 X* R* h' T　　通俗一點說，class-A就必須是G2以上連接。G3連續的面不一定是CLASS-A曲面。

# T8 _2 q# h- f　　汽車業界對于a class要求也有不同的標準，GM要求比TOYOTA ，BMW等等要低一些，也就是說gap和angle要求要松一些。
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8 c, L+ x4 w8 q* W- Z( W. x4 N- D　　關于A-class surfaces，涉及曲面的類型的二個基本觀點是位置和質量。

　　位置——所有消費者可見的表面按A-Surface考慮。汽車的console（副儀表臺）屬于A-surf，內部結構件則是B-surf。
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- n4 Z0 X/ ^8 h- t9 t/ ?　　質量——涉及曲面拓撲關系、位置、切線、曲面邊界處的曲率和曲面內部的patch結構。

　　有一些意見認為“點連續”是C類，切線連續是B類，曲率連續是A類。而我想更加適當地定義為C0、C1和C2，對應于B樣條曲線方程和它的1階導數（相切=C1）和它2階導數（曲率=C2）。
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- `3 r, p3 s' W　　因此一個A-surf有可能是曲率不連續的，如果那是設計的意圖，甚至有可能切線不連續,如果設計意圖是一處折痕或銳邊,（而通常注塑或沖壓不能有銳邊，因此A-suuf一定是切線連續(C1)的）。

* m& \; `9 g9 X3 Y! \　　第二種思想以汽車公司和白車身制造方面的經驗為基礎，做出對A-surf更深刻的理解。他們按獨立分類做出了同樣的定義。
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　　物理定義：A-surf是那些在各自的邊界上保持曲率連續的曲面。

　　曲率連續意味著在任何曲面上的任一"點"中沿著邊界有同樣的曲率半徑。

* W7 J, C; u/ T8 s% `! B7 O. d& [9 ^" F　　曲面是挺難做到這一點的

　　切向連續僅是方向的連續而沒有半徑連續，比如說倒角。
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　　點連續僅僅保證沒有縫隙，完全接觸。

( t  @; Y, j! Z; d0 N2 M　　事實上，切連續的點連續能滿足大部分基礎工業（航空和航天、造船業、BIW等）。基于這些應用，通常并無曲率連續的需要。
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　　A-surf首先用于汽車，并在消費類產品中漸增（牙刷，Palm，手機，洗機機、衛生設備等）。

　　它也是美學的需要。

　　*點連續（也稱為G0連續）在每個表面上生產一次反射，反射線成間斷分布。

　　*切線連續（也稱為G1連續）將生產一次完整的表面反射，反射線連續但呈扭曲狀。
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' X- @; }: A- k. u" H0 ^' D/ A　　*曲率連續（也稱為G2連續的，Alias可以做到G3！）將生產橫過所有邊界的完整的和光滑的反射線。
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　　在老的汽車業有這樣一種分類法：A面，車身外表面，白車身；B面，不重要表面，比如內飾表面；C面，不可見表面。這其實就是A級曲面的基礎。
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3 M( q3 }4 ~0 H% B" {　　但是現在隨著美學和舒適性的要求日益提高，對汽車內飾件也提到了A-Class的要求。因而分類隨之簡化，A面，可見（甚至是可觸摸）表面；B面，不可見表面。

　　這是歷史，是由來。
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　　這5中連續性的名稱分別叫做：G0-位置連續，G1-切線連續，G2-曲率連續，G3-曲率變化率連續，G4-曲率變化率的變化率連續
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% I9 z$ u1 \: i. W　　這些術語用來描述曲面的連續性。曲面連續性可以理解為相互連接的曲面之間過渡的光滑程度。提高連續性級別可以使表面看起來更加光滑、流暢。

　　G0-位置連續

　　圖中所示的兩組線都是位置連續，他們只是端點重合，而連接處的切線方向和曲率均不一致。這種連續性的表面看起來會有一個很尖銳的接縫，屬于連續性中級別最低的一種。
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+ W  v' |2 p3 |2 s　　G1-切線連續
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; h6 `( v% h; x3 Y0 {' O　　圖中所示的兩組曲線屬于切線連續，他們不僅在連接處端點重合，而且切線方向一致(可以看到相連的兩條線段梳子圖的刺在接觸點位置是在一條直線上的)。用過其他PC插圖軟件的用戶，比如CorelDraw，實際上通常得到的都是這種連續性的曲線。
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　　這種連續性的表面不會有尖銳的連接接縫，但是由于兩種表面在連接處曲率突變，所以在視覺效果上仍然會有很明顯的差異。會有一種表面中斷的感覺。
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　　通常用倒角工具生成的過渡面都屬于這種連續級別。因為這些工具通常使用圓周與兩個表面切點間的一部分作為倒角面的輪廓線，圓的曲率是固定的，所以結果會產生一個G1連續的表面。如果想生成更高質量的過渡面，還是要自己動手。

! i; L' N4 ?, u% K/ V/ W( `. G　　G2-曲率連續

& \* h1 g, `- a' ~　　圖中的兩組曲線屬于曲率線續。顧名思義，他們不但符和上述兩種連續性的特征，而且在接點處的曲率也是相同的。如圖中所示，兩條曲線相交處的梳子圖的刺常度和方向都是一致的（可以為0）。
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! B. Q, m( N2 E% x* n+ p7 T4 e6 O" A) }　　這種連續性的曲面沒有尖銳接縫，也沒有曲率的突變，視覺效果光滑流暢，沒有突然中斷的感覺（可以用斑馬線測試）。
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* p9 _( J7 ]- ]* V! _. S　　這通常是制作光滑表面的最低要求。也是制作A級面的最低標準。

　　G3-曲率變化率連續
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　　圖中的兩組曲線的連續性屬于曲率變化率連續。這種連續級別不僅具有上述連續級別的特征之外，在接點處曲率的變化率也是連續的，這使得曲率的變化更加平滑。曲率的變化率可以用一個一次方程表示為一條直線。

+ }! \  Z0 \( ~　　這種連續級別的表面有比G2更流暢的視覺效果。但是由于需要用到高階曲線或需要更多的曲線片斷所以通常只用于汽車設計。

! T: ~1 Q; J- ^8 S　　G4-曲率變化率的變化率連續

9 ]0 s4 Q, [; w4 f$ b6 N& h　　圖中的兩組曲線的連續級別屬于曲率變化率的變化率連續。“變化率的變化率”似乎聽起來比較深奧，實際上可以這樣理解，它使曲率的變化率開始緩慢，然后加快，然后再慢慢的結束。這使得G4連續級別能夠提供更加平滑的連續效果。
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0 y7 |& L* c( [; p  z! j! s( t　　但是這種連續級別將比G3計算起來更復雜，所以幾乎不會在小家電一類的產品設計中出現。實際上，就算出現了，我們也未必看得出來。
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/ ?6 L& f! i4 F9 p' h) \% ~　　總結一下這幾種連續級別。

5 Q& X: [, m5 L, Q# e1 j$ Y　　G0由于使模型產生了銳利的邊緣，所以平時都極力避免，甚至想盡辦法擺脫這種效果。不常用
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+ ~4 _# \2 \3 b' m- d$ Y" M8 Y7 @　　G1由于制作簡單，成功率高，而且在某些地方及其實用，比如手機的兩個面的相交處就用這種連續級別。比較常用

/ P8 O& v7 W6 u- m9 P8 e2 K* d  f/ e% f　　G2由于視覺效果非常好，是大家追求的目標，但是這種連續級別的表面并不容易制作（VFX的這些高手們出的題目基本上就是和這種連續級別表面的制作方法拼命的），所以需要大家多多用心練習，這也是Nurbs建模中的一個難點。這種連續性的表面主要用于制作模型的主面和主要的過渡面。
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　　G3,G4這兩種連續級別通常不使用，因為他們的視覺效果和G2幾乎相差無幾，而且消耗更多的計算資源。這兩種連續級別的優點只有在制作像汽車車體這種大面積、為了得到完美的反光效果而要求表面曲率變化非常平滑的時候才會體現出來。
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" G9 r& Y( c! W) C/ M　　檢測工具---斑馬線介紹（也叫做高光測試）：
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　　斑馬線實際上是模擬一組平行的光源照射到索要檢測的表面上所觀察到的反光效果。

8 O; i* `. j  J3 @/ a　　G0的斑馬線在連接處毫不相關，各走各的，線和線之間不連續，通常是錯開的。

: W) d  ^4 Q/ W8 p" o3 V　　G1的斑馬線雖然在相接處是相連的，但是從一個表面到另一個表面就會發生很大的變形，通常會在相接的地方產生尖銳的拐角。
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8 J* J' _0 g9 L, Q7 E! }　　G2的斑馬線則是相連，且在連接處也有一個過渡，通常不會產生尖銳的拐角，也不會錯位。
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　　G3,G4的斑馬線很難和G2的區分開。
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　　但是要注意，有時候顯示的誤差也會產生錯位或者尖銳的拐角。注意鑒別哦。可以調整一下顯示精度之后再看。
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　　A級面介紹：
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& ]# a! g0 Z3 M" [* x6 y　　我們對A級曲面是這樣理解的
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  U1 f: o% |7 g5 x. d　　1.輪廓曲面--通常都是A級曲面，這樣的曲面通常都要求曲率連續，沿著曲面和相鄰的曲面有幾乎相同的曲率半徑（相差0.05或更小，位置偏差0.001mm或角度相差0.016度。）

2 [# @) I2 B0 X" w9 }　　2、A級曲面用高光等高線檢測時顯亮的曲線--這些曲線應該有一個共同的曲率特征，等高線連續且過度均勻、逐漸的發散或收縮，而不是一下子匯集消失到一點
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# B) j( ?, m' r. C4 o' W; Z+ |　　3、A級曲面上的控制點也應該按一定的規律分布，一行控制點與另一行相鄰的控制點的角度變化應該有一定的規律可循，這是畫高質量的曲線所必需的

　　4、A級曲面模型的曲面的邊界線又該可以被編輯、移動以生成另外一個曲線，同時這個新生成的曲線可以重新加入曲面來控制區面。

　　6、貝塞爾曲面的階次和控制點數目一般應該是六，有時候可能會更高
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　　7、是說關于拔模角度、對稱性、間歇以及同相關曲面德關系等都要考慮。這個要求我們在造型是對相關的工程問題也要予以足夠的重視。

! ^# u; ]+ n# b　　8、這是專門就曲率的變化來說的，光是曲率連續是不足以做出class a的曲面的。還要求曲率的變化本身也是光順的，實際上就是引出了G3的概念。當然并不是說class a要求G3，但是比較接近G3的品質對曲面的品質肯定是有好處的。

　　關于A-class surfaces，涉及曲面的類型的二個基本觀點是位置和質量。

　　位置——所有消費者可見的表面按A-Surface考慮。汽車的console（副儀表臺）屬于A-surf，內部結構件則是B-surf。
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9 N8 w* n4 O# u' g　　質量——涉及曲面拓撲關系、位置、切線、曲面邊界處的曲率和曲面內部的patch結構。

: E) n, n6 o  V* Y　　有一些意見認為“位置續”是C類，切線連續是B類，曲率連續是A類。而我想更加適當地定義為G0、G1和G2，對應于B樣條曲線方程和它的1階導數（相切=G1）和它2階導數（曲率=G2）。

　　因此一個A-surf有可能是曲率不連續的，如果那是設計的意圖，甚至有可能切線不連續,如果設計意圖是一處折痕或銳邊,（而通常注塑或沖壓不能有銳邊，因此A-suuf一定是切線連續(G1)的）。

　　第二種思想以汽車公司和白車身制造方面的經驗為基礎，做出對A-surf更深刻的理解。他們按獨立分類做出了同樣的定義。

8 K# f2 c  w. ?* L( @　　物理定義：A-surf是那些在各自的邊界上保持曲率連續的曲面。

3 T- M7 ^; E8 h# @9 U2 \　　曲率連續意味著在任何曲面上的任一"點"中沿著邊界有同樣的曲率半徑。
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* |+ y5 E  o& z" q# I　　曲面是挺難做到這一點的
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　　切向連續僅是方向的連續而沒有半徑連續，比如說倒角。
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　　點連續僅僅保證沒有縫隙，完全接觸。
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　　事實上，切連續的點連續能滿足大部分基礎工業（航空和航天、造船業、BIW等）。基于這些應用，通常并無曲率連續的需要。
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, w% |9 L( C! S　　A-surf首先用于汽車，并在消費類產品中漸增（牙刷，Palm，手機，洗機機、衛生設備等）。
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　　它也是美學的需要。

( h! G5 t) s% V* O　　*點連續（也稱為G0連續）在每個表面上生產一次反射，反射線成間斷分布。

　　*切線連續（也稱為G1連續）將生產一次完整的表面反射，反射線連續但呈扭曲狀。

　　*曲率連續（也稱為G2連續的，Alias可以做到G3！）將生產橫過所有邊界的完整的和光滑的反射線。

& u) H% ^1 O6 Q9 J$ A/ Z& r& C　　在老的汽車業有這樣一種分類法：A面，車身外表面，白車身；B面，不重要表面，比如內飾表面；C面，不可見表面。這其實就是A級曲面的基礎。
" O6 @* g+ T% s$ U! N$ m5 s. F
" M: v7 [% E# L7 A: g　　但是現在隨著美學和舒適性的要求日益提高，對汽車內飾件也提到了A-Class的要求。因而分類隨之簡化，A面，可見（甚至是可觸摸）表面；B面，不可見表面。
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" ]1 h( {& J) B5 s4 n3 _" x8 N　　這是歷史，是由來。
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　　CLASS A 曲面沒有十分嚴格的數學描述也沒有十分嚴格的概念定義
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9 s! f9 N+ d; D+ F$ x　　有個等于沒有解釋的解釋：VERY SIMPLE AND VERY BUEATIFUL SURFACE。

　　1、一般CLASS A的階次與控制點數目都不多，UV方向大概在6~8個控制點
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5 u" A6 o) [. n% e0 F　　2、單獨一個CLASS A曲面在UV方向都保證曲率的連續性及變化趨勢的一致

4 K" t9 q* O! \0 Y　　3、CLASS A曲面之間的連接至少滿足切向連續

/ [4 h8 @" G5 Q: S! q　　4、使用多種數學檢驗方法來檢驗CLASS A曲面，不應該出現視覺上的瑕疵。（如使用高光等高線來檢驗時，等高線連續且過度均勻間隙均勻。一般不太可能在一個視覺方向上出現多個高光點等
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頭狼1

哦，原來曲面還有這么多的講究，有學了點東西

lhgmail

不是很明白這些曲線，以后慢慢學吧。

jimmycole

寫了這么詳細，這么多，怎么沒人頂呢。打擊人的積極性啊。

ashto

呵呵，頂起，加油多更點有用的東西哈

lovemy006

          頂起來～ 好東西

老B82330

不是很明白這些曲線，以后慢慢學吧

德富gd

頂起，此貼必火，樓主是人才！

記憶碎片

不是很明白這些曲線，以后慢慢學吧

chidiandong

這貼真不錯，讓俺長了不少的知識。