【1月18日太平洋电脑网浙江站】汽车数字化设计技术发展与专业图形显卡发展是一个相互制约又相辅相成的过程。笔者将带领读者通过汽车设计流程数据测试了解汽车数字化设计与专业图形显卡的关系。
一、汽车行业应用背景
汽车行业是一个覆盖面非常广泛的行业，汽车的研发设计不是单一产品设计，其专业涉及到系统设计、气动、结构、强度、振动、液压、燃油、环控、救生、人机工程、材料、可靠性等近百个专业范畴。今天的汽车行业中，大量引进了数字化设计技术，汽车行业已成为数字化设计技术在民用领域应用最为成熟的行业。从早期有机玻璃样条线设计到如今的复杂曲面外观造型，从早期的二维手工零件图绘制到如今的全数字化电子样机设计，从早期的串行设计到如今的并行工程；为使设计、制造、分析和试验工作具有一致性、连贯性和协同工作方便，许多汽车设计公司已经把CAD、CAM、CAE建立成一个一体化系统，实现了从汽车概念设计到试制、试验、制造的CAD/CAM/CAE一体化过程。有数据表示这样的一体化过程会使整车的开发周期较之早期传统的设计周期缩短50%以上。今天我们在市场上见到如此多的汽车品牌、车型，一方面是因为市场激励竞争的表现，另一方面数字化设计技术使得汽车成本降低，设计研发周期缩短也是一个重要因素。
汽车产品的数字化研发设计离不开高性能的计算机硬件平台，特别是现今基于三维数字化的设计技术，更与计算机的图形图像、实时解算性能息息相关。设计技术的需求促进了计算机硬件平台的发展，同时反过来新的高性能计算机硬件平台特别是专业图形显卡的发展也给设计技术带来革新和挑战。例如汽车设计从常规二维CAD全面转入三维数字化设计时代，NVIDIA公司推出了专业图形设计显卡Quadro系列产品。汽车设计从单纯的几何CAD设计转入一体化设计时代，NVIDIA公司推出了专业的Tesla高性能计算解决方案，使得CAD、CAE及大型三维图形数据得以良好的整合。反过来当CUDA并行计算架构推出（NVIDIA公司利用GPU的处理能力大幅提升计算性能），又使得像流体力学实时仿真、增强现实等设计技术能积极应用到汽车设计研发中去。
二、汽车设计流程与专业图形显卡实测
汽车数字化设计技术发展与专业图形显卡发展是一个相互制约又相辅相成的过程。笔者将带领读者通过汽车设计流程数据测试了解汽车数字化设计与专业图形显卡的关系。
汽车设计总体上可划分为车身设计及零部件设计。汽车车身在我们常规想象里是艺术专业，可以天马行空的想象，任意的勾勒。事实上欧洲的大型汽车生产厂家对汽车的外观设计师要求是很严格的，往往汽车的外型设计师都是从机械设计师或整体布置设计师里面出来的。因为只有懂整个汽车结构的设计师才能很好的设计汽车的外观。车身设计除了考虑品牌的特征外，最重要的还要考虑内在的机械布置合理性，使整车尽量达到平衡，使用方便、人性化等等。现代的并行设计理念也要求汽车车身设计阶段就要将结构、甚至后期的工艺、系统测试考虑进来。全数字化的汽车设计流程如下图所示，数字化设计及专业图形显卡在这个流程中发挥着非常积极的作用。
全数字化汽车设计流程
在设计初期车身概念设计阶段，设计师可以直接采用数位板在计算机上完成草绘及上色（见下图），也有很多设计师还保留有传统的手工绘图方式，就像还有很多作家习不惯于在思考阶段使用计算机敲字。但是数字化设计已经成为趋势，草绘构思阶段的数字化设计除了可以提高设计效率，设计质量外，对设计者也是一种保护，摆脱了马克笔的化学气味，同时使用数位板进行无纸化设计，本身也是一种低碳、绿色的设计方式。汽车草绘设计阶段主要用的设计软件有CorelPainter、Photoshop、Alias等。在这些的设计平台下如果不需要高分辨率的图片，经测试一块QuadroFX580专业图形显卡就可以胜任。如果需要高分辨率图像支持，则需要QuadroFX1700这一级别的专业图形显卡。因为设计中高分辨率图形频繁的移动及效果刷新对计算机硬件是一种考验。
车身外形概念设计
汽车概念草绘设计完成后，设计师通常会依据二维的草绘设计方案进行三维虚拟油泥造型设计（见下图）。这一环节最常用的设计软件是Autodesk公司的Alias软件，其特点是能很好的将二维草绘设计及三维曲面造型设计整合在一起，有利于建立一体化的设计过程。也有一些设计公司会采用像Rhino这样的典型工业设计软件进行造型设计。无论是采用哪种软件平台，这一阶段的设计特点是以外形为主，三维模型以数据点、样条线、样条曲面为基础构建，通常数据量不会很大，在300M以内。三维虚拟油泥造型设计过程需要根据手绘草图勾勒曲线，构建空间点，切割、缝补曲面，最终还需要根据光照原理进行汽车曲面分析（如下图所示）。这一过程仅采用QuadroFX580图形显卡做设计会显得力不从心，设计后期当数据量较大时会产生延滞感。而采用Quadro中端系列产品FX1700和FX1800则可以胜任。
汽车曲面斑马线光照分析
FX1700和FX1800参数对比如下：
由上表可以看出，FX1800在显存、位宽及CUDA并行管线参数上较FX1700都高出一筹，在实际设计测试中也反映出对400M以上的设计数据，两款显卡会有较明显的设计体验差别。而两款设计软件Alias和Rhino相比，Alias对系统硬件要求更高一些。
传统汽车外形设计研发过程中会广泛的使用逆向工程技术。即在正向虚拟设计过程中当无法准确定义曲面、曲线空间关系的时，设计师会借助于油泥模型，通过三坐标测量机，或者现今更为先进的激光扫描设备，将油泥模型空间点信息扫描并导入到CAD系统中（如下图所示）。这时设计师就可以通过扫描的“点云”数据通过逆向设计的方法还原出油泥模型的数据模型，作为后续数字化设计基准。逆向工程的设计开发过程较前面所描述的虚拟油泥造型设计过程对计算机硬件的要求更高一些。原因在于主流的逆向设计软件如Geometry、Imageware、CATIA的逆向设计模块（DigitalShapeEditer）对“点云”处理时需要形成小三角面片，当点云数据密集时，如不作特殊处理，将给计算机硬件带来很大的压力。在设计流程测试过程中发现，当“点云”数据量超过百万时，建议使用QuadroFX1800专业图形显卡进行设计；当数据量较小时，或者在数据处理时采用过滤、分区域激活等设计手段，则也可以使用QuadroFX1700专业图形显卡完成设计任务。
CAD系统中的汽车激光扫描点云数据
值得一提的是在车身气动设计阶段，传统工艺一般会采用缩比油泥模型（1:5）进行大量试验，一边试验一般根据结果修改油泥模型。然而这种反馈与修改的过程是漫长的，试验也使得研发成本显著增高。汽车数字化设计对CAE技术引进则很好的解决了这一难题。例如工程师经常使用Fluent软件进行流体场的CAE分析（如下图左所示）。但传统的CAE分析注重于数据，在可视化方面还有欠缺。今天如果采用NVIDIA公司CUDA并行计算架构，则可以让设计师实现如下图右所示的“惊人”场景。设计师可以在软件平台上一边进行复杂的空气动力学解算，一边在屏幕上实时的看到“空气”流过汽车车身的压强分布，这是设计师梦寐以求的设计环节。
Fluent汽车流场分析三维实时汽车流场分析
汽车概念设计方案通过后，就进入到汽车辅助支撑设计阶段，同期汽车的零部件设计、采购也会并行进行。汽车辅助支持设计包含白车身工程、内外饰工程、底盘工程、电气工程和动力总成工程等详细工程项目设计，这是一个复杂的系统工程。目前汽车行业一般使用CATIA、UG（NX）进行工程结构设计。CATIA、UG（NX）身出航空军工业，一个来自法国达索飞机制造公司，另一个来自麦道航空发动机公司，其共同特点是都有着非常丰富的工程设计应用背景。汽车辅助支撑设计一般采用“自顶向下”的设计理念，即在现在外形曲面的基础上，进行区域分割然后向内部进行零部件结构的设计。这样设计的好处在于零部件有一个统一的基准曲面，会较少产生设计中装配误差问题。辅助支撑设计对计算机硬件需求出现多样化要求。例如基础的零件设计任务哪怕采用低端的QuadroFX380也能完成，而对于部件总装配则需要像QuadroFX4800这样的高端显卡，搭配64位操作系统才可以完成。因为车身总装配可能涉及到几万个零件，这样大的数据规模，不但是对图形系统的考验，还必须有足够的计算机内存来支撑，而32位的Windows操作系统最大只支持3G内存寻址是显然不够的。在实际测试中我们用WindowsXP32位系统，3G内存+FX1800在CATIAV5R20软件中进行汽车前桥的设计测试（如下图所示）。整个设计无论是参数修改，还是整体装配，都是流畅的。对于整车数据测试过程中也试图在这一平台下打开，但是由于数据加载时间过长最终放弃。就真实设计过程而言，一般整车数据的总装也多指车身数据而言，很多零部件数据都会以轻量化的数据出现（零部件设计商数据保密），这也减轻了大型装配计算机硬件压力。
汽车前桥设计
在进行车身整车数据（如下图所示）的测试时有幸拿到了QuadroFermi系列Quadro5000专业图形显卡进行测试。测试在Windows764bit/6GDDR3内存硬件平台，CATIAV5R20软件平台下完成。测试结果非常好，尽管数据加载花费了一定的时间，但是加载后，数据浏览，模型剖切都很流畅。当然像CATIA、UG（NX）这些大型通用设计平台都提供了大型装配的特殊处理方法。例如在CATIA装配模块中存在视觉模式和设计模式，在视觉模式可以只加载数据模型的轻量化文件（CGR格式），这使得显卡、内存负担大大减轻。当要进行某一部分装配或者机构设计时，可以单独激活组建，这时CATIA会将详细的结构数据加载进来。通过这种方式即使只使用QuadroFX3800这样级别的显卡，我们也可以顺利的完成整车装配任务。
CATIA中的汽车整车数据模型
QuadroFX3800和Quadro5000参数对比如下：
汽车零部件设计测试我们选择了汽车发动机作为被测对象。发动机是汽车的心脏，无论从单个零部件还是从整体来讲发动机都足够的复杂。因为已完成了汽车车身整车相关测试，在进行发动机测试环节多少缺了些紧张和兴奋。发动机的测试增加了两个环节，如果整车车身数据测试以数据规模为主，发动机测试则以运动机构仿真、CAE分析、展示环节为主（见下图）。测试在WindowsXP32位/3GDDR3/QudroFX1800内存硬件平台，UG（NX）7.5软件平台上完成。测试过程中除了在运动机构仿真阶段稍有延滞外，其余测试如常规平移、缩放、显隐操作，装配、剖切都比较流畅，没有出现卡死情况。
UG（NX）中的发动机数据模型
发动机缸体部件CAE分析
三、总结
对以上汽车设计流程中的各项测试作一个总结。从大量测试可以看出来，专业的基于3D技术的设计工作其对计算机硬件的主要要求集中在图形显卡上。现在CPU已经全面进入多核时代，而像CATIA这样的大型设计软件也还未实现多核并行运算，设计中对CPU使用率进行监测也可以发现，多数时间CPU处于大约60%使用率状态。而专业图形显卡以其良好的性能、专业的驱动程序以及稳定性成为数字化设计的必备保障。下表为对汽车设计流程各环节的测试的一个总结，希望这样的推荐可以给投资者一些参考性意见。
近年来数字化设计技术正在飞速的发展，2009年我们在采访歼十飞机制造厂（成飞）信息中心主任时他曾说，航空业现在所要是现实的已不是某项设计或制造的数字化，而是要打造数字化企业。我想今天的汽车企业还在实现数字化设计、制造、物流的一体化整合，明天的汽车企业也必然是数字化的企业。要保证这样一个机制高效、稳定的运行，硬件设备、专业图形显卡是必须的保障设备。
