浅谈3DMAX后期渲染在变电设计中的应用

万里洋

(西南电力设计院电网分公司 ，四川 成都 610000)

三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础让设计目标更立体化，更形象化的一种新兴设计方法。三维设计已经应用于军事，航天多个高科技领域，变电设计也跟时代一起进步，一起共同摸索专研这门新兴的技术。

传统的设计方法，我们是在一个平面的二维空间内考虑布局，也就是上下左右四个方向。如果我们把每个模块抽象成为一个平面，从三维的角度来看，有了前后的关系，一个页面就可以看做N个层的重叠，通过层之间的互相透视，二维上形成一个页面。这种抽象只是在设计页面布局的角度，和最终呈现给用户的二维视觉没有影响。二维布局越复杂，制作难度越大，在三维空间内，再复杂的布局也就是更多层面的叠加，同时根据浏览器解析代码自上而下的特性，可以随意调整各模块的显示顺序，很多存在于二维布局方法的难题迎刃而解。 三维设计中最常见的问题是自身的美术感和空间想象，以及是自己对软件熟练掌握。3DMAX就是三维设计中常用软件之一。

变电站是一个转换电压的枢纽，可以把高电压转化成低电压或把低电压转换成高电压，从而达到转换和传输电压的目的。电厂发出来的电，经过线路传输、变电站、线路传输到达目的地。变电站是电力系统的重要组成部分，绘制一个虚拟变电站不仅真实美观，更是让设计人员和甲方对工程一目了然，后期对于保证电力系统安全、经济、优质运行具有十分重要的意义。

因此，建立一个与实际变电站状况相似的三维变电站是十分必要的。

1 三维图形在变电设计中带来的作用

传统变电设计中都是二维设计，在表达一个较为复杂的电气设备或者平面布置图不仅麻烦而且容易出错。

二维只能做到辅助设计,三维是最真实的设计表达当计算机里有了三维模型,加工中心可以被设计为直接由计算机驱动,图纸也不再是现在意义上的平面图纸了,而是一种通用的交换模型。

三维的意义是让计算机来试验你的想像,一旦零部件物理特性设置之后,计算机可以帮你做计算,复核,出料单等等。设计者应用三维化设计可以对实际考察到的变电站环境和已选择的高压电气设备进行三维化描述，便可了解三维实体的空间特征，以及相邻实体在空间上的位置关系。在三维化设计完成后，可以从计算和实际观察两方面检验设计的合理性，并根据实际需要选用符合实际情况的电力器件。

2 3DMAX是什么，有什么优点

3DMAX（简称max）软件，由国际著名的Autodesk公司的子公司Discreet公司制作开发的，它是集造型、渲染和制作动画于一身的三维制作软件。从它出现的那一天起，即受到了全世界无数三维动画制作爱好者的热情赞誉，max也不负众望，屡屡在国际上获得大奖。当前，它已逐步成为在个人PC机上最优秀的三维动画制作软件。所谓三维动画，就是利用计算机进行动画的设计与创作，产生真实的立体场景与动画。

3DMAX三维建模软件具有功能强大、扩展性好、兼容性强、容易上手等特点。以3DMAX三维建模软件为开发平台，对变电站及其器件做了简要概述，分析应用3DMAX进行变电站三维设计以及提升设计效率和细节的方法。可以实现变电站设计从虚拟到现实的映射。

3.3DMAX渲染能在变电站设计中实现什么功能

3DMAX三维设计软件有着强大的后期渲染功能，在变电站设计后期渲染中，真实的模拟光线，相片贴图等功能可以实现接近真实的模拟变电站效果图。让设计人和甲方对工程任务都有个直观的认识同时透过3DMAX的多个视口观察变电站模型，不仅设计意图清晰明朗，检查错误（例如碰撞，设备是否布置等）也是一目了然。配合上渲染后的效果图更是让原本生硬难懂的变电站设计变的色彩绚丽，栩栩如生。

4 3DMAX在变电站模型后期渲染中注意事项

在沙州750kV变电站设计中，变电站的地形、电气设备、接线、构架围墙等，已经全部布置完成。需要用到3DMAX渲染表示全站效果需要注意以下。

4.1 文件导入格式注意

由于工程是由各个不同专业组合起来完成的。完成的工作也是由不同软件完成的文件格式各有不同，一般最好模型集中统一参考后使用一种文件格式后在导入3DMAX。例如在沙州750kV变电站设计工程中分别有很多不同的专业软件组成。电气设备（DGN）,导线（DGN）,建筑模型（RVT）我们合并且统一了所有文件格式为DGN并且已经全部合并了参照文件。我们在导入3DMAX时不能直接打开DGN文件,导入也不行。我们把可把所有模型在参考整合为DGN模型，在转换为DWG格式即可 。文件格式统一后导入时没有出现其他专业的模型有丢失或者不兼容的情况。可以看出3DMAX的兼容性非常好，这在多个专业一起设计时非常重要。

4.2 如何优化模型的面和点

沙州750kV变电站工程中模型一共有4486021个点 8532768个多边形 是相当庞大的数据。

我全选模型然后加载优化修改器然后选择优化面阈值和边阈值。模型的顶点数变为3894449个，多边形变成7330923个。

如果模型过于庞大一般优化无法胜任时可以选择修改器中的ProOptimeizer(超级优化)他们的工作原理都是一样的优化模型的面阈值但是效果更加明显，但是过于优化有时会让模型发生变样需要特别注意。

塌陷在max当中的意义是：把所有附加在立体模型上修改器，贴图，形态等特征全部固化到立体模型上，其在max中的特点是：可以是节约出大量的内存，同时在调整立体模型时，其跟随在立体模型上的特点例如：贴图都可以跟随模型的改变而改变。一般使用塌陷是在所有对立体模型上的操作都完成了，不打算在改变了，才做最终的塌陷。有点像photoshop中的合层的概念，但其缺点是，原来加载上面的修改器，将不能在做调整了。所以使用塌陷命令最后是确定模型无误时最后渲染前使用的命令。

我在模型导入后进行一系列的优化工作，模型的优化非常明显，给电脑计算渲染的压力减小不少，我们可以看见3DMAX在给沙洲750kV工程的模型优化时非常的智能方便。

4.3 赋予材质

在模型刚导入时候由于没有赋予材质 模型一般显示为黑色底图样。推荐转换为线框模式方便查看同时线框模式占用显存更少。

材质的设置一般主要为颜色，质地，纹理，透明度和光泽等特性。

材质和贴图是有区别的，材质是渗透到3D对象中的一种效果，但大多数贴图是2D图像，可以包裹在对象表面。贴图的最大好处就是不浪费过多的系统资源，在利用照相设备采集电气设备和现场照片后贴到三维模型上的表现效果也相当逼真。同时，材质可以包含贴图，贴图可以由几种材质组成。

在3DMAX中，所有的材质效果设置都是在材质编辑器中完成的。在材质编辑器中可以为对象编辑材质，并将编辑好的材质赋予场景中的对象，材质的效果显示在样本槽中，可以随时对编辑的材质进行修改。在3DMAX中，材质参数的设定主要由：基本着色参数卷展栏、基本参数卷展栏、扩展参数卷展栏、贴图卷展栏、动力学属性卷展栏组成。

在基本着色参数卷展栏中，可以选择不同的材质渲染明暗器类型及渲染方式来加强三维模型的外在表现特征如：

(1)Anisotropic(各向异性)：在物体表面产生椭圆形的狭长高光，适用于头发、油漆、玻璃、金属等物体。在设计虚拟变电站场景中的建筑物窗户、电脑桌桌面以及金属把手时都需要用到该参数。

(2)Metal(金属)：专用于表现金属物体和一些有机材料，可以表现金属表面的反光效果。它对于众多的电气设备具有很大的用处，电缆、三角钢架、断路器底座等等都需要用到该参数。

(3)Oren.Nayar.Blinn(明 暗 处 理 )：是Blinn类型的一种拓展，但它对物体的表面色具有更强的控制，可以在物体表面产生粗糙的效果，适用于表现布、陶器等物体。该参数主要用来设计绝缘陶瓷的材质，如断路器的绝缘部分、变压器的绝缘部分、高塔上的绝缘子等等。

在沙洲750kV变电站中的电气设备总数就超过数百个，再加上若干室内物体模型，室外场景模型，模型总数是一个异常庞大的数目。

但是我通过利用VRay渲染引擎和贴图烘焙技术能够渲染出逼真而精简的模型，同时利用3DMAX自带的内存堆栈塌陷技术大大优化了模型，3DMAX的VRay材质器专门预留的工程材质类型也为我的工作时间节约不少。

4.4 灯光处理

在3DMAX中给没有提供灯光效果时模型赋予的材质并不能直接看见披上材质的真实效果。需要加上灯光效果才能看见真实的渲染效果。在沙州750kV变电站设计中模型是室外模型，并不需要像室内设计那样设置复杂的灯光参数。我们只需要加上一个天然太阳光光源，配上一个蓝天白云背景图在设置下发光参数就能达到很好的灯光效果。在变电站设计中我们需要特别注意灯光反射的设置。他直接影响着电气设备的金属材质表现效果。例如断路器部分的材质设置的是Metal(金属)是油漆材质反光效果我们需要在材质界面和灯光界面同时设置材质的反光系数。设备的基础都为混泥土材质我们还需要特别设置灯光阴影参数，因为变电设计中彼此设备距离较近会出现阴影挡住后方设备的情况。

4.4 摄影机设置

摄影机是场景中不可缺少的组成单位，最后完成的静态，动态图像都要在摄影机图中表现。摄影机功能在变电站设计后期渲染工作中非常重要。因为单一的透视图我们虽然可以看见全站模型，但是变电站很多细节部分我们无法看见（比如导线的连线，部分细小设备的连接等）因此我们需要加入摄影机从各个不同的角度表现变电站设计。

在确定摄像机的位置时，总是考虑到大众的视觉习惯，在大多数情况下视点不应高于正常人的身高，也会根据室内的空间结构，选择是采用人蹲着的视点高度、坐着的视点高度或是站立时的视点高度，这样渲染出来的图像就会符合人的视觉习惯，看起来也会很舒服。在使用站立时的视点高度时，目标点一般都会在视点的同一高度，也就是平视。这样电气设备和建筑的垂直轮廓线才不会产生透视变形，给人稳定的感觉，这种稳定感和舒适感就是靠摄像机营造出来的

3DMAX有两种摄影机种类分别是目标摄影机和自由摄影机

自由摄影机：用于观察摄影机方向内的场景内容。多用于轨迹动画，本次渲染沙洲750kV模型较为庞大计算机配置不适合做漫游动画处理因此没有使用自由摄影机。

目标摄影机：用于观察目标点附近的场景内容。它有摄影机，目标两部分，可以很容易地单独进行调整。因此本次渲染任务使用目标摄影机最合适。

下图是本次工程的一些摄影机角度。

4.5 渲染器的选择

使用3DMAX时我们一般遵循"建模-灯光-材质-渲染的步骤，其中渲染步骤渲染器的设置参数尤为关键下面重点介绍本次渲染器的设置。如何保持高质量的效果也不过于花费大量时间。

本次渲染中我选择了 Vray渲染器，VRay渲染器是保加利亚的Chaos Grpup公司开发的一款高质量渲染引擎，主要以插件的形式应用在3dsMax,Maya,SketchUp等软件中。由于VRay渲染器可以真实地模拟现实光照，并且操作简单，可控性也很强,因此被广泛应用于建筑表现，工业设计和动画制作等领域。

VRay的渲染速度与渲染质量比较均衡，也就是说在保证较高渲染质量的前提下也具有较快的渲染速度，所以它是目前效果图制作领域最为流行的渲染器。

结论

在变电三维设计中3Dmax不但具有后期渲染功能。而且还可以帮助设计人员更加便利地设计出符合需求的三维立体模型。同时，该软件还独有人工智能优化的调整功能，具有操作便捷、自动化集成度高、实时修改模型属性值等优点。另外，3Dmax的三维渲染功能可为设计的模型带来更加真实逼真的效果。 在庞大的变电站渲染中我们按照先把模型转换为线框，使用修改器优化，赋予合适的材质和贴图，加上合适的灯光和渲染器设置的步骤即可大大优化渲染中所花费的时间和工作量。最后我们需要详细的设置渲染器的各个参数才能保证一个出色的作品。在这些系列工作完成后我们可以看见变电站已经变的真实美观，变电站看起来几乎是以假乱真的地步。

三维设计就像一场革命风暴一样为变电设计带来全新的一面，新的方法，新的思维，新的技术。而3DMAX正是这场革命的尖刀一般。在变电设计工作中可以说3DMAX渲染工作不仅是简简单单把一个作品做的真实美观。更加重要的是他能反应出各个设计人员的意图。当各个专业人员设计时不能或者不是很清晰知道和其他专业配合的模型是什么情景，在3DMAX整合后的模型可以直观反应的各个专业配合的模型是否会出现碰撞，外立面的颜色搭配是否合适等等问题。甲方看3DMAX渲染图更是帮助巨大，无需自己翻阅繁多的平面图纸，无需自己还要思考与其他图纸联想模型。3DMAX渲染图就能最直观表达设计方的意图和布置，省时又省力。并且可以在最快最短的时间内和设计方交换自己的意见和意图，设计方也能通关渲染图清晰明白知道甲方想要表达的意思。

所以3DMAX不仅是强大的后期制作软件，他更是架起了设计方和甲方交流沟通的一个新桥梁。

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