汽车造型的开发流程实际上是一个从二维构思草图到三维数字模型(或实物模型)的过程。然而,目前的CAS/CAD技术对这一流程的支持其实是不连贯的,设计师无法将二维的手绘草图直接以数据的形式输入到三维设计软件中变成三维模型,同时也无法在目前的三维设计软件中像手绘一样进行构思的表达。另外,对设计师来说这—过程也是不连贯的,目前汽车造型设计中二维到三维数据的转换工作都依赖CAS技术人员,他们或许有着非常高超的模型创建技巧,但毕竟不是设计师本人,对设计师意图的领会可能会出现偏差,因而要反复地修改模型,就算是利用现有的三维设计软件来创建三维数模也会耗费大量的时间,从而降低了设计的效率。因此,如何让设计师利用传统手绘的方式直接创建三维数字模型,从而提高设计效率,在汽车设计改型换代日益频繁的今天,已经引起了人们广泛的重视。本文在对国内外基于草图的三维建模系统及其技术方法进行归纳的基础上,根据传统汽车造型手绘的方法,创新地提出了针对汽车造型设计的三维手绘参考系统,设计了基准面、网格、车轮和工作面四个手绘参考工具；在三维手绘参考系统的基础上,从图形学理论的角度推导了二维屏幕点到三维空间坐标点之间的转换过程,探讨了实现三维手绘曲线的两种方法,并从理论的角度加以说明；最后,通过对现有CAD系统中三维曲面创建方式的分析,设计了相应的手绘实现方法,并编写了程序进行实现。三维手绘参考系统即适合设计师在三维环境下进行手绘的辅助工具,它是按照传统汽车造型设计中手绘构思草图的一般方法进行设计的,由参考基准面、网格、车轮和工作面组成。参考基准面、网格和车轮可以帮助用户熟悉三维环境,并作为手绘操作的辅助工具为用户手绘提供参考。工作面是手绘曲线的承载平台,它是整个手绘过程中操纵最为频繁的工具,因此对它的设计非常重要。本文根据手绘操纵的特点,设计了工作面的移动(包括水平移动和空间移动)、工作面的切换、工作面尺寸改变和将工作面指定到曲线上四个功能,并详细解释了算法实现的过程。数位笔在屏幕上的手绘曲线是由数个点序构成的,屏幕手绘曲线转换成三维曲线的过程其实就是二维屏幕点转换到三维空间坐标点的过程。本文采用OpenGL图形绘制管道原理,按照模型变换、投影变换和视口变换的顺序推导了二维屏幕点到三维空间坐标点转换的矩阵变换过程。同时探讨了基于手绘方式实现三维曲线生成的两种方法,即投影法和相交线法,并分别利用跟踪法、插值法和代数迭代法从理论上进行了说明。三维曲面的手绘实现即用传统手绘的方式在三维空间中将曲面“画”出来,它区别于目前CAS/CAD系统中曲面创建采用的WIMP (Windows, Icon, Menu, Pointer,即窗口、图标、菜单、鼠标指针)的交互方式。本文通过对CAS/CAD软件中曲面创建操作方式进行对比分析,设计了一系列基于手绘的三维曲面的创建和编辑方式,并详细解释了程序实现的关键算法。其中三维曲面的创建包括了填充、拉伸、旋转扫描、单轨扫描和蒙面,三维曲面的编辑包括了曲面分割、桥接和倒圆角。本文的研究以CAD系统软件ThinkDesign为平台,采用数位笔和数位屏等先进交互设备作为硬件开发工具,利用ThinkDesign的二次开发应用接口、Microsoft Visual Studio 2005软件和C++语言作为编程工具,实现并验证了上述的设计算法。三维的车身造型数字模型是由点、线和面三个基本元素组合而成。本文在构造了三维手绘参考系统的基础上,分别从点、线和面三个角度入手,探讨了点、线和面的三维手绘实现方法,并设计了一系列三维曲面创建和编辑的新方式。本文的研究工作是项目课题的主要成果即AutoSketch系统(汽车三维手绘造型系统)的重要组成部分,对CAS/CAD系统的发展,以及解决手绘创意和三维建模之间的无缝连接,提高设计表达质量和设计效率都具有十分重要的意义。