淺談3DMAX后期渲染在變電設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

萬里洋

(西南電力設(shè)計(jì)院電網(wǎng)分公司 ，四川 成都 610000)

三維設(shè)計(jì)是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)讓設(shè)計(jì)目標(biāo)更立體化，更形象化的一種新興設(shè)計(jì)方法。三維設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于軍事，航天多個(gè)高科技領(lǐng)域，變電設(shè)計(jì)也跟時(shí)代一起進(jìn)步，一起共同摸索專研這門新興的技術(shù)。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，我們是在一個(gè)平面的二維空間內(nèi)考慮布局，也就是上下左右四個(gè)方向。如果我們把每個(gè)模塊抽象成為一個(gè)平面，從三維的角度來看，有了前后的關(guān)系，一個(gè)頁(yè)面就可以看做N個(gè)層的重疊，通過層之間的互相透視，二維上形成一個(gè)頁(yè)面。這種抽象只是在設(shè)計(jì)頁(yè)面布局的角度，和最終呈現(xiàn)給用戶的二維視覺沒有影響。二維布局越復(fù)雜，制作難度越大，在三維空間內(nèi)，再?gòu)?fù)雜的布局也就是更多層面的疊加，同時(shí)根據(jù)瀏覽器解析代碼自上而下的特性，可以隨意調(diào)整各模塊的顯示順序，很多存在于二維布局方法的難題迎刃而解。 三維設(shè)計(jì)中最常見的問題是自身的美術(shù)感和空間想象，以及是自己對(duì)軟件熟練掌握。3DMAX就是三維設(shè)計(jì)中常用軟件之一。

變電站是一個(gè)轉(zhuǎn)換電壓的樞紐，可以把高電壓轉(zhuǎn)化成低電壓或把低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓，從而達(dá)到轉(zhuǎn)換和傳輸電壓的目的。電廠發(fā)出來的電，經(jīng)過線路傳輸、變電站、線路傳輸?shù)竭_(dá)目的地。變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，繪制一個(gè)虛擬變電站不僅真實(shí)美觀，更是讓設(shè)計(jì)人員和甲方對(duì)工程一目了然，后期對(duì)于保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行具有十分重要的意義。

因此，建立一個(gè)與實(shí)際變電站狀況相似的三維變電站是十分必要的。

1 三維圖形在變電設(shè)計(jì)中帶來的作用

傳統(tǒng)變電設(shè)計(jì)中都是二維設(shè)計(jì)，在表達(dá)一個(gè)較為復(fù)雜的電氣設(shè)備或者平面布置圖不僅麻煩而且容易出錯(cuò)。

二維只能做到輔助設(shè)計(jì),三維是最真實(shí)的設(shè)計(jì)表達(dá)當(dāng)計(jì)算機(jī)里有了三維模型,加工中心可以被設(shè)計(jì)為直接由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng),圖紙也不再是現(xiàn)在意義上的平面圖紙了,而是一種通用的交換模型。

三維的意義是讓計(jì)算機(jī)來試驗(yàn)?zāi)愕南胂?一旦零部件物理特性設(shè)置之后,計(jì)算機(jī)可以幫你做計(jì)算,復(fù)核,出料單等等。設(shè)計(jì)者應(yīng)用三維化設(shè)計(jì)可以對(duì)實(shí)際考察到的變電站環(huán)境和已選擇的高壓電氣設(shè)備進(jìn)行三維化描述，便可了解三維實(shí)體的空間特征，以及相鄰實(shí)體在空間上的位置關(guān)系。在三維化設(shè)計(jì)完成后，可以從計(jì)算和實(shí)際觀察兩方面檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，并根據(jù)實(shí)際需要選用符合實(shí)際情況的電力器件。

2 3DMAX是什么，有什么優(yōu)點(diǎn)

3DMAX（簡(jiǎn)稱max）軟件，由國(guó)際著名的Autodesk公司的子公司Discreet公司制作開發(fā)的，它是集造型、渲染和制作動(dòng)畫于一身的三維制作軟件。從它出現(xiàn)的那一天起，即受到了全世界無數(shù)三維動(dòng)畫制作愛好者的熱情贊譽(yù)，max也不負(fù)眾望，屢屢在國(guó)際上獲得大獎(jiǎng)。當(dāng)前，它已逐步成為在個(gè)人PC機(jī)上最優(yōu)秀的三維動(dòng)畫制作軟件。所謂三維動(dòng)畫，就是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與創(chuàng)作，產(chǎn)生真實(shí)的立體場(chǎng)景與動(dòng)畫。

3DMAX三維建模軟件具有功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性好、兼容性強(qiáng)、容易上手等特點(diǎn)。以3DMAX三維建模軟件為開發(fā)平臺(tái)，對(duì)變電站及其器件做了簡(jiǎn)要概述，分析應(yīng)用3DMAX進(jìn)行變電站三維設(shè)計(jì)以及提升設(shè)計(jì)效率和細(xì)節(jié)的方法?？梢詫?shí)現(xiàn)變電站設(shè)計(jì)從虛擬到現(xiàn)實(shí)的映射。

3.3DMAX渲染能在變電站設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)什么功能

3DMAX三維設(shè)計(jì)軟件有著強(qiáng)大的后期渲染功能，在變電站設(shè)計(jì)后期渲染中，真實(shí)的模擬光線，相片貼圖等功能可以實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)的模擬變電站效果圖。讓設(shè)計(jì)人和甲方對(duì)工程任務(wù)都有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)同時(shí)透過3DMAX的多個(gè)視口觀察變電站模型，不僅設(shè)計(jì)意圖清晰明朗，檢查錯(cuò)誤（例如碰撞，設(shè)備是否布置等）也是一目了然。配合上渲染后的效果圖更是讓原本生硬難懂的變電站設(shè)計(jì)變的色彩絢麗，栩栩如生。

4 3DMAX在變電站模型后期渲染中注意事項(xiàng)

在沙州750kV變電站設(shè)計(jì)中，變電站的地形、電氣設(shè)備、接線、構(gòu)架圍墻等，已經(jīng)全部布置完成。需要用到3DMAX渲染表示全站效果需要注意以下。

4.1 文件導(dǎo)入格式注意

由于工程是由各個(gè)不同專業(yè)組合起來完成的。完成的工作也是由不同軟件完成的文件格式各有不同，一般最好模型集中統(tǒng)一參考后使用一種文件格式后在導(dǎo)入3DMAX。例如在沙州750kV變電站設(shè)計(jì)工程中分別有很多不同的專業(yè)軟件組成。電氣設(shè)備（DGN）,導(dǎo)線（DGN）,建筑模型（RVT）我們合并且統(tǒng)一了所有文件格式為DGN并且已經(jīng)全部合并了參照文件。我們?cè)趯?dǎo)入3DMAX時(shí)不能直接打開DGN文件,導(dǎo)入也不行。我們把可把所有模型在參考整合為DGN模型，在轉(zhuǎn)換為DWG格式即可 。文件格式統(tǒng)一后導(dǎo)入時(shí)沒有出現(xiàn)其他專業(yè)的模型有丟失或者不兼容的情況?？梢钥闯?DMAX的兼容性非常好，這在多個(gè)專業(yè)一起設(shè)計(jì)時(shí)非常重要。

4.2 如何優(yōu)化模型的面和點(diǎn)

沙州750kV變電站工程中模型一共有4486021個(gè)點(diǎn) 8532768個(gè)多邊形 是相當(dāng)龐大的數(shù)據(jù)。

我全選模型然后加載優(yōu)化修改器然后選擇優(yōu)化面閾值和邊閾值。模型的頂點(diǎn)數(shù)變?yōu)?894449個(gè)，多邊形變成7330923個(gè)。

如果模型過于龐大一般優(yōu)化無法勝任時(shí)可以選擇修改器中的ProOptimeizer(超級(jí)優(yōu)化)他們的工作原理都是一樣的優(yōu)化模型的面閾值但是效果更加明顯，但是過于優(yōu)化有時(shí)會(huì)讓模型發(fā)生變樣需要特別注意。

塌陷在max當(dāng)中的意義是：把所有附加在立體模型上修改器，貼圖，形態(tài)等特征全部固化到立體模型上，其在max中的特點(diǎn)是：可以是節(jié)約出大量的內(nèi)存，同時(shí)在調(diào)整立體模型時(shí)，其跟隨在立體模型上的特點(diǎn)例如：貼圖都可以跟隨模型的改變而改變。一般使用塌陷是在所有對(duì)立體模型上的操作都完成了，不打算在改變了，才做最終的塌陷。有點(diǎn)像photoshop中的合層的概念，但其缺點(diǎn)是，原來加載上面的修改器，將不能在做調(diào)整了。所以使用塌陷命令最后是確定模型無誤時(shí)最后渲染前使用的命令。

我在模型導(dǎo)入后進(jìn)行一系列的優(yōu)化工作，模型的優(yōu)化非常明顯，給電腦計(jì)算渲染的壓力減小不少，我們可以看見3DMAX在給沙洲750kV工程的模型優(yōu)化時(shí)非常的智能方便。

4.3 賦予材質(zhì)

在模型剛導(dǎo)入時(shí)候由于沒有賦予材質(zhì) 模型一般顯示為黑色底圖樣。推薦轉(zhuǎn)換為線框模式方便查看同時(shí)線框模式占用顯存更少。

材質(zhì)的設(shè)置一般主要為顏色，質(zhì)地，紋理，透明度和光澤等特性。

材質(zhì)和貼圖是有區(qū)別的，材質(zhì)是滲透到3D對(duì)象中的一種效果，但大多數(shù)貼圖是2D圖像，可以包裹在對(duì)象表面。貼圖的最大好處就是不浪費(fèi)過多的系統(tǒng)資源，在利用照相設(shè)備采集電氣設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)照片后貼到三維模型上的表現(xiàn)效果也相當(dāng)逼真。同時(shí)，材質(zhì)可以包含貼圖，貼圖可以由幾種材質(zhì)組成。

在3DMAX中，所有的材質(zhì)效果設(shè)置都是在材質(zhì)編輯器中完成的。在材質(zhì)編輯器中可以為對(duì)象編輯材質(zhì)，并將編輯好的材質(zhì)賦予場(chǎng)景中的對(duì)象，材質(zhì)的效果顯示在樣本槽中，可以隨時(shí)對(duì)編輯的材質(zhì)進(jìn)行修改。在3DMAX中，材質(zhì)參數(shù)的設(shè)定主要由：基本著色參數(shù)卷展欄、基本參數(shù)卷展欄、擴(kuò)展參數(shù)卷展欄、貼圖卷展欄、動(dòng)力學(xué)屬性卷展欄組成。

在基本著色參數(shù)卷展欄中，可以選擇不同的材質(zhì)渲染明暗器類型及渲染方式來加強(qiáng)三維模型的外在表現(xiàn)特征如：

(1)Anisotropic(各向異性)：在物體表面產(chǎn)生橢圓形的狹長(zhǎng)高光，適用于頭發(fā)、油漆、玻璃、金屬等物體。在設(shè)計(jì)虛擬變電站場(chǎng)景中的建筑物窗戶、電腦桌桌面以及金屬把手時(shí)都需要用到該參數(shù)。

(2)Metal(金屬)：專用于表現(xiàn)金屬物體和一些有機(jī)材料，可以表現(xiàn)金屬表面的反光效果。它對(duì)于眾多的電氣設(shè)備具有很大的用處，電纜、三角鋼架、斷路器底座等等都需要用到該參數(shù)。

(3)Oren.Nayar.Blinn(明 暗 處 理 )：是Blinn類型的一種拓展，但它對(duì)物體的表面色具有更強(qiáng)的控制，可以在物體表面產(chǎn)生粗糙的效果，適用于表現(xiàn)布、陶器等物體。該參數(shù)主要用來設(shè)計(jì)絕緣陶瓷的材質(zhì)，如斷路器的絕緣部分、變壓器的絕緣部分、高塔上的絕緣子等等。

在沙洲750kV變電站中的電氣設(shè)備總數(shù)就超過數(shù)百個(gè)，再加上若干室內(nèi)物體模型，室外場(chǎng)景模型，模型總數(shù)是一個(gè)異常龐大的數(shù)目。

但是我通過利用VRay渲染引擎和貼圖烘焙技術(shù)能夠渲染出逼真而精簡(jiǎn)的模型，同時(shí)利用3DMAX自帶的內(nèi)存堆棧塌陷技術(shù)大大優(yōu)化了模型，3DMAX的VRay材質(zhì)器專門預(yù)留的工程材質(zhì)類型也為我的工作時(shí)間節(jié)約不少。

4.4 燈光處理

在3DMAX中給沒有提供燈光效果時(shí)模型賦予的材質(zhì)并不能直接看見披上材質(zhì)的真實(shí)效果。需要加上燈光效果才能看見真實(shí)的渲染效果。在沙州750kV變電站設(shè)計(jì)中模型是室外模型，并不需要像室內(nèi)設(shè)計(jì)那樣設(shè)置復(fù)雜的燈光參數(shù)。我們只需要加上一個(gè)天然太陽光光源，配上一個(gè)藍(lán)天白云背景圖在設(shè)置下發(fā)光參數(shù)就能達(dá)到很好的燈光效果。在變電站設(shè)計(jì)中我們需要特別注意燈光反射的設(shè)置。他直接影響著電氣設(shè)備的金屬材質(zhì)表現(xiàn)效果。例如斷路器部分的材質(zhì)設(shè)置的是Metal(金屬)是油漆材質(zhì)反光效果我們需要在材質(zhì)界面和燈光界面同時(shí)設(shè)置材質(zhì)的反光系數(shù)。設(shè)備的基礎(chǔ)都為混泥土材質(zhì)我們還需要特別設(shè)置燈光陰影參數(shù)，因?yàn)樽冸娫O(shè)計(jì)中彼此設(shè)備距離較近會(huì)出現(xiàn)陰影擋住后方設(shè)備的情況。

4.4 攝影機(jī)設(shè)置

攝影機(jī)是場(chǎng)景中不可缺少的組成單位，最后完成的靜態(tài)，動(dòng)態(tài)圖像都要在攝影機(jī)圖中表現(xiàn)。攝影機(jī)功能在變電站設(shè)計(jì)后期渲染工作中非常重要。因?yàn)閱我坏耐敢晥D我們雖然可以看見全站模型，但是變電站很多細(xì)節(jié)部分我們無法看見（比如導(dǎo)線的連線，部分細(xì)小設(shè)備的連接等）因此我們需要加入攝影機(jī)從各個(gè)不同的角度表現(xiàn)變電站設(shè)計(jì)。

在確定攝像機(jī)的位置時(shí)，總是考慮到大眾的視覺習(xí)慣，在大多數(shù)情況下視點(diǎn)不應(yīng)高于正常人的身高，也會(huì)根據(jù)室內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)，選擇是采用人蹲著的視點(diǎn)高度、坐著的視點(diǎn)高度或是站立時(shí)的視點(diǎn)高度，這樣渲染出來的圖像就會(huì)符合人的視覺習(xí)慣，看起來也會(huì)很舒服。在使用站立時(shí)的視點(diǎn)高度時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)一般都會(huì)在視點(diǎn)的同一高度，也就是平視。這樣電氣設(shè)備和建筑的垂直輪廓線才不會(huì)產(chǎn)生透視變形，給人穩(wěn)定的感覺，這種穩(wěn)定感和舒適感就是靠攝像機(jī)營(yíng)造出來的

3DMAX有兩種攝影機(jī)種類分別是目標(biāo)攝影機(jī)和自由攝影機(jī)

自由攝影機(jī)：用于觀察攝影機(jī)方向內(nèi)的場(chǎng)景內(nèi)容。多用于軌跡動(dòng)畫，本次渲染沙洲750kV模型較為龐大計(jì)算機(jī)配置不適合做漫游動(dòng)畫處理因此沒有使用自由攝影機(jī)。

目標(biāo)攝影機(jī)：用于觀察目標(biāo)點(diǎn)附近的場(chǎng)景內(nèi)容。它有攝影機(jī)，目標(biāo)兩部分，可以很容易地單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整。因此本次渲染任務(wù)使用目標(biāo)攝影機(jī)最合適。

下圖是本次工程的一些攝影機(jī)角度。

4.5 渲染器的選擇

使用3DMAX時(shí)我們一般遵循"建模-燈光-材質(zhì)-渲染的步驟，其中渲染步驟渲染器的設(shè)置參數(shù)尤為關(guān)鍵下面重點(diǎn)介紹本次渲染器的設(shè)置。如何保持高質(zhì)量的效果也不過于花費(fèi)大量時(shí)間。

本次渲染中我選擇了 Vray渲染器，VRay渲染器是保加利亞的Chaos Grpup公司開發(fā)的一款高質(zhì)量渲染引擎，主要以插件的形式應(yīng)用在3dsMax,Maya,SketchUp等軟件中。由于VRay渲染器可以真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)光照，并且操作簡(jiǎn)單，可控性也很強(qiáng),因此被廣泛應(yīng)用于建筑表現(xiàn)，工業(yè)設(shè)計(jì)和動(dòng)畫制作等領(lǐng)域。

VRay的渲染速度與渲染質(zhì)量比較均衡，也就是說在保證較高渲染質(zhì)量的前提下也具有較快的渲染速度，所以它是目前效果圖制作領(lǐng)域最為流行的渲染器。

結(jié)論

在變電三維設(shè)計(jì)中3Dmax不但具有后期渲染功能。而且還可以幫助設(shè)計(jì)人員更加便利地設(shè)計(jì)出符合需求的三維立體模型。同時(shí)，該軟件還獨(dú)有人工智能優(yōu)化的調(diào)整功能，具有操作便捷、自動(dòng)化集成度高、實(shí)時(shí)修改模型屬性值等優(yōu)點(diǎn)。另外，3Dmax的三維渲染功能可為設(shè)計(jì)的模型帶來更加真實(shí)逼真的效果。 在龐大的變電站渲染中我們按照先把模型轉(zhuǎn)換為線框，使用修改器優(yōu)化，賦予合適的材質(zhì)和貼圖，加上合適的燈光和渲染器設(shè)置的步驟即可大大優(yōu)化渲染中所花費(fèi)的時(shí)間和工作量。最后我們需要詳細(xì)的設(shè)置渲染器的各個(gè)參數(shù)才能保證一個(gè)出色的作品。在這些系列工作完成后我們可以看見變電站已經(jīng)變的真實(shí)美觀，變電站看起來幾乎是以假亂真的地步。

三維設(shè)計(jì)就像一場(chǎng)革命風(fēng)暴一樣為變電設(shè)計(jì)帶來全新的一面，新的方法，新的思維，新的技術(shù)。而3DMAX正是這場(chǎng)革命的尖刀一般。在變電設(shè)計(jì)工作中可以說3DMAX渲染工作不僅是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單把一個(gè)作品做的真實(shí)美觀。更加重要的是他能反應(yīng)出各個(gè)設(shè)計(jì)人員的意圖。當(dāng)各個(gè)專業(yè)人員設(shè)計(jì)時(shí)不能或者不是很清晰知道和其他專業(yè)配合的模型是什么情景，在3DMAX整合后的模型可以直觀反應(yīng)的各個(gè)專業(yè)配合的模型是否會(huì)出現(xiàn)碰撞，外立面的顏色搭配是否合適等等問題。甲方看3DMAX渲染圖更是幫助巨大，無需自己翻閱繁多的平面圖紙，無需自己還要思考與其他圖紙聯(lián)想模型。3DMAX渲染圖就能最直觀表達(dá)設(shè)計(jì)方的意圖和布置，省時(shí)又省力。并且可以在最快最短的時(shí)間內(nèi)和設(shè)計(jì)方交換自己的意見和意圖，設(shè)計(jì)方也能通關(guān)渲染圖清晰明白知道甲方想要表達(dá)的意思。

所以3DMAX不僅是強(qiáng)大的后期制作軟件，他更是架起了設(shè)計(jì)方和甲方交流溝通的一個(gè)新橋梁。

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