光缆的三维建模与渲染

一、引言
        光缆的结构较为复杂，根据不同的使用场景和客户，光缆的结构组合方式复杂多变，所以在光缆的产品宣传，样品展示，人员培训及标书制作中都会使用结构图来对光缆进行描述，起初人们都使用二维截面图，这种图形制作方便、快速，但是不能满足人们对于视觉感受的需求，所以逐渐开始采用三维图形。下面就介绍如何通过3DS MAX 和VRAY渲染器来制作逼真的光缆三维结构图。
 
二、光缆的结构特征分析
        首先来看一下几种常见的光缆结构图（如图1）。
        通过对图片的分析，发现光缆（也可以是电缆）的平面图大部分都是圆和圆环组成，所以在三维制图软件中应该很容易转化成三维图像，但是为了达到预期的渲染效果，其中几个重要的组成部分需要我们注意，也是在三维建模中较为困难的部分，一是螺旋形的束管，二是轧纹铠装的金属复合带，三是纱线状的芳纶和玻璃纤维加强件，因为这三部分在平面结构图中都可以用圆环来表示，但是在三维图形中就变得复杂，本文就主要对这三部分的建模和渲染进行介绍。
 
三、3DS MAX 和VRAY渲染器
        根据以上分析，我们可以使用3DS MAX 软件来对光缆各组成部分进行建模，3DS MAX全称3D Studio Max，是Autodesk公司开发的三维动画渲染和制作软件，3DS Max广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。
        对图像的渲染可以使用VRay渲染器，VRay是目前业界最受欢迎的渲染引擎，为不同领域的优秀3D建模软件提供了高质量的图片和动画渲染。
       下面看一下3DS MAX和VRay渲染器制作的光缆三维结构图效果（如图2所示），其中对不锈钢和芳纶的效果较为逼真。  
四、建模
        光缆的建模需要3DS MAX的一些简单基本的操作，例如基本形状（3DS MAX内置的球、圆柱体，管状体等）建模，复合对象中的“放样”，简单的材质编辑等，这些基本操作大家可以到网上学习，由于篇幅的原因，这里就不再赘述。
        1、螺旋管状建模
        对于中心束管式结构的光缆，我们可以直接用3DS MAX的管状模型即可，而层绞式中螺旋绞合的束管就需要我们自己建模完成，在这里不用考虑SZ绞合束管的换向问题，我们只需做一至二个节距即可，下面以1.8+5*2.2的结构为例进行建模，其中，束管壁厚0.3mm，节距60mm。
        首先计算出以束管中心为外径的螺旋线外径为1.8+2.2=4.0mm，在3DS MAX中建立一个高为60mm，半径为2mm，圈数为1圈的螺旋线（如图3所示）。

        再建立一个外半径为1.1mm，内半径为0.8mm的圆环（如图4所示）。
        然后使用复合对象的“放样”，以螺旋线为路径，圆环为图形进行“放样”，这样一根螺旋的束管就做成了（如图5所示）。
        在顶视图中，通过旋转克隆出4个束管，然后再用圆柱体做出束管中的光纤和加强件，并改变模型颜色，不带材质和默认渲染器的情况渲染效果（如图6所示）。         2、轧纹金属复合带铠装建模
        金属复合带需要轧纹和搭接纵包，普通组件不能直接生成，同样可以利用螺旋线经过直线放样后再进行分段缩放来建模，首先做一个螺旋线，高度为零，半径1为3.5mm，半径2为3.75mm，圈数为1.125圈，这样就像一个钢带弯曲搭接的截面图形，然后通过一条直线进行放样，这样钢带就弯曲搭接了，如图7所示。         通过放样属性修改面板中的缩放变形，在变形曲线中插入2-3mm为间隔的多个点（如图8左所示），然后将所有点右键转化“bezier平滑”，将每间隔一个点下移至93左右，调节出一个波浪线的曲线，这样就可以将刚刚平直的钢带纵包改成轧纹（如图8右所示），最后添加一个“壳”的修改器，使该图形具有一定的厚度。当然还可以根据其他方法来构建，大家可以摸索出更为简单的方法。
        然后将其移动到刚刚制作的缆芯上去，再用圆管做一个外护套，这样一个GYTS的光缆模具就建立完成了，如图9所示。         3、芳纶纱的建模
        芳纶是由很多细纱组成，使用多边形建模是无法完成的，但也可以使用贴图材质的方法将圆管状的模型渲染出芳纶的效果，而这未免也太过牵强。
        这里可以使用3DS MAX 的毛发修改器“Hair and Fur(WSM)”来处理。首先新建一个管状体，其内外径为芳纶包裹后的内外径，在其端面上添加“Hair and Fur(WSM)”修改器，这里不需要头发的重力下垂和凌乱发散的效果，并在工具面板中的“设计头发”将起撸直，其它面板的参数如图10。  
五、材质与渲染
        将3DS MAX的渲染器修改为Vray渲染器，没有该渲染器需要下载安装，Vray渲染器使用前需要简单的配置，大家可以到网上查阅其配置方法，重要的是要为渲染环境提供一个高动态贴图，以模仿真实环境，这里就不再赘述。
        准备好渲染器后，打开材质面板，这里介绍钢带、钢丝、护套材质的配置，其他材质的配置方法相同。首先打开材质编辑器，选择一个材质球，将其命名为钢带，并修改材质为VRayMtl，将漫射调整为绿色，反射光颜色配比为黑色稍亮一点，不能太亮，否则高光效果太强，其他参数如图11，这样材质球就会呈暗高光、磨砂的绿球，这基本就是钢带的材质效果，可以根据自己的需要进行微调，黑色的护套同样采用此方法进行配置，如图11。
        钢丝由于具有金属表面的高光和高反射特性，所以其漫反射为黑色，反射为白色，光泽度都比较高，参数如图12。
        材质配置完成后，就可以进行渲染了，透视图窗口中将光缆图形调整到合适的位置，打开渲染器，将其分辨率调整到800*600的分辨率，渲染后观察其效果，然后对材质参数进行调整，进过反复修改后，将其分辨率调整至全高清1920*1080的分布率，可以根据实际情况为环境打上灯光和背景，对阴影进行调整，最后渲染效果如下（如图13）：

六、结束语
        本文主要介绍了光缆模型中的几个复杂的建模和场景渲染，其他光缆结构较为简单，基本都是圆柱，圆管等模型，当然最终的效果图渲染需要一定的实践经验，才能更好的把握灯光和材质的配置。由于篇幅有限，省略了一些简要步骤，大家可以多到网上查阅相关资料。