石油化工大型罐区中控制阀的安全应用与研究

第一篇：石油化工大型罐区中控制阀的安全应用与研究

第41卷第2期

当

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化

工

Vol.41，No.2 2012年2月

Contemporary Chemical Industry

February，2012

石油化工大型罐区中控制阀的安全应用与研究

李柯萱1，施华峰1，任

泓2

（1.辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001；

2.中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006）

摘要：控制阀是石油化工罐区中的主要元件之一，它的安全性能是衡量阀门质量优劣的重要指标，阀门

检验标准中对阀门的安全等级有明确的规定。通过对控制阀的类型与结构分析，并在工程设计中充分考虑其使 用工况，使控制阀在石油化工大型罐区中尤其在安全方面能够合理的进行选型及应用，力求选用的阀门满足安 全、合理和经济的原则。

关

键

词：控制阀；密封等级；防火；API607

中图分类号：TP 21

文献标识码： A

文章编号： 1671-0460（2012）02-0203-03

Safety-application and Research of Control Valves

in Large Petrochemical Tank Farm

LI Ke-xuan 1，SHI Hua-feng 1，REN hong 2

（1.Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；

2.HQCEC Liaoning Branch, Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract: Control valves are main component in oil chemical tank farm.Safety performance of the valves is an important index of quality.The security level in inspection standards for valve has specific provision.In this paper, through analyzing types and structures of control valves and considering its operating conditions in engineering design, suitable control valves were selected and used in petrochemical industry large tank farm in terms of security, reasonable and economic principles.Key words: Control valves;Sealed class;Fire prevention;API607

控制阀是控制系统的终端,主要对输油、输气管 线起开启和关闭作用。一旦其发生故障，对生产过 程的影响非常大。阀门出现故障原因可归纳为以下 几点：

(1)用户对阀门结构、安装调试等技术要求不 了解。有些用户按照自己的工作习惯对阀门进行测 试而未能严格按照国际或国家标准进行测试从而出 现问题。

(2)用户使用调整不当或出现问题未及时发现 并排除造成阀门损坏。一些用户使用方法不当造成 阀门损坏或者改变阀门原有装配状态后未能准确调

更加深入的理解，从而降低误操作带来的损失。大型罐区中的阀门

在石油化工大型罐区中，要求线路切断阀—— 控制阀具有可靠的开关，紧急切断，密封好，泄漏 量小和防火等性能。球阀、蝶阀和闸阀是应用于储 罐中控制入口进出料最广泛的阀门。

它们作为控制系统的终端设备，为生产流程的 安全运行起着不可估量的作用。尤其在化工生产装 置中，随着装置高负荷运行，阀门的腐蚀、冲刷、磨损、振动、内漏等问题不断发生，导致阀门的使

整复原，阀门工作一定时间之后便发生损坏。

用寿命缩短、工作可靠性下降、进而引起工艺系统

(3)阀门选型失误。选型的失误往往有两种情 和装置的生产效率大幅度下降，严重时甚至导致全 况，阀门选型人员的工作失误和用户提供错误信息。

线停车[1]。

(4)阀门长期工作导致部分零件疲劳损坏。这 种损坏是任何设备都不可避免的正常损坏。

由此控制阀在石油化工大型罐区中运行的安全 性备受关注。本文主要对石油化工罐区设计中阀门 的结构和类型进行分析和阐述，使相关人员对其有

因此，需要设计和操作人员对影响阀门安全的 诸因素：阀门结构型式、泄漏量、防火以及执行机 构的型式等有更深层和更系统的认识。

1.1 球阀

球阀的启闭件为一球体，结构如图1所示。

收稿日期： 2012-01-11

作者简介： 李柯萱（1985-），女，辽宁抚顺人，硕士研究生，2009年毕业于辽宁石油化工大学测控技术与仪器专业，研究方向：智能仪表的测

量与控制。E-mail：likexuan1124@126.com。

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限制，蝶阀不宜用于特别高的压力、压差条件下。

图1 球阀结构图

Fig.1 Structure of ball valves

球体与其相连的连杆在动力作用下做直线运 图2 蝶阀结构图

Fig.2 Structure of butterfly valves

动，通过拔叉和滑块球体绕阀体中心线作旋转来实

1.3 闸阀 现开启和关闭动作，使其具有可靠的开关作用。球

闸阀可以满足生产过程中自动快速排放和紧急

阀的结构形式分为浮动球式和固定球式，连接形式

切断的操作要求，适用于生产过程和设备的安全保护

分为法兰连接、焊接连接及螺纹连接。

系统及一般的两位控制和开关操作场合。闸阀分为楔

球阀的特点如下：

形闸阀和平行板闸阀两种，结构如图3图4所示。

(1)结构紧凑，重量轻，体积小，开关操作迅速、容易；(2)带有二次防火密封结构的全密封型，密封 方式采用具有双线密封阀座的双密封结构；(3)阀体 对称，能很好地承受来自管道的温度应力；(4)介质 流向可以任意，流量特性为快开特性；(5)流阻小，球阀开孔尺寸与管径相同，特别适用于二位式开关 控制，像紧急切断、顺序控制等场合。选用阀门的 口径通常与工艺管道的直径相同[2]。

1.2 蝶阀

图3 楔形闸阀结构

Fig.3 Structure of wedge gate valves 蝶阀的启闭件为一蝶形阀板，具有切断作用。

蝶阀按结构分为三种型式，中心对置蝶阀是阀板以 阀杆为中心对称布置，这种阀门的结构一般是单根 阀杆，通常口径小于500 mm，弹性阀座将阀体盖住，介质不与阀体直接接触，有较好的防腐性能。单偏 心蝶阀是阀杆与阀板有一个方向的偏心，一般为较 大口径的蝶阀，阀杆大都采用两节结构。双

（三）偏心蝶阀是阀杆与阀板有两

（三）个方向的偏心。由于蝶阀具有自清洁作用，因此可广泛使用于有悬 浮颗粒物和浓浊浆状的流体，它特别适用于大口径、大流量、低压差的场合。

按使用要求可分为常温蝶阀（-20~45 ℃）、高温

蝶阀（450 ℃、600~850 ℃）、低温蝶阀（-200~-40 图4 平行板闸阀结构

Fig.4 Structure of parallel plate gate valves ℃）、高压蝶阀（PN32 MPa）。普通蝶阀结构主要由 阀体、阀板、传动件及执行器构成，如图2所示。用 从图中可以看到楔形闸阀的阀芯是一个楔形块，圆盘形阀板往复回转90°来开启、关闭。突出的特 如图3（11）所示，当阀门关闭时执行机构推动阀杆 点是体积小、重量轻、安装尺寸小。蝶阀适合大口径、使楔形块压紧阀座。为了保证密封，需要执行机构消

大流量，要求开启、关闭速度快，且具有良好的流体 耗较大的力将阀芯与阀座砸紧。这样会发出较大的切 控制特性，不干净介质场合。由于结构和密封材料的 断力，使管线产生振动，噪音大。如果长时间关闭阀

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门还可能导致阀芯与阀座之间锈死而难以开启。针对 楔形闸阀的不足，工业中更多采用平行板闸阀，它在 结构上采用对阀芯安装了一对平行阀板的方法。当阀 门关闭时，阀芯被平行板夹紧来保证密封性能；当阀 门开启时,先将平行板分开,然后阀芯再离开阀座。这 样可使执行机构更省力,减少了噪音和振动的产生。

度及压力，一般对于含有固体颗粒或具有磨损性或 温度高于200 ℃的介质最好选用硬密封，口径大于 50 mm；压差较大还要考虑其阀门力矩大小，力矩 较大时应选用固定密封球阀。但无论软密封还是硬 密封，球阀的密封等级都可达到Ⅵ级。

中心对置蝶阀密封性能较好，能达到ANSI-B104 Ⅵ级或零泄漏，但启闭所需的扭矩较大；单偏心蝶阀 2 控制阀设计 的密封性能比中心对称蝶阀差一些；启闭所需的扭矩

2.1 执行机构

较中心对称蝶阀小；双

（三）偏心蝶阀的密封面呈正

控制阀由阀体和执行机构两部分组成，因此执行 圆台形。其阀座有弹性体阀座和金属阀座两种，弹性 机构的选择也是十分重要的。执行机构分为电动和气 体阀座的密封等级可达ANSI-B104的Ⅵ级或零泄漏，动两种，电动执行机构一般由电机、蜗轮蜗杆减速机 金属阀座常由金属薄板加工而成，密封等级一般为Ⅳ 构、电源部分、伺服放大部分、位置反馈以及显示控 级。火灾安全型的双偏心蝶阀的阀座是由弹性体阀座 制面板等部分组成。电能通过电机和传动部分，带动 加上金属薄板的阀座复合而成。正常情况下由弹性体 阀杆或风门连杆做直线运动或转动。伺服放大部分以 阀座密封，可达ANSI-B104的Ⅵ级密封；火灾时，由 及位置反馈实现了精确调整、准确定位的控制作用[3]。于弹性体阀座烧毁，靠金属阀座密封，此时阀门的密 显示部分是为了实现良好的人机对话和控制作用。

封降到ANSI-B104的Ⅳ级。

考虑到石油化工大型罐区中的介质具有易燃易 闸阀的硬密封采用金属材料,密封性能相对较差, 爆的特性，因此较常采用气动执行机构，它具有结构 尽管有制造商宣称可以作到零泄漏。软密封的优点是 简单、动作速度快、维修方便和价格便宜等优点。气 密封性能好,缺点是容易老化、磨损、使用寿命短。硬 动活塞执行机构按动作方式可分为单作用和双作用 密封使用寿命长，但是密封性相对比软密封差。这两 两种如图5所示，在结构上又分为单弹簧薄膜式和多 种密封可以相互补充的,就密封性而言软密封相对较 弹簧薄膜式两种[4]。单作用式气动执行机构中薄膜与 好,但是现在硬密封的密封性也能够满足相应的要求。

弹簧连接，利用通入到薄膜气室的信号压力使弹簧发 2.3 阀门电缆

生形变，从而控制阀芯动作。双作用执行机构是利用 阀门电缆分为动力电缆和控制电缆，它也是阀门 薄膜两端气室的压力差来控制阀芯动作。

安全运行的一个重要保障，它保证了控制阀能准确的

接收来自控制室的信号，为了避免阀门电缆在火灾中

燃烧，可以采用阻燃型防火电缆或采用埋地方式并尽

量采取水平铺设形式，这样可有效保护阀门控制电缆

图5 执行机构单作用和双作用图示 的安全，确保在紧急状况下控制阀能关得严、打得开。

Fig.5 Actuators single function and dual action figure 2.2 阀门密封

阀的密封按ANSI标准共分为六级，在罐区设 计中一般选择IV、V、VI级。阀门工作时，需要其 具有良好的密封性，对于阀门的密封有两种：硬密 封和软密封。所谓硬密封即阀板密封面和阀体密封 面配对为金属材料。这种结构的阀门结构简单，使 用寿命长，耐高温，但是如果要做到完全密封对工 艺要求非常高，而且完全密封后，由于阀体与阀座 接触紧密，容易锈死，不利开启。软密封是阀座采 用具有弹性的材料，这种结构有利于完全密封，不 易使流体流入阀间，对阀门起到保洁的作用。但软 密封不适合用于含有颗粒的流体，因为较硬的颗粒 会滞留在阀座上，损伤弹性材料影响阀门密封等级。而且，在防火性能上软密封相对硬密封较差。

球阀的软、硬密封选用主要依据工艺介质、温 阀门防火

阀的防火设计，美国API607[5]防火标准中对于 如何进行阀门的火灾测试有非常详尽的描述，对于 测试后的评判标准也有明确的规定。在石油化工罐 区中压力一般控制在4.0 MPa，当火灾发生时，阀 所在的着火区域很快就会处于高温燃烧下，能否在 30 min内依然保证严密关断及操作效果，成为阀门 防火设计的关键所在。API607规定，在燃烧测试阶 段，对于上游密封或双向密封且压力等级小于 class600或者对于其他压力等级小于class900的阀 门，尺寸为<=10寸的阀门，其允许最大泄漏量为 100 mL/min,对于尺寸为>10寸的阀门，允许的最大 泄露量为1 000 mL/min。因此，石油化工罐区中阀 门的设计选型应尽可能考虑阀门的防火性能，以确 保火灾事故状态下罐区的安全。

第二篇：Lipp制罐技术在绍兴黄酒厂沼气工程中的研究与应用

Lipp制罐技术在绍兴黄酒厂沼气工程中的研究与应用

摘 要: “大中型沼气工程现代化施工技术的研究”是国家“九五”科技攻关项目——“生物质能利用技术”中的研究专题之一。1996年在绍兴最大三家黄酒厂污水沼气工程的设计、建造中，本所成功的引进、消化德国Lipp制罐技术，并与新工艺优化组合研制成新型成套沼气工程工艺设备，该技术具有施工周期短、造价低、质量好等优点，其施工周期比传统施工方式缩短60%以上，造价节省20%以上。已被联合国开发计划署和全球环境基金列为示范技术。

1．项目概况目前，在我国的大中型沼气工程设计与建设中，一般均采用传统的钢筋混凝土或钢板现场焊接方式建造各种工艺用途的池体和罐体。由于在施工工艺和技术上仍沿用传统的建筑材料和手工作业方式，存在施工周期长、建筑材料耗量大，设备配套性差、自动化程度低、工程质量难以控制等问题，影响了我国沼气工程建设事业稳步发展和进入更高层次。因此，在大中型沼气工程的建设中新技术、新工艺、新材料的开发研究和应用已成为急需解决的一项课题。在绍兴黄酒厂沼气工程中，我们引进、消化和吸收德国Lipp公司的新型建材和施工技术，并结合先进的厌氧和好氧消化工艺进行了优化和国产化改进。1996年春季，在浙江绍兴中粮绍兴酒有限公司的污水处理沼气工程的设计和施工中，首次引进德国Lipp“螺旋、双折边、咬合” 制罐技术，作为第一个Lipp制罐技术引进、消化、吸收的研究与示范工程，Lipp罐的所有材料均由德国进口，包括厌氧罐与SBR池的不锈钢复合钢板、压顶异型槽钢、厌氧罐的不锈钢薄膜顶和保温材料等。随后在黄酒集团和塔牌酒厂污水处理沼气工程的设计与施工中，Lipp罐工程设计、罐体制作材料与罐体制作工艺的国产化研究进一步完善，材料的国产化率达到90%以上，实现自行设计和施工。

2．工程工艺介绍绍兴黄酒以其独特的酿造工艺和醇香味美而蜚声中外，然而，绍兴黄酒在酿造过程中产生大量的污水，对鉴湖水环境造成日益严重的污染。黄酒生产排放废水按浓度可分为高浓度废水和中低浓度废水。高浓度废水主要有米浆废水、前酵缸冲洗废水、带槽洗坛废水、淋饭废水，废水中富含淀粉、糖类、蛋白质等有机质。（水质见表1）表1 黄酒污水水量和水质 项 目 水量 CODcr BOD5 SS PH值 高浓度污水 100吨/天 30000mg/l 20000 mg/l 1000 mg/l 4.5 稀污水 500吨/天 250mg/l 150 mg/l 250 mg/l 6-7 注：数据为绍兴中粮鉴湖酒厂的污水处理工程的监测数据根据黄酒污水浓度高，酸性大，氨氮高的特点，采用浓稀污水分流和“UASB—SBR”工艺路线处理黄酒污水，工艺流程详见图1。l 浓污水先进行水解预处理，水解酸化池内设弹性填料，用于附着微生物，HRT=24h。l 厌氧消化采用UASB 工艺，厌氧罐内设三相分离器、布水器及回流装置。采用38℃±2中温 发酵，水力滞留时间4.5天，有机负荷5kgCOD/ m3.d，产气率2.1m3/m3.d。l 好氧处理采用SBR工艺，该工艺在高效去除COD的同时，还具有硝化、反硝化的作用。设二座反应罐，滞留时间1天，罐内设漂浮式不锈钢滗水器和不锈钢条形曝气头。SBR池采用8小时一个周期，进水2小时，曝气4小时，沉淀1小时，排水1小时，COD去除率90%，好氧出水COD≤100 mg/l达到《污水综合排放标准》（GB8978—88）的一级标准。l 制取的可再生能源—沼气采用意大利进口的沼气自动喷燃装置与煤混烧方式，供锅炉燃烧使用。

3、Lipp制罐技术的国产化研究与应用

3.1 Lipp制罐技术的特点 Lipp制罐技术是德国发明家萨瓦.Lipp先生的专利技术，它应用金属塑性加工中的加工硬化原理和薄壳原理，通过专用技术和设备将2—4mm厚的不锈钢复合板（或高强度镀锌钢板），采用“螺旋、双折边、咬口”工艺来建造圆型池和罐体。由于是机械化、自动化制作和采用薄钢板作为建筑材料，因此Lipp制罐技术具有施工周期短、造价低、质量好等优点，其施工周期比传统施工方式缩短60%以上，与传统的钢结构罐相比，节约钢材40%以上。Lipp制罐技术主要制作特点就是采用专用设备—一台折边机和一台咬和机，将薄钢板通过上下之间的咬和形成螺旋上升的、连续的咬和筋，从而形成圆形罐体，Lipp罐壁咬和筋的成型过程见图2。由于Lipp罐具有连续的、螺旋上升的、等距的咬和筋的结构特点，虽然Lipp罐是薄壁结构，但却具有相当大的环向受拉强度，能承受罐体内部液体产生环向拉力。连续的、螺旋上升的、等距的咬和筋起着加强筋的作用，可见Lipp罐结构上非常合理和独特。

3.2Lipp制罐技术国产化研究及优化根据Lipp制罐技术的特点，在绍兴黄酒厂污水处理沼气工程设计中，我们将Lipp制罐技术与先进的厌氧和好氧消化工艺结合，进行优化和国产化改进。设计了Lipp罐结构的厌氧罐、SBR池、贮气柜、配水池、污泥浓缩池等，工程应用情况见表2。经过Lipp技术工程化研究和应用表明，我们在建池材料、厌氧罐封顶、厌氧罐保温层、工艺接口、密封槽、软土地基设计等方面技术已实现Lipp罐体的优化和国产化改进，并积累了丰富的Lipp罐工程设计经验，完善和发展了Lipp制罐成套技术。表2 Lipp罐在绍兴黄酒厂沼气工程中应用一览表 序号 建设单位名称 建造 年份 罐体名称 单罐容积（m3）数量（座）几何尺寸（m）罐体 材料 备注

中粮绍兴酒有限公司 1996年 3月 厌氧消化罐 500 1 φ9×9.6 不锈钢复合钢板 德国进口 SBR池 400 2 φ10×5.2 不锈钢复合钢板 德国进口 贮气柜(干式)200 1 φ6.7×8.5 高强度镀锌钢板 德国进口 2 绍兴塔牌酒厂 1996年 9月 厌氧消化罐 500 1 φ9×9.6 不锈钢复合钢板 国产 SBR池 220 2 φ8×4.5 高强度镀锌钢板 国产 贮气柜(湿式)50 1 φ5×3.4 高强度镀锌钢板 国产 配水池 110 1 φ6×4 高强度镀锌钢板 国产

绍兴黄酒集团 1996年 9月 厌氧消化罐 1000 2 φ11×12 不锈钢复合钢板国产 配水池 800 1 φ13×6 高强度镀锌钢板 国产 污泥浓缩池 140 1 φ6×6 高强度镀锌钢板 国产 贮气柜(干式)200 1 φ6.7×8.5 高强度镀锌钢板 国产

3.2.1厌氧罐封顶的优化、改进设计 在首次利用Lipp罐结构的厌氧罐的罐顶是采用德国进口0.6mm的不锈钢薄膜顶结构, 薄膜顶具有材料省、重量轻、强度好、安装方便等优点。但是，根据厌氧罐工艺特点和维修管理等实际情况，这种结构形式也存在以下缺点： l 厌氧罐薄膜顶结构没有放散孔，没有置换空气的安全装置，不利于厌氧罐大换料和维修管理的安全作业。l 对于直径9米的Lip罐，其薄膜顶直径为9.6米，必须在专用场地焊接制作，卷成筒形后长度也有9.6米，其运输成了一大难题。l 由于厌氧罐要求完全密封，而薄膜顶与它的压顶槽钢之间的密封仅靠螺栓和密封胶，万一发生沼气泄漏事故，维修难度较大。l 薄膜顶的安装必须与卷罐同时进行，而不设置放散孔结构的薄膜顶对厌氧罐内工艺装置如三相分离器、溢流槽等的制作安装非常不便，也影响材料的进出与罐内通风。针对以上问题，我们将薄膜平顶改成刚性锥形顶，其中央设置带水封功能的放散孔，采用不锈钢板现场焊接而成。改进后的刚性锥形顶与进口薄膜平顶相比具有以下优点： l 改进后的厌氧罐刚性锥形顶设置了带水封功能的放散孔，使厌氧罐内的沼气压力不会因超过额 定压力而破坏罐体，也不会因负压而破坏罐体。l 避免了超长材料的运输问题。l 厌氧罐刚性锥形顶的安装时间可以安排在厌氧罐内工艺装置制作完成后进行，敞口的罐体使三相分离器、溢流槽等的制作安装更为安全方便，材料的进出也较为容易。l 厌氧罐顶正中最高处设置的放散孔，在厌氧罐大换料和维修保养时有利于罐内气体的置换和安全操作。

3.2.2厌氧罐保温层的改进设计和国产化在首次中粮绍兴酒有限公司的污水处理沼气工程中，500m3厌氧罐的保温层材料整体从奥地利进口。虽然这种保温材料重量轻、安装方便，保温效果良好，其缺点就是价格非常昂贵，且国内没有生产类似产品的厂家。因此，我们对厌氧罐保温层的进行了改进设计和材料国产化。根据Lipp罐的外部构造，采用双层廉价的聚苯乙烯泡沫保温板错缝覆盖，并用专用夹具和扁铁固定在罐壁上，其外侧采用彩色瓦楞保护板与扁铁用铆钉铆接固定。这种形式的保温材料不仅价廉，其总费用为进口材料的40%；而且保温层无缝隙，保温性能优于进口复合保温材料。3.2.3Lipp罐底板的优化、改进设计 l 绍兴地区的地质属沿海软土地基带，地质条件较差。由于Lipp罐体较薄，相对于基础底板刚度极小，对底板的不均匀变形反应较敏感，必须地基进行了加强处理。因此，根据具体地质条件，二个工程的厌氧罐、SBR池等Lipp罐体的地基采用水泥搅拌桩处理，另一个工程Lipp罐体采用沉管灌注桩处理。经现场施工沉降观测，厌氧罐和SBR池的沉降均符合设计，对Lipp罐体没有带来不利影响，为Lipp罐在不良地质条件下的设计与施工积累的经验。l 在沼气工程中，厌氧罐是最关键的工艺装置。它的特点是有效水位相对较高，通常在9~11m，罐体和底板受力都较大。虽然，Lipp式罐体本身具有相当大的环拉强度，能够满足池体强度要求。但是，厌氧罐下部设有人孔、进料管、排渣管、循环管等工艺管道接口，使得罐底结构处于不利条件，变形较大，易造成底板密封槽渗水。因此，在厌氧罐底部设置一道环形圈梁，限制罐体变形。l 将原德国提供等厚截面的钢筋混凝土底板基础，更改设计成中间薄，两边厚的变截面的钢筋混凝土底板基础，用以克服水平位移，增强Lipp罐钢筋混凝土底板基础的稳定性。

3.2.4Lipp罐体与底板的密封槽的优化与改进设计在中粮绍兴酒有限公司的污水处理沼气工程中，由于是首次采用Lipp罐结构，密封槽采用德国设计施工图，密封材料均由德国进口，包括膨胀混凝土、专用密封胶、沥青油膏和油毡等。在此后工程中，我们全部采用了国产密封材料，并采用更为合理与可靠的密封方式，密封槽的优化与改进的内容主要在以下二个方面： l 根据不同的罐体尺寸与罐体高度适当调整密封槽的宽度和深度，以使Lipp罐与混凝土底板的连接更可靠，密封性更好，更利于密封槽内膨胀混凝土的浇筑。l 改变密封槽预埋件与罐体连接的构造设计，以及密封槽构造，更便于施工。

3.3 Lipp制罐技术改进和国产化后综合经济分析 在绍兴黄酒厂污水处理沼气工程中, Lipp制罐技术经过不断的实践和总结改进，改进后的国产 Lipp工艺装置与钢筋混凝土池、进口Lipp工艺罐相比具有较低的单位价格。国产Lipp厌氧罐与钢筋混凝土厌氧罐在200m3左右，随着厌氧罐容积的增加，国产Lipp厌氧罐的单位价格与进口Lipp厌氧罐、钢筋混凝土厌氧罐的单位价格之间的差距加大；而进口Lipp厌氧罐价格偏高的主要原因是由于进口Lipp厌氧罐的价格组成中保温材料占了较大的比重。国产Lipp敞口池、进口Lipp敞口池与钢筋混凝土敞口池相比，除了在小容积的情况下，国产与进口Lipp敞口池在价格上都具有较大的优势。国产Lipp敞口池在300 m3处单价与钢筋混凝土池接近，进口Lipp敞口池在1000 m3处单价与钢筋混凝土池接近，随着厌氧罐容积的增加，国产和进口Lipp敞口池的价格优势越来越明显。

4.结束语在引进、消化、吸收具有国际先进水平，符合中国国情的德国Lipp制罐技术的过程中，我们坚持改进提高和国产化的原则，在确保工程质量达到德国制造标准的同时，结合先进的沼气工程工艺技术，逐步使Lipp罐的制作、新型复合材料及保温层、密封层等设计与施工优化，国产化率达到90%以上。该项目的成功完成，加快了我国大中型沼气工程的产业化过程，使我国大中型沼气工程技术与国际先进水平接轨，进入一个新的发展阶段。

第三篇：浅议工程建设项目管理中的应用与研究

浅议工程建设项目管理中的应用与研究

摘要：工程项目管理是全方位的，有其重要性和特殊性，要求项目经营者对施工项目的质量、安全与文明施工、进度、成本等都要纳入正规化、标准化管理，这样才能使施工项目各项工作有条不紊、顺利进行。施工项目的成功管理不仅对项目、对企业有良好的经济效益，对国家也会产生良好的社会效益。

工程建设在实施项目管理过程中，设置项目管理组织机构是至关重要的，建立高效的组织体系和组织机构是施工项目管理成功的保证。首先要做好组织准备，建立一个完善的管理队伍，能使项目经理指挥灵便、运转自如、工作高效的组织机构——项目经理部。其目的就是为了提供进行施工项目管理的组织保证，一个好的组织机构，可以有效地完成施工项目管理目标，有效地应付各种环境的变化，使组织系统正常运转，保证完成施工任务。组织机构能否正常运转，关键在于选择项目经理，不同的项目需要不同素质的人才。项目经理人选应具备领导才能、政治素质、理论知识水平、实践经验、时间观念等基本素质。现代社会经济总量不断增加，经济全球化、信息化趋势日益增强，发展速度加快，过程复杂，新的行业、领域不断出现，产品开发周期缩短，导致越来越多的“一次性”、无先例可循的任务的出现。不论经济结构如何变化，工程项目建设仍是我国经济发展的主要载体。加强工程建设项目管理，将是项目建设能否达到预期目的的重要条件。

工程建设项目管理是在限定的工期、质量、费用目标内对工程项目进行综合管理以实现项目预定目标。随着投资规模、领域的扩大，投资来源多样化，工程项目对环境、经济影响增强，工程项目管理已从工程项目施工管理扩展到从立项到交付使用维护全过程的管理。工程项目管理的目的不仅是实现具体的目标，是对质量、工期、费用的控制，还要与资金筹措、风险分析、使用维护以及与所在地经济、环境等联系起来，做到项目建设与环境、社会的协调，否则可能重蹈以前投资失误、失策、失控的覆辙。

由于工程项目是一次性的，工程项目管理是各部门工作的最后体现，为此必须利用现代化的管理技术和手段，强化工程项目管理，组织高效益的施工，使生产要素优化组合、合理配置，保证施工生产的均衡性，以实现项目目标和使企业获得良好的综合效益。

工程建设项目管理的主要内容是“三控制二管理一协调”，即质量控制、进度控制、投资控制、合同管理、信息管理和组织协调。

1.质量控制

工程项目质量控制是指在力求实现工程建设项目目标的过程中，为满足项目质量要求所开展的管理活动。影响工程项目质量的因素主要有人、机械、材料、方法和环境五个方面。工程项目的质量控制，是一个全面的、全过程的控制，项目管理人员应当采取有效措施对影响工程质量的因素进行控制，以确保工程建设质量。从思想、业务等多方面综合考虑人的素质，保证参建人员以积极的态度投身到工程建设中；根据工程项目的工艺、技术要求，合理选用机械，确定机械设备的类型和数量，建立健全各项管理制度，确保施工机械以良好的状态投入工程建设中；严把材料检查验收关，正确合理地使用原材料，检查、督促做好收、发、储、运等技术管理工作；通过分析、研究、对比，在确认方法可行的前提下优化方案，选用符合工程建设实际、设计合理、工艺先进、措施可行、缩短工期、降低能耗的方案。通

过指导、督促、检查，为参建各方建立良好的技术、管理和工作环境，为实现质量控制目标提供良好的外部环境条件。

工程项目质量控制工作的重点应放在调查研究外部环境和系统内部各种干扰质量的因素上，要做好风险分析和管理工作，预测各种可能出现的质量偏差，制定切实可行的预防措施。使主动控制措施与监督、检查、反馈等被动控制措施有机结合起来，发现问题及时解决，发生偏差及时纠正，使工程项目质量始终处于项目管理人员的有效监督控制之下，确保工程建设质量。

2.进度控制

工程项目进度控制是指在项目目标实施的过程中，为使工程建设的实际进度与计划进度要求相一致，按计划要求的时间施工而开展的控制活动，是对工程项目从编制项目建议书开始，经可行性研究、设计和施工，直至项目竣工验收、投产使用为止的全过程控制。工程项目进度控制的目标是使工程项目按照预定的时间完成，交付使用。

在工程项目建设过程中，由于种种因素的影响，工程项目的实际进度往往不能按计划进度实现，实际进度与计划进度存在一定的偏差。如参与工程建设的人员素质和能力较低，材料供应不及时，机械设备数量不足，建设资金不能及时到位，施工技术水平低，不能熟练掌握和运用新技术、新材料、新工艺等。项目实施过程中，要达到工程项目的进度控制目标，必须认真分析各种因素对工程进度目标的影响程度，并对影响工程项目进度的各种因素加以控制，采取切实有效地措施，减少或避免这些因素对工程进度的影响，使工程进展具有连续性和均衡性，缩短建设工期。及时将实际进度与计划进度进行对比，发现偏差，采取有效措施消除影响，并采取赶工措施，使实际进度与计划进度保持一致。

组织协调是实现进度控制的有效措施，为有效控制工程项目的进度，必须协调好参建各方的关系，处理参建各方工作中存在的问题，建立协调的工作关系，投入适当的人力、物力做好联络、联合、调和工作，搞好工程项目的进度控制。

3.投资控制

工程项目投资控制是指在工程项目实施过程中，在满足质量和进度要求的前提下，使项目实际投资不超过计划投资的控制手段。

工程项目实施过程中，严格按照工程建设合同进行工程结算，严禁超计划结算。工程项目的投资控制不是单一目标的控制，应与工程项目的质量控制和进度控制同步进行，工程建设质量不经验收合格，不予结算工程价款。项目管理人员在对投资目标控制时，应考虑整个目标的协调、统一，反复协调工程质量、进度和投资之间的关系，考虑采取投资控制措施对质量控制、进度控制产生的不利影响，使投资控制与质量控制、进度控制满足工程建设的需要，在保证质量的前提下，加快施工进度，缩短工期，降低耗资，力求实现三大控制目标的最佳配合。

4.合同管理

建设施工合同是指承发包双方为实现建设工程目标,明确相互责任、权利、义务关系的协议;是承包人进行工程建设,发包人支付价款,控制工程项目质量、进度、投资,进而保证工程建设活动顺利进行的重要法律文件。有效的合同管理是促进参与工程建设各方全面履行合同约定的义务,确保实现建设目标的重要手段。

合同在建设项目管理过程中正在发挥越来越重要的作用，通过对合同管理目标责任的分解，可以规范项目管理机构的内部职能，紧密围绕合同条款开展项目管理工作。合同中明确约定的各项权利和义务是承发包双方的最高行为准则，是双方履行义务、享有权利的法律基础。建设项目由于建设周期长、合同金额大、参建单位众多和项目之间接口复杂等特点。在合同履行过程中，业主与承包商之间、不同承包商之间、承包商与分包商之间以及业主与材料供应商之间不可避兔地产生各种争执和纠纷。合同是处理建设项目实施过程中各种争执和纠纷的法律依据。

5.信息管理

信息与物质、能源一样,是构成社会经济发展的重要资源。任何一项管理活动都离不开某种信息的处理工作。建设工程项目各方面的管理活动并不孤立,它们之间存在相互依赖、相互制约的联系。于是，各管理活动之间必然需要信息的交流与传递，建设工程项目管理工作的复杂与繁重程度直接决定了项目管理过程中信息流动的复杂和频繁等特点。通过信息反馈与调控，对工程项目进行全面综合管理，包括计划、组织、指挥、协调、控制，以实现项目的目标。

项目信息交流管理，系指为确保项目信息快速有效地收集和传递的一系列工作，包括信息交流规划，信息传递，进度报告和施工资料文件的管理等。

6.组织协调

建设工程项目管理是一个多部门、多专业的综合全面的管理。它不单包括施工过程中的生产管理，还涉及到技术、质量、材料、计划、安全和合同等方方面面的管理内容。一个工程项目由于工程量大小、难易程度、分项工程多少等不同，这就决定了一个工程项目的实际状况组建项目部，并配好项目经理，建立一整套健全的管理制度，通过管理以减少施工中各专业的配合问题。项目经理的组织领导协调能力如何，技术业务是否熟练，是项目管理能否取得成功的关键。所以要求项目经理必须是既有理论知识，又有实践经验的人品好、素质高的复合型高级管理人才。加强相互沟通，及时进行技术培训，提高工作人员的技术管理水平。建立专门的协调会议制度，定期组织协调会议，解决施工中的协调问题。对于较复杂的部位，应组织专门的协调会，使各专业队进一步明确施工顺序和责任。

总之，工程项目管理是一门应用科学，它反映了项目运作和项目管理的客观规律，是在实践的基础上总结研究出来的，同时又用来指导实践活动。工程项目管理的目的是通过对工程项目施工活动进行全过程、全方位的计划、组织、控制和协调，使工程项目在约定的时间和批准的预算内，按照要求的质量，实现最终的建筑产品，使项目取得成功。我们要在项目的实践中不断摸索，创造出一条施工项目管理的成功之路，促进企业、社会的稳定发展。

通过项目管理方法实施有效的管理,能够实现企业的发展目标。下文中对项目启动，招投标，建设全过程和验收阶段应采取的管理措施给出了论述，介给了一些管理方法。项目的一般概念对企业并不陌生,最常见的是工程项目,在日常经营管理活动中,无论是生产活动还是经营活动,若将各项活动的过程加以合理分解则可以看出,这些活动都具有项目的特征,如:都具有一定的时间限定,都需要由人来完成,都需要消耗一定资源,都具有开始、计划、执行、收尾等项目的基本属性等。工程项目的启动

企业如何认定项目的启动是一个不明确的问题,有人认为在工程施工准备时即工程启动,有人认为立项获得批准后即为工程启动。应当认识到无论是工程类项目或是其它项目,都需要动用资源,界定启动的时间点应定位在组织授权动用资源的文件或批复生效之日起。

工程项目的启动过程是由职能管理层或市场调研部门根据市场情况产生项目概念,以项目建议的形式上报上级主管部门,经主管部门批准后进行市场调研,取得的调研成果交管理层审核,审核通过后正式批准进行初步可行性研究,初步可行性研究通过后,再进行可行性研究,在这一阶段应能够估算出项目的成本,可行性研究通过后,进入工程初步设计阶段。在可行性研究获得批准后,即可认定项目启动。工程招投标管理

《招投标法》规定,评标不能由招标人或其代理机构承担,而是要依法成立评标委员会,评标委员会是负责评标的临时组织,负责依据评标标准和方法对所有投标文件进行评审,向招标人推荐或直接确定中标人。评标委员会由技术、经济等方面的专家5人以上单数组成,其中技术、经济等方面的专家不得少于2/3,一般从国家或省级评标专家库中随机抽取。经评审的最低价投标价法:这种方法一般适用于通用技术、性能标准或招标人对其技术、性能无特殊要求的招标项目。评委会应根据招标文件规定的价格调整方法,对所有投标人的投标报价进行调整。以报价明显低于标底的,必须经过质询和答辩,以保证报价合理。3 工程项目监控

工程项目监理的中心任务是对建设项目进行投资、质量、进度、安全和合同、信息管理,并协调参与项目建设各利害关系方的关系。监理公司也把所监理的工程作为一个独立的项目进行管理,同样产遵循项目管理的一般过程。

项目监理是依据法律规范、合同约定对相关主体进行监督、检查和评价,并采取组织、协调,以促进利害关系者间的合作,共同完成项目目标的过程。项目监理过程一般由监理公司承担责任和义务,主要监理人员有总监、总监代表、专业监理工程师、监理员等,监理方式有:见证、旁站、巡视、平行检查、设备监造等,处理方式有:成本索赔、批准临时延期和批准延期等。工程验收过程

(1)准备阶段:主要是对局部、分散、零星工程进行收尾,同时作好团队的思想工作,准备好验收材料并进行分类、归档、整理,形成完整的验收材料,同时为做好查询和检索工作做好准备。

(2)自检。项目经理应当组织项目团队按正式验收的程序进行预先检验,发现问题及时纠正,同时应当填写(3)提交验收申请。以书面形式申请、报送验收材料,提出验收申请。

(4)验收方组成验收委员会,对验收的材料进行预审。

(5)现场初验。验收委员会对项目进行初步检查,对不符合之处提出修改意见,限期整改。

(6)正式验收。由验收委员会、在初验合格的基础上进行全面、细致的正式验收,包括单项工程、单位工程、分部工程,对不合格的部门再次限期整改直至合格。

(7)签署项目验收合格文件。签署项目或阶段合格文件,对具有等级评定的项目同时评出优良等级,投资性项目应办理移交资产。推进项目管理的方法

5.1 更新管理观念

企业的主导者是领导层,企业的发展在于管理层的远见卓识,高层管理者是管理层的实际操控者,因此企业的发展主要依存于高层管理的正确决策,企业存在于市场中,是社会财富的创造单元,也是竞争主体,先进的理念会给企业带来机会,守旧的思想将会导致灾难,因此企业必须时刻注重更新观念,与时代同步。企业的观念更新,关键是是领导层观念的更新,这不仅仅是因为领导者在企业中的地位,更主要的是领导者可以站在市场和企业的高度认识问题,将自己的认识与市场的作用结合起来,更有利于指导企业的运行和发展。

不同的管理层次对更新项目观念的要求是不同的,对于高层管理者,应当树立起项目管理的哲学思想,高瞻远瞩地审视企业的战略目标,评估战略目标的实现程度,项目的支持性以现代项目的思维理念看待和处理问题;对中层管理者,主要应注重管理流程和管理思维,注重从管理角度把握项目的组织、规划、协调和对组织目标的保障程度;对于操作层,应主要关注于技术、技能和操作技艺。

5.2 按照计划确保工期

所谓工期管理,指计划、执行及定期检验更新土木建筑工程规划、设计、施工各阶段的工期计划。工期管理有两个层次,第一层次是在既定资源条件下的工期计划,第二层次是探讨合理资源条件替代变更后的缩短工期计划。二个层次应循序渐进,都是工程管理追求的目标。工程管理最主要的目的为由全盘性的工期规划资料,探讨降低工期途径,以减少投资风险,灵活的资金调度,减轻借贷利息负担。控制并降低工期的另一个效益为建筑设施得以如期甚至提早使用,使资源充分利用,并可提供运营效益。良好的工期管理可以使人、机、料等资源得到合理、妥善的规划应用,避免盲目赶工,造成资源浪费。现行大多数工地工期管理方法,为工程负责人开工前,以人力制作简单的横道图或网状图,作业项目则以结构体施工为主,至于繁杂的装修工程都以一个作业项目,工期则为三个月或五个月等来涵盖。

5.3培养优秀的项目管理队伍

项目管理队伍是由项目高层管理者、中层管理者、基层管理者、职能管理者、项目经理和操作层人员等组成,之所以应当重视项目管理队伍,是因为管理层不仅是相应的项目管理执行者,同时也是这一层次的决策者,决策者的水平直接影响到企业的未来,更直接影响到项目的成功与失败。企业造就一支优秀的项目管理队伍的前提是提高企业员工的素质,技能的培养固然重要,项目的系统化思想更需要逐步建立并扎根于各级管理者的头脑中。企业应当建立培训规划,规划的重点是对高层管理人员项目管理理念的培养,培养一支优秀项目管理队伍的过程也是一个“项目”,管理层的支持同样发挥着重要作用,甚至决定着该“项目”的成败。

本文对推进企业实现现代项目管理,促进管理层次升级,提高组织效率全面提升组织的管理水平具有现实导意义,从战略规划到战略目标,从项目目标到企业的日常运作,都能够用现代项目管理的思想作指导。

第四篇：中国工业园大型光伏屋顶电站的应用与研究

前 言：随着人类工业的发展，化石能源的利用不断给环境带来各方面的压力，世界各国加快了对清洁新能源的开发利用，太阳能因具有清洁无害、分布广泛等特点，越来越受到人们的青睐。太阳能光伏也成为当今分布式新能源发电的热点，然而由于当今工业化发展不断诞生的工业园一次又一次拉起电力缺口的警报，于是，将分布式光伏电站嫁接在负荷中心的工业园上成为高效利用分布式能源发电的新形式。

1.研究意义与目标

目前，光伏发电在我国主要有两种并网应用形式：大型地面（荒漠）电站和光伏建筑一体化。前者存在并网接入难、配套电网建设成本高的缺点，后者往往发电规模小、节能效益不突出；而随着我国工业的快速发展，建设在以工业园等负荷中心的大规模屋顶光伏电站成为高效利用光伏发电的新型方式。

众所周知，中国是一个制造业的大国，2011 年工业用电占全国全部电力的75%，而这些大的用电企业往往集中在以生产制造为主的工业园区。据统计，到目前为止，全国大型国家级工业园区有131 个，省级工业园区1500 多个，而如何为工业园提供稳定可靠的电力供应，做到不拉闸不限电，一直是电力公司难以解决的突出问题。而光伏屋顶电站的引入为它带来新的机遇。

积极推进工业园光伏屋顶电站的建设，还因其具有以下显著优点：

1）延缓了电网投资建设、降低电能线路损耗，具有良好的节能减排效益。用电侧与发电侧在同一区域，不仅节省线路投资，也大大省去了电能在输配电网上的损耗。

2）对电网具有一定的调峰作用。光伏发电在白天，而工业园区用电高峰变在白天，这对供电区域错峰用电，调节峰谷值起到一定作用。

3）利用园区厂房建光伏电站，无需另外占地，节约了土地资源。

因此，研究如何建设工业园区大型光伏屋顶电站是非常具有时代意义的。

2.光伏政策

为促进太阳能光伏应用在国内的发展，国家相继推出一系列支持政策。从最早1997 年的针对偏远无电区太阳能独立发电系统的“光明工程”，到2009 年针对并网光伏发电系统应用的“金太阳示范工程”，以及2011 年1 月出台的“太阳能光电建筑应用一体化示范项目”，都在光伏发电项目上给予一定的财政补贴，国家也通过像“甘肃敦煌10MW 光伏电站”等特许权招标项目，摸底光伏行业成本，继而在2011 年7 月出台历史性的上网标杆电价政策。不仅在国家层面，各省级如江苏、山东等也纷纷出台各自的光伏应用政策，极大地推动了光伏产业的发展。各扶持政策见下表：

表1 国家支持光伏的政策

由表可见，国家在对光伏项目的支持力度是很大的，但同时我们也不难发现，金太阳工程实施的三年，其导向重点已从鼓励一般型用户侧和大型地面（荒漠）并网电站慢慢转向用电负荷集中的经济技术开发区、工业园区的光伏发电形式，以及智能电网和微电网项目。这也是本篇文章编写的意义所在。

此外，光伏发电项目还可通过合同能源管理方式，以节能减排指标获取国家补助政策，使得节能服务公司和用能单位均获得利益。

3.大型光伏屋顶电站的设计难点

3.1 大型光伏屋顶电站的特点

大型光伏屋顶电站不同于前两种光伏系统，它既具有装机规模大（往往MW 级以上），同时具有带负载特点，这使得它不能像普通的光伏建筑一体化直接接入低压配电系统（因光伏容量一般远小于负荷，不用考虑负荷大小问题）；

也不同于大型荒漠电站，没有自身负荷只需升压接入大电网。大型屋顶电站既要考虑并网运行安全性（接入位置与容量），又要考虑运行的经济性（自发自用还是上网卖电，以及如何分配），同时还需要考虑不同负荷用电特性时段的运行模式（如节假日停产或具有间隔休息的厂区等），所以大型屋顶电站的并网设计成为整个电站的设计难点。3.2 大型屋顶电站并网设计难点

大型屋顶电站并网与诸多因素有关，设计非常复杂，必须考虑的以下几方面：

3.2.1 并网发电利用形式

一般来说，光伏电站主要有如下四种并网发电利用形式：

1）完全自发自用型+ 逆功率控制。即纯粹的用户侧并网，并配置逆功率保护系统保证不向上一级电网供电区域逆流。

2）自发自用+ 剩余电力型。用户侧并网，但允许有多余光伏电力存在，并且采取相应措施解决和利用这部分电力，确保电网安全基础上得到最大经济效益。

3）全上网型。需要升压接入配电网，由电力公司对其电力进行全收购。

4）自发自用+ 上网型。整个电站系统中部分自发自用，部分升压上网卖电。

不同的并网方式有不同的回报效益，项目投资初期应根据政策支持方式，如申请报金太阳或光电建筑示范项目还是上网电价卖电。前者一般为用户侧并网，若有富余电力则将以本地脱硫燃煤电价由电网收购（前提是要保证电网全），后者则是全部上网并入10KV 及以上配电网，由电网以1 元/KWh 的价格（2011 年7 月后）收购。结合工业园区自身用电大户考虑，以用户侧并网为主导且申报金太阳补贴为最经济方法，即第二种和第四种。但第二种如何保证安全基础上利用剩余电力是设计的一个难点，第四种方法亦在合理分配自用与卖电比例，以及如何实施是它难点。

3.2.2 低压和高压并网方式

光伏电站并网有两种常见方式，即低压并网和升压并网。对于大规模屋顶电站其各自的优劣如下表：

表2 大规模屋顶电站其各自的优劣

若是用户侧并网，大型屋顶电站还必须对本地区域进行负荷预测与分析。

负荷分析可按变压器为单位，应包含以下几方面内容：设备总容量、变压器负载率、负载类型（感性、阻性或容性）、用电特性（1：连续工作制的设备或生产线；2：短时或周期制的用电设备；3：季节性的用电设备）以及空调负荷统计等。

根据负荷预测与原配电系统结构确定光伏子系统的接入位置与接入容量，保证在不逆流情况下最大化利用光伏发电。

3.2.3 接入位置与容量设计

光伏屋顶电站作为一个分布式电源接入原配电系统，其接入位置与容量将对原系统产生一定的影响。

首先分布式发电的接人必然会引起馈线中传输有功、无功数量和方向发生变化，进而影响稳态电压分布，电压支撑由分布式电源的总出力决定，总出力越多，与负荷的比值越高，电压支撑就越大，整体电压水平就越高。

通过模拟仿真可知，光伏屋顶电站如果接入配电系统母线（如变压器二次侧）出线，对线路电压分布的影响越小；如果较大容量接入在馈线中部，局部极大电压也就出现在线路中部，同时，散布在馈线上的接入比集中在同一个位置对电压的支撑作用要大。

图3-1 分布式发电接入位置变化引起电压分布变化曲线

由此可知，如果屋顶电站以集中式单点方式并网，不能随意接入配电系统位置，应该接入母线上，但如果以分散多点并网接入，就电压水平而言，接入线路中后端（如二级和三级电柜）更好一些。但实际过程中，原配电系统的线路分布与光伏发电系统的地理间隔往往成为接入的阻碍，主要影响线路投资、甚至配电线路改造，以及传输带来的电能耗。

所以光伏系统以多大容量、分散还是集中形式接入原配电系统的节点位置，是大型屋顶电站的设计难点之一。

3.3 光伏并网带来的问题

此外，上一定规模的光伏系统还面临以下并网问题：

1、接入点电能质量的问题

1）谐波问题。光伏电站一般都是通过电子逆变器接入电网，采用脉宽调制、斩波等技术的逆变器必然给电网造成谐波污染。

2）功率输出不稳定引起的电压波动问题。光伏电站的电能输出受太阳光强度变化而形成间歇性、周期性、随机性的特点，容易造成接入点电压的脉动以及输电线路潮流的波动，带来地区电网电压稳定性以及线路的逆潮流问题。

3）直流分量。光伏电站有可能向电网注入直流，使变压器和电磁元件出现磁饱和现象，并使附近机械负荷发生转矩脉动。

2、光伏接入对配电网保护系统的挑战

分布式光伏电源及储能装置的接入，改变了配电系统故障的特征，使故障后电气量的变化变得十分复杂，使保护的工作原理和动作逻辑均变得异常复杂，传统的保护原理和故障检测方法将受到巨大影响，从而无法正常工作，这已经成为限制分布式发电供能技术进一步发展和应用的重要技术屏障。

3、改变了传统电网的运行管理习惯

分布式光伏电源的接入改变了传统配网电能计量计费方式以及与配网自动化系统的信息交互技术。特别是当光伏发电装机比例增加到一定规模时，因其出力的随机性间歇性等特点对电网的营运调度、调频策略等一个提出新的挑战。

3.4 用户侧并网剩余光伏电力问题

大型屋顶电站因其装机容量大，负荷具有时段性和间隔性（如长期节假日或车间停产等情况下），将会产生大量的剩余光伏电力，针对如何解决因负荷不匹配出现的剩余电力，有如下四种方式：

① 任其逆流。负荷区域消耗不完的电力将通过原配电变压器逆流至高压侧，原降压变压器变成升压变，其负面影响主要有二方面：一方面将影响高压侧电力系统故障特性，可能致使继电保护等装置误动或拒动；另一方面逆流将抬高原低压侧的电压水平，原400V 将升至440V 左右，将对低压侧所带负载产生一定的过电压影响甚至毁坏某些低压设备。

② 切除全部或部分光伏发电。采用逆功率控制系统，当一旦检测光伏发电将大于负载用电时，监控系统停止光伏发电或切除部分光伏子系统，这是当今最常用的一种方式，此方法不足之处是白白浪费了光伏发电资源。

③ 切换至升压系统送出。整个系统设计为低压并网和升压送电的综合系统，当用户侧产生剩余电力时，监控系统立即将系统（或部分子系统）切换至升压回路，将剩余电力通过升压站送上电网，最大化利用光伏发电资源。

图3-1 分布式发电接入位置变化引起电压分布变化曲线

④ 智能微电网接入方式；采用智能微电网的能量管理系统，将（白天）剩余光伏电力充入蓄电池系统，（晚上）通过逆变系统将电能放出供给负载。

上述四种方式中，第一种因其安全性和可靠性不高，一般不建设采用；第二种方式应用广泛但经济性不高，第三种和第四种有较高的经济回报效益，具有一定的创新性，只要运用得当，是值得推广的方式。

4.湖南九华示范区20MW 光伏屋顶电站的设计特点

4.1 工程概述

湖南湘潭九华示范区20MW 光伏屋顶电站属于中国大型金太阳工程，是2010 年国家13 个太阳能光伏发电集中应用示范区中最大的屋顶电站工程，项目位于湖南省湘潭区九华示范区，由珠海兴业绿色建筑科技有限公司建设，项目2010年8 月完成可研性报告，次年7 月完成总体规划设计报告，8 月开始大规模施工建设，预计12 月中旬完成调试并网运行。

4.2 设计思路与方法

本工项目主要包含中国兴业（湖南）产业园区一期和二期、九华创业园区及其它园区部分建筑屋顶，现以典型的兴业园一期为代表，分析大型电站的设计特点。

4.2.1 基本情况

兴业园一期含五个大型厂房，总面积约8.68 万平方米，主要由电池片生产车间、电池组件车间、幕墙门窗加工车间、玻璃深加工车间及热能车间组成，主要负荷设备有烧结炉、扩散炉、层压机、玻璃钢化炉等。兴业园平面布局图如下：

图4-1 兴业园平面布局图

兴业园有高压总配电室一座，位于5# 厂房东北角，由高压配电室分四个回路，分别给1，3# 厂房配电室、2，4#配电室、5# 配电室及生活倒班楼箱变供电。

为加强示范作用，共选用单晶硅、多晶硅和非晶硅三种组件，屋顶安装情况如下：

表4-1 兴业产业园一期布板基本情况表

而兴业园一期各厂房的负荷与变压器布置情况如下：

表4-2 兴业园区厂房负荷与变压器分布

4.2.2 并网设计

此处略去常规的阴影分析、组串与逆变器设计、直流汇流与保护设计等部分。

① 并网结构形式

作为已获得国家财政补贴的金太阳项目，其上网电价只能与当地脱硫燃煤电价相同（湘潭地区0.44 元/KWh），而园区的工业用电综合电价是0.8 元/KWh。显而易见要实现经济效益最大化则需尽量自发自用，采取用户侧低压并网的方案。且低压并网是一种成本低、损耗小、效率高、建造简单的并网形式，通过负荷分析可知1#，3#，4# 和5# 厂房均可采用这种并网方式接入自身区域变压器。

再来分析2# 厂房，2# 厂房面积大负荷小，光伏容量达2.2MW，区间负载只有0.98MW，且变压器容量只有1250KVA，无法满足光伏接入条件。如将其接入其它厂房变压器，如1，3# 配电厂房，则必须远距离电缆敷设，需增加投资约150 多万元，且低压远距离送电电能损耗大、电压压降大，有违电力设计的经济性原则。同时考虑全厂区的预测负荷功率为6490KW，而总的光伏装机容量为7151KW，天气良好情况下交流输出可达6793KW，光伏发电将可能超过所有负载，园区配电系统将向上级电网产生逆功率，这不仅对电网，对厂区内设备都可能造成损害。故综合考虑，设计兴业园有高压总配电室一座，位于5# 厂房东北角，由高压配电室分四个回路，分别给1，3# 厂房配电室、2，4#配电室、5# 配电室及生活倒班楼箱变供电。

为加强示范作用，共选用单晶硅、多晶硅和非晶硅三种组件，屋顶安装情况如下：

将2# 厂房光伏系统升至10KV 上网，接入九华大园区10KV电网，兴业园形成以低压并网自发自用为主，高压并网卖电为辅的混合并网方式。

② 分散OR 单点并网

确定低压并网方案后，其接入位置、分散还是集中接入是紧接着要考虑的问题。为加强管理与维护、保证厂房内部配电安全性，不宜将大量的分布式（双）电源分散置入车间，从而确定集中并网的优越性，根据第三章的分析可知，大容量单点并网宜接入变压器低压母线，故在每个厂房单独设立光伏配电间的，将逆变器、光伏并网柜等设备集中汇流将光伏电力送出。光伏配电间位置设计靠近原配电室，通过铜母排与原配电母线连接，以减少交流线路投资和电能损耗。整个并网系统结构如下图：

图4-2 兴业园并网设计结构图

4.2.3 接入容量与负荷匹配分析

确立了基本的并网系统方案后，需要对用户并网侧进行接入容量和负荷匹配分析，以验算并网方式的安全性和可靠性，根据统计负荷、地域分配和发电量综合分析，得下表：

表4-2 光伏系统并网接入容量与负荷匹配

说明：根据系统效率和运行经验值，实际的光伏交流输出按光伏额定容量的90% 计算。

由上可见用户侧低压接入的光伏容量都不会超过预测负荷，其交流输出按所占原变压器容量不超过62%，正常工作下光伏所发电能将全部被负载消耗掉，这保证了整个配电系统的安全运行。而且能做到确保负载率较低时，尽量不出现逆流现象。

4.3 解决方案与创新特点

4.3.1 电能质量

为解决光伏电站并网的谐波问题，在2# 厂房升压站设置一套动态有源滤波装置，采用西班牙进口动态有源滤波器，对大小和频率都变化的谐波进行补偿，降低谐波率。

针对光伏电站出力瞬时变化性大而引起电压波动问题，本项目创造性地引用削峰填谷的智能微电网系统，通过控制蓄电池储能系统的充放电调整节点能量变化波动，从而稳定其向外输出特性。详情请见第五章。

4.3.2 可调度性

对于10KV 并网电力上网的光伏系统，建立强大的监控系统和综合自动化系统，不仅配置常规的光伏电站监测信息量，发电量信息均通过光纤传送至电网上一级变电站。为更好地响应上级变电站的调度指令，本系统通过先进的监控技术控制每台逆变器的功率输出，调节其有功大小，从而实现自动控制有功输出功能，而光伏电站常规的控制方式是在每个逆变器回路设置接触器，通过二次系统控制其开断，这种方式的启停往往对逆变器损害较大，且不能实现单台逆变器的平滑调节，因此新型监控方式的应用才真正实现光伏电站的可调度性，继而解决电站对电网运营的不良影响。

4.3.3 逆功率控制系统

对于用户侧低压并网系统，保证系统安全是非常重要的，因此本工程设置了逆功率保护系统。本工程1，3，4，5# 厂房均为低压并网，在每个并网点均设置万能框架式断路器，断路器可通过监控系统控制其关断，另在变压器二次侧低压出线关口设置逆功率检测装置，当一旦检测到光伏发电大于负载用电时，监控系统立即切断并网回路停止发电（或将低压并网部分切换至升压系统），以保证电网和变压器的安全运行。

4.3.4 两种运行模式

对于工业园区不同生产时段实现不同的运行模式，以达到最大的经济效益。

由上章分析可知本工程采取用户侧低压并网和升压卖电的综合并网方式，且低压部分设置逆功率保护装置，为充分利用太阳能资源，当用户侧并网部分出现剩余电力时，我们设计自动切换的模式将其转至升压模式。

对于2# 厂房升压并网系统，当园区用电量小时，应尽可能多的将电力送上网；当园区用电量大时，上网卖电价格比自身用电贵，应尽可能多地将电力并网低压网络，在综合考虑线路和设备投资成本情况下，本工程在2# 厂房升压站设计250KW 光伏子系统双电源自动切换柜，当厂区用电量大时，子系统在并在低压电网，供2，4# 厂房设备供电（自用电比卖电贵）；当厂区用电量小时，监控系统将双电源切换至升压系统，子系统并在10KV 电网上卖电产生收益（比停止发电效益好）。

不同模式的切换使得电站系统能运行在最经济状态，实现收益最大化。

4.3.5 无线监控系统

集中连片式光伏电站一般采取分散布置集中监控的方式，即电站分若干子系统和发电区域，每个区域由若干逆变器及开关柜组成，传统的监控系统是将所有逆变器、环境监测仪、逆功率检测装置等通过485 通讯电缆连接起来送一至监控中心，这种方式一方面增加大量电缆成本和施工工程量，另一方面传输距离有限（485 有线传输一般为1200m），为解决上述两大问题，本工程设置珠海兴业自主研发的无线通讯监控系统。在每个发电区域配置一个光伏无线发射器，通过485 通讯搜集逆变器和各类传感器数据，空中发送至监控中心的接收器，同时接受监控中心指令，执行相应的动作，实现光伏系统的无线监控。

5.智能微电网的必然选择

通过第三章3.3 条可知，光伏电站等分布式新能源发电并网存在并网电能质量低、可调度性差以及安全性能低等重大缺陷。

为解决上述问题，由中国兴业太阳能技术控股有限公司研发了智能微电网系统。它以交流母线为基础，由光伏发电子系统、储能子系统、能量管理系统、光纤通信、各类智能开关仪表及负荷组成，智能微电网与大电网通过可控开关连接，每个光伏子系统并网点设置相应容量的蓄电池储能系统，通过双向逆变器与母线联接，各类仪表传感器检测电网、发电单元和负载运行数据，将其输送至监控中心，由EMS 能量管理系统控制蓄电池的充放电，监控中心控制整个微电网的运行状态。由其原理图如下：

图5-1 智能微电网系统原理图

智能微电网的应用，能成功解决光伏电站并网的如下问题：

① 解决了光伏发电不稳定性。微电网自带的储能系统能缓冲光伏发电因天气原因引起的出力变化，当光伏发电功率快速上升时，蓄电池系统拼命“吸入”能量，当光伏发电功率快速下降时，蓄电池系统立即“释放”能量，以阻止光伏发电功率变化过快，解决光伏发电输出的不稳定性。

② 改善了光伏电站并网的电能质量。微电网能控制蓄电池和双向逆变器单元，调节其向负载及网络提供的无功及有功功率，通过快速吸收和释放大功率电能解决系统中如电压聚升、电压聚降等暂态问题，从而达到稳定电压水平，提高电能质量目的。

③ 提高系统带负载能力，减轻大电网的压力。微电网系统还能根据负载需要调节储能单元充放电，吸收尖峰负荷、减少电力驱动系统对电网的负面影响。同时，智能微电网系统设置智能继电保护装置，系统内的各类保护装置参数可由监控中心调整与修改，从而减小分布电源接入对电网的故障特性的负面影响，并可通过光纤与上级电网通信，调节有功与无功输出，实现光伏电站的可调度性。

由上可以预见，最终，智能微电网是大型光伏屋顶电站并网接入的必然选择。

6.结语

大型光伏屋顶电站是光伏发电应用成功的典范，它对中国工业园和光伏业的发展都具有积极的推动作用，具有良好的节能减排示范效益。本文就如题内容结合光伏政策分析了大型光伏屋顶电站的研究意义，剖析了大型屋顶电站的设计难点，特别是并网设计及对电网带来的影响问题，再以湖南九华示范区20MW 光伏屋顶及智能微电网项目工程为例，展述其设计思想与过程，总结方案的创新特点，最后介绍新型智能微电网与大型电站结合应用的优势希望能给今后中国大规模光伏屋顶电站的应用给予一定的指导与参考作用，体现国家金太阳项目良好的示范意义。

第五篇：3dsmax在游戏角色建模中研究与应用

3dsmax在游戏角色 建模中的研究与应用 摘 要 随着计算机三维影像技术的不断发展，三维图形技术越来越被人类所掌握和应用，由于三维动画比平面图形更直观，更逼真的特点，因此更能给观赏者以身临其境的感觉，尤其适用于那些尚未实现或准备实施的项目和虚拟的游戏，使观者提前领略实施后的精彩结果。在如今的各个领域内，三维动画从简单的几何体模型到一般的产品展示和艺术品展示，甚至到复杂的人物模型，所有这些都能依靠强大的三维动画技术来实现。3DSMAX作为三维动画制作领域内最为出色的软件之一，不仅具有强大的绘图能力，同时具有出众的建模功能，在应用范围方面，3DSMAX已经广泛应用于广告、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。拥有强大功能的3DSMAX已经深入的扎根在如今很多3D游戏的宣传动画、片头动画，以及游戏场景中，具有非常广阔的应用前景。

本文从三维动画的基础理论入手，在国内外针对专家对三维动画技术研究分析的基础上，对三维动画软件在游戏中的应用进行分析；

首先对三维动画的相关理论作了详细的阐述，指出三维动画的特点和主要应用领域；

之后针对3DSMAX进行了简要介绍，明确了3DSMAX的主要特点；

在此基础上，对3DSMAX的建模方法进行了分析，从3DSMAX三维建模最基本组成的点、面开始，渐渐深入的描述，说明3DSMAX建模的特点及常用的建模方法，以及对这些建模方法各自的优缺点进行了探讨；

然后以游戏角色建模的视角出发，论述了游戏发展及角色的变化，指出3D游戏模型的基本规范，并具体分析了3D游戏角色模型建立的一般过程，再辅以实例进一步阐明了使用3DSMAX进行游戏角色建模应该注意的问题；

最后针对游戏角色建模的后期处理，分别对标准渲染、灯光、摄影机等进行了分析，分析了3DSMAX中四大渲染器的特点，探讨了灯光设置的顺序和要点，并详解了摄影机的常用参数设置。

本文的研究，对于使用3DSMAX进行建模的设计者明确建模的基本理论与方法，具有一定的实际参考价值；

尤其是针对在游戏角色建模过程中的一些细节，能够为进行游戏角色建模的设计者提供较大的帮助。

关键词：游戏角色 三维动画 3DSMAX 建模 面 ABSTRACT With the three-dimensional imaging technology continues to evolve from computer, more and more three-dimensional graphics technology and applications be grasped by humans, because of three-dimensional animated graphics more intuitive than the plane, more realistic, and consequently more immersive to the viewer to feel , especially for those not yet ready to implement projects to achieve or so after the implementation of the viewer a taste of the exciting early results.In today＇s various areas, three-dimensional animations from simple geometry model to the general display of products and works of art, even to the complex character models, all of which can rely on a strong three-dimensional animation techniques.3DSMAX as a field of three-dimensional animation software is one of the most outstanding, not only has powerful graphics capabilities, but also has superior modeling capabilities in the application scope, 3DSMAX has been widely used in advertising, film, industrial design, architectural design, multimedia production, games, teaching and engineering visualization and other fields.3DSMAX already has a strong function of depth rooted in today＇s 3D games lot of publicity animation, title animation, and game scene, has a very broad application prospects.In this paper, from the basic theory of three-dimensional animation , based on many expert research and analysis about three-dimensional animation technology.Analysis of three-dimensional animation’s application in the game;First, the theory of three-dimensional animation made in detail, pointing out that three-dimensional animation features and the main application areas;for 3DSMAX after a brief introduction, the main features 3DSMAX clear;On this basis, for 3DSMAX modeling methods were analyzed to illustrate the characteristics and 3DSMAX modeling methods commonly used in modeling , as well as their advantages and disadvantages of these modeling approaches are discussed;then game character modeling perspective, discusses the game development and the changing role of the model that the basic norms of 3D games, 3D games and detailed analysis of the role model the establishment of the general process, supplemented by examples and further clarified the role of modeling the game using 3DSMAX should pay attention to the problem;last game character modeling for post-processing, respectively, the standard rendering, lighting, cameras, etc.were analyzed, analysis of the 3DSMAX the characteristics of the four renderer, the order of the light set and points, and a camera used Detailed parameter settings.From the study, modeling for designers to use 3DSMAX explicit modeling of the basic theories and methods, with some actual reference value;role in the game, especially for some of the details of the modeling process, role modeling can play games designers to provide more help.KEY WORDS: Game character;three-dimensional animation;3DSMAX;modeling;surface 目 录 摘 要 2 ABSTRACT 3 第一章 绪论 6 1.1选题的背景和意义 6 1.2国内外研究综述 7 1.2.1 国外研究综述 7 1.2.2 国内研究综述 9 1.2.3 研究评述 10 1.3研究主要内容和研究方法 11 1.3.1 研究主要内容 11 1.3.2 研究方法 11 第二章 三维动画及其建模 12 2.1 动画及三维动画 12 2.1.1 动画的基本概念 12 2.1.2 三维动画的基本概念 13 2.2 三维动画特点及应用 13 2.2.1 三维动画的特点 13 2.2.2 三维动画的应用领域 14 2.3 三维动画制作的一般过程 15 2.4 3DSMAX软件简介 16 2.5三维建模及其重要性 17 第三章 游戏角色建模的技术分析 19 3.1 3DSMAX建模方法分析 19 3.1.1 3DSMAX建模的主要特点 19 3.1.2 3DSMAX建模的主要方法 19 3.2 3DSMAX游戏角色建模技术 22 3.2.1游戏发展与游戏角色 22 3.2.2 3D游戏模型的基本规范 23 3.2.3 3D游戏模型中的四边面与三角面取舍 24 3.2.4 3DSMAX游戏角色建模的一般过程 25 3.2.5 3DSMAX游戏角色建模实例分析 27 第四章 游戏角色建模的后期处理 33 4.1渲染器分析 33 4.1.1 Mental Ray渲染器 33 4.1.2 Brazil渲染器 33 4.1.3 FinalRender渲染器 34 4.1.4 VRay渲染器 34 4.2灯光处理 35 4.2.1 灯光与影像 35 4.2.2 经典布光理论 36 4.2.3 布光顺序及要点 36 4.3摄影机处理 37 4.3.1 摄影机的种类 37 4.3.2摄影机的特性 38 4.3.3 3DSMAX摄影机的常用参数设置 38 第五章 结论与展望 41 参考文献 43 致 谢 45 第一章 绪论 1.1选题的背景和意义 随着全球计算机图像图形技术的不断发展以及人们对视觉效果需求的提高，在图像图形的设计领域，其设计方法发生了巨大的改变，以往依靠手工来完成的大多数设计工作，正逐步被计算机图形图像技术代替，特别是三维图像及动画技术在近年来的发展尤其迅速，它们的应用已经涉及到建筑、影视、游戏等多个行业，发挥了越来越重要的作用，充分展示了三维动画在设计方面的强大能力。

在三维动画设计领域，有关三维图形的设计软件有很多，主要包括Discreet的 3ds max、Maxon的 Cinema 4D、Alias的 Maya、Softimage/XSI以及NewTek的 Lightwave 3D，而与三维动画有关的建模方式也成为了三维图像软件发展的主要方向，这些软件在进行几何模型建立时所采用的方式和工具并不相同。如3dsMax的建模工具使用了广泛的多边形建模工具组件；

Cinema 4D 中则包含了细分表面建模工具等多种工具；

Alias公司的Maya则以其非常强大的Nurbs工具闻名于世；

Lightware的建模方式是MetaNURBS。可以看出，各类软件在建模方式上各有倚重。但是在实际的三维动画设计过程中，由于行业或环境的不同，对所建立的几何模型的细节要求也会不同，在三维建筑的有关动画模型中重点对动画精度限制较为严格，在影视广告中是对动画模型的光滑度要求比较严格，而在游戏角色模型中则是要求动画模型能够满足游戏玩家的控制要求。因此，面对如此多的三维动画软件和建模工具，如何针对不同的建模需求选择合适的三维动画软件和建模工具也成为了领域内研究的重要课题之一。

基于上述情形，本课题研究了在游戏领域内使用3dsmax三维动画制作软件进行角色建模的方法。3dsmax作为美国Autodes公司最为出色的三维动画制作软件，近年来已经成为全球中低端使用群体中最为流行的软件，它不仅提供了丰富的动画设计功能，也提供了强大的建模技术，被广泛应用于影视、游戏等领域。使用3dsmax进行游戏角色模型的合理建造，并对其进行后期处理正是本文研究的重点。通过对本课题的研究，能够对三维动画研究领域的理论，特别是3dsmax的建模方面起到一定的补充作用；

同时对于提升游戏行业角色建模的实际操作上具有一定的借鉴意义。

1.2国内外研究综述 1.2.1 国外研究综述 1.2.1.1 国外三维动画发展综述 三维动画作为电脑美术的一个分支，是建立在动画艺术和电脑软硬件技术发展基础上而形成的一种相对的独立新型的艺术形式。三维动画在国外的早期应用出现在20世纪70年代，主要应用于军事领域。直到70年代后期，随着PC机的出现，计算机图形学的快速发展，三维动画才逐步拓展到诸如平面设计、服装设计、建筑装潢等领域。从20世纪80年代开始就逐步使用计算机图形技术制作三维动画，虽然当时大部分的三维动画制作需要在一些大型的工作站上完成的，但却成为后来三维动画的发展奠定了基础。

1995年，皮克斯的影片《玩具总动员》的上映成为进入三维动画时代的标志，随着该片在全世界的风靡，一些研究者开始针对在PC机上制作三维动画进行了深入的研究。

1998年，学者戴尔森针对三维动画的应用前景做了预测，他指出三维动画是随着计算机软硬件技术的进步而产生的一项新兴技术，它通过借助专用的软件在计算机建立起了一个虚拟的世界，设计师们只要在这个虚拟的世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹及一些动画参数，就能生成美轮美奂的画面。三维动画技术的这种模拟真实物体的方式使其迅速风靡全球，并由于其精确性、真实性和无限可操作性的特点，必将在影视、军事、娱乐、医学等多个行业被广泛应用。

2002年，学者泰诺在研究了著名的Maya及3dsmax三维动画制作软件之后，指出随着上世纪90年代后期大型三维动画软件的出现，不仅成为了3D发展史上的一个个里程碑，同时也推动了三维动画应用领域的不断拓展，并且随着这些软件功能的不断强化，三维动画的制作变得更加容易。

2009年，美国电影制片人乔里布尔针对2004年以来美国三维动画电影的发展情况做了如下评述：三维动画独特的美学特征，以及三维动画与二维动画在艺术表现力上的区别，使得三维动画影片在2004年后的美国出现了新的潮流，美国动画业者们只花了几年时间就把三维动画的潮流推向了全世界，他们轻松地把三维动画将是世界动画发展之趋势这个概念普及到地球上每个能看到美国动画电影的角落。

1.2.1.2 国外3D软件应用研究 三维动画发展到如今，各种各样的三维动画制作软件在世界上已经出现了很多，这些制作软件针对不同的表现内容，其侧重点有所不同，换句话说，3D软件的多样性和专业性正是它们竞争的主要优势。有着不同的专门软件，多样性、专业性是3d软件的主要特点。众多的3D软件，包含着各自技术特点的建模工具，比较流行的有：Patch与Surface面片、NURBS技术、多边形建模、变形球建模等。

在国外的众多三维软件的使用群体中，各类三维软件的使用情况比较均衡，分布的标准一般都是根据三维动画制作者本身的设计需求来进行的，总得说来，国外的三维动画软件使用群体可分为高、中、低端三类，高端用户对三维动画的需求一般包括建立影视人物特效、完成数字电影以及虚拟现实技术的应用方面，这类用户所使用的3D软件主要有lightwave、softimage以及maya三种；

中端用户对三维动画的需求一般包括影视广告制作、建筑群体表现、教学动画、游戏角色和画面设计等方面，这类客户所使用的3D软件主要有rhino、3dsmax等；

低端用户对三维动画的需求一般包括产品的设计、小场景的展示、建筑物个体图等方面，这类客户所使用的3D软件主要有cool 3d，speedtree等。

2004年，美国学者Macocy在对Maya软件在人物角色行走建模过程中的使用现状进行了研究之后指出，Maya三维动画软件在复杂性和功能性上都比其它的三维动画制作软件更加强大，它具有强大的3D建模工具、动画设计工作和灯光渲染处理，在各行业均有很广泛的应用。文中同时对在Maya三维动画软件中制作人物角色行走的流程和一些相关的注意事项进行了阐述，并通过分析人物在行走过程的重要特征，详细论述了人物角色行走动画的制作过程，并探讨了Maya技术的一些具体应用技巧。

2006年，学者Sennoca针对3dsmax三维动画软件的灯光进行了研究，指出3dsmax是当前实际上较为领先的图形图像制作和处理软件，它的应用涉及到社会的各个领域，包括建筑、机械、动画、影视、游戏等方面。作者针对3dsmax中灯光的程序设置、颜色、特效，并结合自身在摄影中的布光经验，就舞台美术中利用3dsmax模拟舞台灯光效果的实践应用进行了深入的分析。

2009年，学者wade就3dsmax软件在美术教学领域的应用进行了研究，他在简述了3dsmax软件及其在美术设计中的应用理论的基础上，通过自身实际操作，结合本人的教学实践，对3dsmax软件在美术教学领域的主要应用方式和操作技法进行了探讨。

1.2.2 国内研究综述 与国外相比，国内的三维动画技术发展要相对晚一点，尽管近年来国内的三维动画水平直线上升，但在很多具体的使用技巧与艺术表现方式上同国外的水平依旧存在一定差距。在3D软件的使用方面，国内的主流用户一般都是以AutoDesk公司的3dsMax及Alias公司的Maya为主，有少许群体也使用如lightwave、softimage等。具体来说，国内的使用者使用maya主要完成影视动画的制作，使用3dsmax来完成影视广告包装、建筑动画设计、网络游戏角色、虚拟现实技术等，尤其是3dsmax已经成为了当今国内用户最多的三维动面软件，也是销量最多的建模软件。近年来，国内不少学者针对3dsmax三维动画制作软件都进行了深入研究，比较有代表性的如下：

2000年，学者阎伟在《3dsmax与AutoCAD结合进行三维技术建模及动画制作方法》一文中指出3dsmax是一个将三维建模与动画制完美融合为一体的功能十分强大的三维动画制作软件,而autocad是当今世界上使用最广的图形软件包，而且也具有三维制作功能。在此基础上，文中分析了3dsmax与 autocad结合进行三维技术建模的方法，并对两者的特点分别进行阐述，以及各自在建模过程中的优势与劣势进行了分析，最后针对如何把二者充分结合起来进行三维建模的设计要点做了研究。

2002年，学者杨东超，徐凯等人在《利用3dsmax实现拟人机器人动画仿真》一文中指出三维动画的良好效果能够为拟人机器人的步态规划和运动学分析多个方面的研究工作提供形象逼真的可视化效果，在当前多个能够实现动画仿真的制作软件中，3dsmax具有模型逼真、操作方便、易于改变等许多优势，因此文章中重点分析了如何利用3DSMAX实现拟人机器人动画仿真以及使用这种方法的优点。

2004年，学者翟旭峰、朱杰杰等在文章《3dsmax建模及其在虚拟现实中的应用》中指出3dsmax凭借其丰富的建模技术能够达到对现实世界万物的真实表现，它具有优秀的动画表现艺术，几乎能够把现实和理想中的任何动画都能完美体现，所以它在工业产品包装、影视广告设计、建筑图绘制等多个方面都得到了广泛应用，文中在对3dsmax的各种不同建模方法进行介绍的基础上，结合具体的使用实例，分析了3dsmax在虚拟现实中的应用。

2006年，学者潘修强在《基于MultiGenCreator和3dsmax的虚拟漫游系统建模方法》一文中指出虚拟现实是近年来十分活跃的技术研究领域，该领域是以众多地高新技术作为汇集，主要包括计算机图像图形技术、图像处理与模式识别技术、人工智能技术、多传感器技术以及高度并行的实时计算技术。在此基础上，文章针对古村落虚拟漫游系统中的建模问题,提出了将MultiGenCreator和3DSMAX两种建模软件相结合进行建模的具体方法，并保证了模型的逼真度和漫游系统的整体运行效率。

2009年，学者李凌在《基于3DSMAX脚本语言及其实践的研究》一文中就计算机绘图的两种方式，即手绘方式和编程方式进行了研究。文中进一步提出根据图形的复杂程度，可自由选择绘图方式，并重点介绍了3dsmax三维动画制作软件的结构，讨论鼠标绘图和MAXScript脚本语言编程绘图的主要区别，之后深入探索了脚本语言编程的具体方法，之后给出实例验证了程序的正确性。

2010年，学者高文胜等人在《三维动画实用技术》一书中以Maya基础建模和3ds Max动画设计为基础，采用案例化的形式，循序渐进地对Maya三维软件进行了详细的介绍，同时解释了Maya使用者在实践过程中遇到的问题；

同时，书中针对3dsmax三维动画的相关知识进行了深入的阐述，并以动物飞舞动画、文字特效动画、产品广告动画和广告片头动画等方面的动画实例做了详细讲解。

2011年，学者金秀兰等人在《如何建立游戏角色仿真人脸》一文中指出，在游戏角色的人物造型中，设计并建立仿真的人脸是每一个三维动画软件使用者的主要目标之一。文中指出要获得真实和自然的仿真人脸作品，必须做好多步工作，主要包括有资料的收集、模型的规划、纹理的绘制和最后的渲染等等，文中详细讲解并研究了建模的过程，重点针对如何使用Maya三维动画制作软件进行人脸模型的建立，对具体的工作流程、建模的不同方法、拓补结构和常见的错误等方面进行了详细分析。

1.2.3 研究评述 自三维动画问世以来，伴随着三维动画制作软件的出现，三维动画的制作朝着越来越强大、越来越简单的方向发展。可以看出，近年来国内外众多学者针对三维动画制作方面的研究涉及到了各个方面，前人的研究为后人的进一步应用提供了巨大的参考价值和借鉴意义，尤其是国内学者针对3dsmax软件的研究更是丰富多彩，这与3dsmax软件在我国拥有大量的使用群体有关，但是，3dsmax软件作为游戏行业内使用较多的建模软件之一，国内学者针对该方面角色建模方法的研究却较为有限，无法形成体系。本文正是从这一角度出发，对3dsmax在游戏角色建模中的应用进行研究，以此来补充国内研究者对3dsmax在游戏领域内的应用理论和方法。

1.3研究主要内容和研究方法 1.3.1 研究主要内容 本课题的研究，主要从3dsmax在游戏角色建模中的应用进行研究，具体内容分为以下几部分：

第一部分 绪论。首先阐述了课题研究的背景和意义，在此基础上对国内外三维动画领域的相关研究进行了综述，最后指出了本文研究的主要内容和方法。

第二部分 相关理论。本部分首先从三维动画的基础概念及基本原理出发，对三维动画在游戏中的应用进行分析；

之后对3dsmax三维动画制作软件进行了全面介绍，最后指出三维建模的基础知识。

第三部分 3dsmax游戏角色建模的技术分析。首先对3dsmax的建模方式进行阐述，之后对游戏中的角色模型规范进行了分析，最后重点对3dsmax在游戏角色建模中的理论和方法进行了研究。

第四部分 游戏角色建模的后期处理。主要针对在建模完成后的后期技术进行具体分析，包括标准渲染、灯光、摄影机等，协助3dsmax角色建模的整体完成。

第五部分 结论与展望。首先对全文进行总结，并指出课题研究可能存在的不足，最后对游戏领域的角色建模的发展趋势进行了展望。

1.3.2 研究方法 为完成本课题，采取了以下一些研究方法和方案：

一是文献研究法。通过对国内外大量有关3dsmax三维动画技术文献的研究，更加深入的了解了国内外三维动画技术的发展和现状，为后文分析奠定了基础。

二是实例研究法：全文在分析3dsmax游戏角色建模的过程中，使用了一些具体的实例进行分析，有助于课题能够直观、形象地呈现给读者。

三是归纳总结法：文中通过对3dsmax三维制作软件多种建模方式的研究及分析，归纳总结出适合游戏角色建模的方式，并通过这种方式来完成具体的建模。

第二章 三维动画及其建模 2.1 动画及三维动画 2.1.1 动画的基本概念 顾名思义，动画是基于运动的影像。理论界给予动画的定义如下：动画是通过技术手段完成以一定速率对一系列画面进行连续播放的一种艺术，动画利用的是人们的视觉暂留特点，和电影的原理类似，从视觉上给人们造成流畅且不间断的变化影像效果[1]。

实际上，动画属于幻想艺术，它比静态画面更容易表达人们的某些情感，甚至把人们无法从现实看到的画面转变为能够肉眼直接观察到的影像，从而扩展了人类的创造空间和想象空间[1]，这使得动画的应用在当今社会日趋广泛。动画的制作必须具有创造性，而且是极具严谨性质的，其制作的过程需要一整套非常科学、明确、完善的分工体系以及和创作流程，需要从设计者、技术人、管理者等众多人员的角度，进行有机、统一的管理，才能够保证动画制作以高效、流畅的方式完成。

2.1.2 三维动画的基本概念 三维动画是动画的一个分支，常常被称为3D动画[1]，具体是指在三维空间中进行制作的动画，这个三维空间可以是真实的三维空间，也可是虚拟的三维空间，三维动画是随着计算机技术的不断发展而产生的一种动画技术，因此也使得通常人们所指的三维动画是利用计算机软件制作的三维动画。实际上，无论是计算机的三维动画还是传统的手工制作的动画，都是通过三维的世界，在其中按照想要表现的对象的形状、尺寸进行模型的建立，以及场景的建立，然后再根据要实现对象的动画特征，完成其运动轨迹、摄影机运动等[1]。只不过在基于计算机技术的三维动画中，其制作过程中的场景、角色、灯光和摄像机等都是虚拟化的。

三维动画的制作同样需要把技术和艺术进行充分结合，一方面需要在技术上充分体现创意的特点，另一方面需要利用计算机技术在动画色调、构图、镜头组接、节奏等方面进行艺术的创造，由于三维动画中增加了较强的时间和空间的概念，所以在其制作过程中需要更多的按照影视艺术的规律来进行。

2.2 三维动画特点及应用 2.2.1 三维动画的特点 三维动画的快速发展离不开计算机技术的发展，从计算机软硬件结合的角度来看待三维动画，与传统的平面动画相比，可以发现其明显的一些特点，概括如下：

一是三维动画具有更强的感染力和表现力。三维动画依托计算机技术，能够达到依据想象进行创作的目的，非常适宜表现真实物体，而且具有比平面动画更强的感染力和整体表现力，同时，画面表现力不会被传统的摄影设备所限制，如在很多三维动画的广告作品中，设计者设计一些没有生命力的物体根据音乐可以翩翩起舞，能够将观看者带入到超越现实的境界中，起到强烈的表现作用，从而唤醒人们的联想。

二是三维动画具有超越性。三维动画除了具有更加真实生动的表现特点之外，还具有很强的超越性，它可以构造在现实世界中根本无法创造一些场景及运动，甚至是相悖的形状等，如在三维动画的光线中，可以任意地设计想象中的光源形状，图形光源、流水光源，而且根据光源还能够建立任意的折射、反射等，从而能够达到一些超越现实的效果。

三是三维动画具有更高的艺术效果。通过三维动画软件，能够达到对现有图形及图像的有效利用，所制作的很多视觉艺术效果是以往编辑机等无法实现的，例如制作的很多分形图像，都具有极高的艺术效果，而且还包含复杂漂亮的自相似结构，这些只需要经过三维动画软件的精细加工，就可以出现更多的艺术效果，这不是普通的特技效果能够比拟的[2]。

四是三维动画具有一定的复杂性。三维动画技术发展到当今阶段，是在不断与各类学科充分融合的基础上进行的，这样才能为电脑、电视等视频画面提供更为丰富精彩的内容，与三维动画能够充分结合的技术和学科可以包括激光技术、CT扫描技术、数学、物理学等。

2.2.2 三维动画的应用领域 随着三维动画技术的快速发展，三维动画凭借上述优秀的特点已经越来越被人们所依赖，它所应用的领域已经非常广泛，无论是简单的几何模型还是复杂的人物模型、艺术品模型等方面，三维动画都能够依靠其强大的视觉效果和功能得以实现，归纳起来，三维动画技术的应用领域主要有如下几个方面：

一是在建筑领域的应用。现阶段，三维动画技术在建筑领域应用比较普及，从早期的单一建筑动画到如今的多元化创意建筑动画，三维动画技术在建筑领域实现了跨越式的突破应用，不仅是制作技术上的提升，更是创新手段的提升，如今，建筑三维动画从脚本创作到完美的模型制作，再加上富有感染力的音乐，所制作出的三维动画水平节节攀升，如今很多的建筑多媒体工作室能够制作建筑漫游动画、小区游览动画、楼盘三维动画、建筑工程动画等。

二是在城市规划领域的应用。在很多的城市规划中，包括道路规划、公用设施规划、市政规划、形象规划、数字化规划等多个方面都应用了三维动画技术，通过这种技术，能够完美地展现各种规划的实际效果，并给予观看者较好的视觉享受，各种设施表现的淋漓尽致，从而增强规划的感染力和艺术性。

三是在旅游领域的应用。旅游领域应用三维动画技术的主要用途是在旅游资源的开发、景点的宣传、旅游点地貌展现、景区绿化等方面，使用三维动画技术对景区景点进行表现，其效果具有形象、立体、生动的特点，是普通的效果图无法比拟的，此外，三维动画技术在旅游景区的植物模型技术上也有了较为成功的技术和手法，制作出的植物更加逼真，使得旅游景点的植被规划更为直观。

四是在产品展示领域的应用。三维动画技术在工业产品方面应用非常广泛，如很多的汽车动画、轮船动画、舰艇动画、飞船动画、通讯设备动画、监控设备动画等，此外在一些机械产品方面，包括机械部件动画、钻井设备动画、发动机模拟动画；

产品生产流程动画等方面[2]。

五是在影视广告领域的应用。三维动画广告是目前广告业普遍采取的一种表现方式，很多广告中使用的一些动态特效都是利用三维动画来完成的，将三维动画技术在广告领域中更好的应用，将有助于为各行各业的广告创造更多地商业价值。在影视方面，当前的三维动画技术已经涉及到影视前期拍摄、特技效果、后期合成等多个方面，三维动画技术不仅大幅度扩展了影视拍摄时候的物理局限性，而且获得了更大的视觉效果，在一定程度上降低了由于影视实拍所带来的成本。在一些专业地制作影视动画的计算机设备支持下，影视当中的三维动画从简单特效到复杂场景都能表现地非常完美。

六是在游戏领域的应用。在经历了二维技术枯燥的游戏画面之后，三维动画技术在游戏领域得到了快速的发展，基于三维动画的游戏已经占据了大量的游戏市场，在游戏领域中，运用三维技术进行片头动画的制作，包括游戏宣传片片头，游戏片头等；

以及进行游戏角色的制作等，如经典的网络游戏《魔兽世界》的片头及其游戏角色中就大量使用了三维动画技术。

2.3 三维动画制作的一般过程 三维动画的制作有其固定的流程，可以将这些流程划分为三个阶段，分别为前期制作阶段、动画制作阶段、后期处理阶段。

首先是前期制作阶段。前期制作阶段主要是指在使用三维动画软件进行制作之前，针对三维动画的整体进行规划与设计的一个过程，可以包括有背景创作、剧本创作、造型的设计以及场景的设计等。进行前期制作的主要目的是要将一些文字的东西进行视觉化，从而具备从视觉角度进行创作的可能，达到体现三维动画创作的设想和艺术效果的目的。在前期制作阶段主要采取的方式可以是图片与文字结合的方式，所表达的内容有运动方式、光影构图、时间控制、音效音乐等[2]，其中特别注意的是在造型设计环节，应对三维动画所涉及的人物造型、物件造型等按照颜色的设计要求进行，如角色的外形与动作、可通过转面图、分解图、比例图来实现。旨在 要突出造型的明显特征，并使其运动符合一般规律。

其次是动画制作阶段。动画制作阶段是三维动画技术中最为重要的阶段，也是其核心阶段，主要是根据前期的制作和设计，使用计算机三维动画软件中相应的工具和技术，进行动画片段的制作，其关键的流程包含有：建模、材质、灯光、动画、摄影机、渲染等，这几乎是所有三维动画制作所必须的。建模的概念是三维动画的设计者根据先前的造型设计，利用专业的建模软件在计算机中进行角色模型的具体绘制的过程，这是大部分三维动画中最重要的工作，也是最复杂的工作之一，所有在三维动画中出现在场景中的物体都需要进行建模，建模的关键点在于其创意，而核心点则是构思，完美的三维建模并不在于其精确性，而更多地在于其艺术性[3]。材质即材料的质地，是在建模的基础上，对模型进行表面特性的赋予，从而表现出物体的特点，如颜色、粗糙程度等。灯光的概念是在三维动画中尽可能地模拟自然界的基本光线类型，灯光一般包括有泛光灯和方向灯，主要作用是对场景照明和增加效果的作用。动画，是指的根据一些动作设计，结合已经设计的造型，在三维动画软件中制作出多个动画片段，从而实现造型动作的变化，这主要通过关键帧来实现，关键帧之间的过渡则是计算机来处理，如根据动画中人物讲话的方式，来进行人物口型的变化等。摄影机重点完成对其控制的过程，主要根据三维动画软件中摄影机工具，实现分镜头动画设计的效果，要求其画面稳定、效果流畅。渲染主要是指依据三维动画场景的设置、以及角色的材质、灯光等，由三维动画软件整合为一幅完整画面的过程，三维动画必须经过渲染才能完成输出[3]。

最后是后期处理。后期处理主要是根据前面所完成的设计和制作，使用非线性的编辑软件对动画进行编辑，从而生成最终的动画文件。

2.4 3DSMAX软件简介 3DSMAX全称为3D STUDIO MAX，它是全球第四大计算机软件公司Autodesk公司的著名产品，也是是全球销量最好的三维动画及建模软件，全球有大量的基于个人计算机平台的专业艺术家、动画师、广播电视及电影特技制作者都选择并使用了3DSMAX，该软件被广泛用于角色动画、室内效果图、游戏开发、虚拟现实等领域，获奖无数，深受广大使用者的欢迎。由于它不但是基于微软windows系列操作系统的，而且其相对低廉的价格优势，所以成为目前个人PC上最为流行的三维建模软件[3]。目前，3DSMAX的最新版本为3DSMAX 2012，与前面的版本相比，该版本具有以下明显的特性：

一是该版本的工作流模式更加高效，在以往版本工作流模式的基础上，Autodesk更新了工作流模式，这使得各组之间的工作协调更加完善，效率更高，该版本在具体的实现上主要从外部体系、视图以及现在其它程度对软件的外部控制方面进行了改进。

二是该版本对软件易用性方面进行了改进。新版本对原有的软件操作界面进行了部分改进，除了基本的外观变化之外，还增强了用户的自定义功能、插件代码编辑功能，同时使得主界面更加具有艺术性和交互性，达到了充分满足用户个性化需求的目标。

三是对软件渲染功能的改进。实际上，对渲染功能的改进是在Autodesk公司收购了logic公司之后就一直在致力改进的方面，logic公司曾以渲染技术著称，收购该公司后，Autodesk充分吸收了logic的先进技术，对软件的渲染器做了重新设计，不断连接并集成高级渲染器，产生了更好的渲染效果。

四是对动画功能进行了改善，在前面几个版本内置了制作角色动画的功能的基础上，3DSMAX 2012又增加了大量的第三方内置程序，如Discreet公司开发的Studio程序，为软件提供了一些角色动画及群组动画的拓展方案，大幅度地促进了动画视觉效果。

总之，3DSMAX作为全球最为出色的三维动画制作软件之一，不仅为使用者提供了基于微软Windows平台的动画制作、三维建模等功能，而且为图像处理技术的简化作出了巨大的贡献。

2.5三维建模及其重要性 如今的时代，我们生活的任何环境，几乎都离不开数字化的概念，数字化带动了三维动画技术的发展，日常生活中的影视广告、网络游戏、海报杂志等都在很大程度上受到了三维动画的影响，并或多或少对其进行了应用。尽管三维动画技术的发展时间很短，但其影响却越来越重要。在三维动画制作中，建模过程是最为重要的阶段，因为建模所生成的模型不但是材质的载体，而且也是后期处理的主要对象，三维模型是整个三维动画的主人。一个三维动画的完美与否，效果优劣，都与三维建模有着必然的联系，如在一些电影特技中，很多特效是建立在对人物进行三维建模的基础上的，几乎所有的三维动画应用，都离不开三维动画中的模型，模型通过三维建模来完成，三维建模已经成为了人们日常生活中不断接触的事物之一，无论是影视领域还是游戏领域，都充斥着依靠三维建模得到的三维模型。目前比较流行的单机游戏反恐精英、极品飞车等都大量应用了三维建模，这些游戏对三维动画建模技术的应用，不仅受到了广大游戏爱好者的追捧，也造就了很多巨大的游戏产业，如暴雪公司、盛大游戏公司等。下图2-1为游戏反恐精英的截图：

图2-1 游戏《反恐精英》截图 可以看出，三维建模不仅是三维动画制作者的艺术创作基础，同时也是影响三维动画最终效果的因素。目前，在大量的领域都使用了三维动画制作软件，三维建模的方法已经越来越接近普通大众的生活，那么，如何使用合适的建模软件，并按照成熟的建模方法，把握三维动画中需要表现的模型的特征与要求而进行合理快速地建模就显得异常重要了。

第三章 游戏角色建模的技术分析 3DSMAX软件之所以风靡全球，除了与其能够运用于微软的windows操作系统之外，还得益于软件具有强大的三维建模功能。三维动画设计师使用3DSMAX，可以很轻松地进行产品模型、人物模型的设计，无论从电影特技、建筑装潢，还是游戏开发、教学演示等方面，3DSMAX的三维建模技术都另使用者痴迷。

3.1 3DSMAX建模方法分析 3.1.1 3DSMAX建模的主要特点 3dsmax软件的建模具有以下几大特点：

一是3dsmax拥有灵活多样的建模方法，针对一个动画中的物件，软件可以使用不同的建模方法进行建模，没有多余的限制，非常灵活且自由。

二是使用3dsmax进行建模后，模型主要分为两种形态，即参数类形态和自由修改类形态，参数类形态能够向自由修改类形态塌陷，但自由修改类形态无法转换为参数类形态。

三是3dsmax的建模具有堆栈式的修改模式，在3dsmax中，任何自行建立的或者由其它方式导入的对象都能够为其加上编辑器，而且编辑据是堆栈式的，可以随意进行叠加和位置更换。

四是3dsmax能够进行子对象的修改，主要是指在软件中可以把一个多边形物体作为父对象，而把这个父对象的点、边、界、面与元素作为子对象，能够通过修改父对象，甚至是子对象来达到期望的效果。

3.1.2 3DSMAX建模的主要方法 前文说过，在3dsmax中，拥有多种建模方法，主要有多边形建模、面片建模和非均匀有理B样条建模[4]，现将这三种方法进行具体分析。

3.1.2.1 多边形建模 多边形建模是3dsmax最基本的建模方法之一，也是历史最为悠久的，应用最广泛的建模方法。众所周知，日常生活中在屏幕上看到的几何图形都是由被称为“面”的许多相互连接的小三角形组成，每个“面”有不同的尺寸和方向，通过排列这些面，可以用非常简单的三维模型建立起非常复杂的三维模型。多边形建模就是基于这样一个原理，通过改变面的尺寸和方向，便可以制成弯曲，扭转等简单的动画或更复杂的动画，并且通过增加更多的细节，会使模型更加具体化。

多边形建模的主要步骤是先进行几何体的初步创建，然后根据具体需求运用编辑器进行几何体的形状调整，也可以通过使用布尔运算，曲面片造型组合的方式来进行对象的构建。多边形模型的构造实质是一系列节点的连接，如果模型中的每一个面都与至少其他三个面共享一条边，那末，该模型就是“闭合”的。如果模型中包括不与其他面共享边的面，则该模型被认为是 “开放”的，日常处理的大多数都是“闭合”的，只有当你打算用另一个对象去填充开放区域时，才需要一个开放的模型。

使用多边形可以为任何事物建模，事实上，没有多少事物不能使用多边形建模，通过使用足够的细节，你可以创建任何表面，其中有些模型，更适合于用多边形方法建立，例如趋于正方形的模型使用多边形建模是最有效的。建筑模型是最常见的多边形建模。由于许多物体都有角，如窗，墙，门等，因而用多边形建模最合适，也就是说，多边形建模一般适应于创建一些形状较为规则、没有曲面的模型，其主要特点是建模方法简单，且非常快速；

但是，多边形建模方法也有它的不足，当表现细节过多时，会随着面数的增加，软件的性能也会显著下降。

如下图3-1所示为使用多边形建模方式建立的模型。

图3-1 使用多边形建模方式建立的模型 3.1.2.2 面片建模 面片是Bezier（贝塞尔）面片的简称，是3dsmax软件提供的又一种表面建模的方法。软件中的面片并非通过面来进行构造，而是利用边界进行的，也就是说边界的位置和方向实际上决定了面片的具体形式，在3dsmax软件中，能够创建两种类型的面片，分别为四边形面片与三角形面片，这两种面片类型都是基于Bezier曲线，在编辑对象时会产生不同的效果，三角形面片只影响共享边界的顶点，不影响对角顶点的表面，因此当弯曲对象时其边界较锐利，能够形成明显的褶皱；

而四边形面片在编辑时，对角的节点也相互影响，能够产生较为平滑的表面。如下图3-2为两种不同的面片：

图3-2 四边形面片与三角形面片 典型的Bezier曲线使用四个顶点来控制和生成曲线，曲线经过第一个点和最后一个点，以及中间的两个控制点决定了曲线的弯曲方式，面片模型中的顶点是Bezier曲线通过的端点，顶点是对象表面的一部分，格子上的矢量手柄定义样条曲线的其他两个控制点，面片实际上就是由使用Bezier曲线控制的样条曲线所组成的面，可以通过移动节点和矢量手柄来编辑这个面。Bezier曲线的顶点有两种编辑状态，分别为“共面”和“角点”。选择一个顶点，在该顶点上右击，在弹出的快捷菜单中选择“共面”命令。这时移动所选节点上的一个矢量手柄，其它矢量手柄也跟着移动。如果在快捷菜单中选择“角点”命令，则移动一个矢量手柄时其它矢量手柄将不受影响。

面片建模方式的最大优点是用较少的细节表示出很光滑，更与轮廓相符的形状，它的不足是应用面片编辑器可以将多边形对象转换成面片表面，这样一来可以将多边形网格变成一个具有许多节蹼的大的面片。除了最简单的多边形网格，这种方法在大多数情况下都是不适用的。

3.1.2.3 非均匀有理B样条曲线建模 非均匀有理B样条曲线建模又被称为NURBS建模，它是基于计算机图形学的一个概念，NURBS建模是近年来三维动画设计者们使用最多的建模方法之一，作为最流行的建模技术，NURBS方法不仅擅长于光滑表面，也适合于尖锐的边，在很多领域都可以使用NURBS建模方法创建它们的三维模型，从电影角色到工业汽车模型都能够进行使用，NURBS建模方法允许创建可以被渲染但并不一定必须在视口现实的复杂细节，这意味着NURBS表面的构造和编辑都是非常简单的。NURBS表面是由一系列曲线和控制点确定的，编辑能力根据使用的表面或曲线的类型而有所不同，NURBS曲线可以由定位点或CV确定，定位点和节点类似，它位于曲线上，并直接控制着曲线的形状。曲面能充当NURBS表面的构件，但也能够象面片那样更直接的建立NURBS表面，可以建立定位点表面或CV表面，具体使用哪一种方法取决于设计者喜欢怎样去建模。

毫无疑问，凡是能够想象出来的东西都可以使用NURBS方法为其进行建模，NURBS方法最主要的优点是它具有多边形方法的建模及编辑的灵活性，而且具有很强的逼真效果，这是其余建模方法无法比拟的，它不依赖于复杂的网格来细化表面，基于这个特点，在建模时可以使用曲线来定义表面，这些表面在视口中看起来细节较少，但在渲染时却有更高层次的复杂度，许多动画设计者使用NURBS来建立人物角色，这主要是因为NURBS方法可以提供光滑的更接近轮廓的表面，并使网格保持相对较低的细节。但是，NURBS方法也具有明显的缺点：由于NURBS建模需要使用曲面片作为最基本的建模单元，这使得此种建模方法几乎无法制作一些拓扑结构比较复杂的模型，这是因为NURBS曲面仅有几种拓扑结构造成的；

此外，如果所建立的模型较为复杂，使用NURBS建模会使得模型控制点增加很大，非常难于控制。

3.2 3DSMAX游戏角色建模技术 3.2.1游戏发展与游戏角色 就游戏本身而言，是现实社会中人的精神需求的一种产物，但是，随着社会的不断发展和游戏的持续改变，游戏已经让人们产生了一种共鸣的意识，人们开始发现，游戏不仅仅是一门娱乐的艺术，它已经成为很多人为之拼搏，以求生存的一种手段和途径。时到如今，游戏作为一种产业，在很多国家都获得了巨大的发展，如在日本和韩国，巨大的游戏产业链带动了国家经济的发展，甚至是一些韩国的游戏玩家通过游戏一夜之间成为人人皆知的明星。游戏的快速发展，创造了艺术，同时也缔造了文明，它使用一些人类生活片段的再现方式，对生活进行了模拟，通过创造一种虚拟的世界，让游戏者置身其中，进行自主生活、发展和决策，并通过反复的练习与操作获得某种在虚拟世界中生存的能力。在这种虚拟生活中，游戏赋予了游戏者更多的创造机会和想象力，甚至是非常理想的未来。

鉴于游戏产业的发展，很多专业人士开始进入到游戏开发领域，然而，模仿者、跟进者甚多，使得国内外很多游戏的风格、画面非常雷同，这使得大量游戏再给游戏者带来视觉疲劳的同时，也无法获得有效的游戏市场，想要改变这种局面，游戏就必须进行创新，实际上，自游戏出现以来，就一直在经历着发展与创新，特别是在游戏角色的改变方面。

世界上第一款游戏产生于1958年，由几个研究员借助实验室中的器材进行拼凑，其主要玩法是在示波器中显示一个小白点在上面来回移动，可以由人进行操作控制，可以这么说，第一款游戏中的角色主要就是那一个小白点。

上世纪80年代，游戏开始进行商业化运作，很多小游戏产生并风靡全球，但是，这些小游戏仅仅依靠程序开发者的上百行代码就能够完成，游戏角色也仅存于代码之中，而没有考虑游戏者的感官视觉，对于游戏角色的美化更是无从谈起。渐渐地，游戏者开始对这些简单的游戏产生了厌倦，并开始追求那些更富有美感的游戏画面，于是开始促使游戏开发者逐步对游戏的内容和画面进行了极大的丰富，此时，由日本率先推出的红白机游戏《超级玛丽》等出现，成为永恒的经典。随后2D技术逐步发展，2D游戏开始占据主流市场，这类游戏除了在游戏内容上有了巨大的进步之外，在游戏角色的设置上也更加丰富，不再只局限于单一的游戏角色，并在角色造型上开始朝着优美、逼真的方向发展。

实际上，从上世纪80年代开始，随着图形技术逐渐发展，图形颜色和分辨率不断提高，3D技术也开始发展，但还无法在游戏中广泛应用，于是许多游戏开发者开始使用2D技术来模拟3D视觉，如在一些游戏中，通过技术实现场景中树木和山体的移动速度不同，来给游戏者造成远近层次的感觉，从而产生3D的感觉。到上世纪90年代后期，3D技术逐渐发展成熟，而且随着电脑硬件性能的提高，3D游戏开始出现，如基于render技术的网络游戏《天堂》，在该游戏中，开发者使用三维软件进行游戏模型的构建，然后使用render对图像进行着色，能够达到视觉效果非常地良好。

此后，3D技术不断发展，游戏市场中全3D游戏，以及2D与3D技术相结合的游戏成为主流，这些借助3D技术的游戏具有更多的可玩性，如可以实现角色在游戏中的自由移动与旋转，游戏场景之中的各种角色都可以有自己特有的动作，从视觉上达到了让游戏者身临其境的感觉，并能够让自身更好地融入到游戏当中的虚拟环境中，享受这个虚拟世界带来的乐趣，达到了游戏的目的 3.2.2 3D游戏模型的基本规范 在3D游戏模型中，最基础的东西叫做面，一般来说，游戏模型的面数都是基于三角面的，而通常在一些三维软件中所使用的计算的面数都是四边面的，从理论将，每个四边面都等于两个三角面，但这并非说每个游戏中的模型的面数都是由在三维软件中看到的面数进行计算得到的，因为在很多游戏模型中，一些三角面的结构比四边面的边还要大，这导致直接的计算会产生误差，当然，我们可以利用3DSMAX，进行简单的塌陷为就可以了。

游戏角色模型的面数并不是固定的，对于不同的游戏角色，面数不同，对于不同的游戏引擎，游戏角色的面数也不同，如在一些格斗类游戏中通常比动作游戏的面数要多，原因是格斗游戏一般以两个角色的画面出现，而在动作游戏中的人物角色就很多了，尤其是现在的一些网络游戏中，同一个画面中出现的角色数量少则十几个，多则上百个，这使得游戏模型在建立时必须考虑到玩家的游戏效果和硬件承受能力，因此，在角色很多的游戏画面中，角色的面数通常都较少，同时存在有比例分配，如在网络游戏里的主角的面数会比配角要多，而对于一些较为特殊的NPC，如BOSS，则其面数一般比主角还要多，因为在网络游戏中，一个游戏角色的面数并不是根据角色的重要性来决定的，而是根据同一画面中所出现的角色个数来决定的，在有BOSS出场的画面中，通常只有主角和BOSS两个角色，这就是 boss有很多面的原因。此外，很多游戏会为主角设计很多套不同的模型，这些模型可以应用在不同的场合，模型的面数由多到少各不相同，在一些特写放大的镜头中，一般会使用面数较多的主角模型。

总之，对3D游戏模型而言，面数非常重要，但并不是说面数越少越好，因为每个角色需要多少面都是由游戏策划和程序员通过计算得出来的，必须在游戏模型建立时有效利用当前的资源，按照游戏设计和规划所要求的角色面数进行游戏建模，在处理面数的问题上，为角色建模经常会使用到SMOOTH方法，即让表面光滑组的意思，也就是对多边形建模的显示方式进行平滑处理，达到不增加角色面数的目的。

根据上述面数的一些要求，以下总结出游戏模型应满足的一些基本规范，因对于不同的游戏引擎所需要满足的一些规范不全相同，故下面提及的为一些通用的规范。

一是避免空点，具体而言就是指在游戏建模时应避免所建立的模型中只有点却不存在面，造成这种情况的原因通常是由于在软件中的误操作或复制多余的操作。

二是模型需要闭合，模型由各种几何体构成，在建立完成时不应该有开放的几何体，而应该都进行闭合。

三是避免模型中存在多余的面，前文说到，模型面数的多少影响游戏的性能，因此在建模是要避免多余或者重复的面。

四是避免过分尖锐的点，尖锐的点是指在游戏模型中的一些尖端位置，尽量不要使用单独的点，而使用较小的面来表示。

五是尽量减少模型部件之间的穿插，在游戏模型建立过程中，要尽量把各个部件做成单独的一个物件，避免部件之间的穿插，从而达到加快运算速度和加载速度的目的。

3.2.3 3D游戏模型中的四边面与三角面取舍 在任何的3D游戏模型中，无论是采取四边面还是三角面，其最终的目的是为了提升游戏性能，让游戏模型在各种游戏画面中能够快速、稳定地运行，达到画面流畅、圆润自如的效果，这实际上是游戏者对游戏运行的可行性的一种潜在需求。很多游戏模型的制作过程中，由于游戏引擎和所运行的计算机设备的限制，导致游戏的画面效果不具备能够达到影视欣赏的画面逼真度，如何能够在当前的条件下，尽可能让游戏画面和模型达到相对真实的效果，是每个游戏设计者都在潜心研究的问题，这个问题就涉及到游戏中的四边面和三角面的应用 在3dsmax进行游戏模型的创建过程中，不管是采取什么样的建模方式，对游戏模型的面的具体要求都与游戏的种类和所显示的场景有一定的关系。实际上，对于计算机程序的具体运算过程而言，不管四边面还是三角面，都是只对三角面进行计算，也就是说，在画面中以四边面显示的地方，在3dsmax中计算依然按照三角面进行，也就是把一个四边面分成2个三角面进行计算。

从游戏模型制作的角度来讲，制作一个四边面要比画两个三角面更快。同时在建模过程中，模型还涉及到是用实线的方式显示还是虚线方式显示，在实线与虚线方式选择时，应该明确所有的虚线显示的方式能够根据需求随时改变为实线显示的方式。此外，在游戏模型的运算速度方面，四边面中的线条显示方向对速度有直接影响，同向一致的运算速度要比异向不一致的速度快许多。

从游戏表现性方面来讲，通常来说使用四边面来制作的模型结构更加趋于完美，特别是在大型的3D网络游戏中，游戏者所看到的不仅仅是设计师使用3dsmax渲染的最终效果，而看到的往往是3dsmax操作界面中的那种效果，正因为如此，在一定程度上，模型中的边越多，对模型显示效果的表达影响越大，同时，从一些人物角色的角度来看，使用四边面制作的方式能够更加符合人体肌肉的表达，而使用三角面则更容易让人物动作产生不协调的反向效果。当然不排除在一些条件下，有些模型为了较多地节俭面数，在一些网络游戏中要求使用800面以内的游戏模型，对于这些特别要求的，设计师在进行建模时可以利用三角面来进行制作，而且比使用四边面更加便于精确，对于那些要求800面以上的游戏模型则建议采取四边面，它能够让表现更为完美，不过在具体的建模过程中，还应该结合游戏实际情况，从程序开发的角度和思维出发，进行思考，在解决好游戏模型美感问题的同时，也要处理好游戏模型在游戏中的可操作性，而不能只为了片面减少面数，采取不合适的方式。

3.2.4 3DSMAX游戏角色建模的一般过程 建模是任何三维动画制作的关键，也是整个三维游戏开发流程中所涉及的一切场景和动画的基础，如果在三维游戏中没有模型，就如同在拍影视剧过程中没有演员与相关的道具一样，由此可见建模在整个三维游戏制作中的重要作用。3ds max因其具有强大的游戏建模功能,而且还兼具了多种方式的建模工具，使得在不同的游戏场合可以采取不同的建模方法，所以使用3dsmax进行游戏角色建模应用非常广泛。一般来说，3dsmax进行游戏角色建模总体的思路为：首先进行物体的结构和行为分析，之后根据实际情况选择合适的建模方法，最后是对每个部分的网格拓扑结构进行确定。由此可以得出3dsmax游戏角色建模的流程图如下3-3所示：

游戏角色设计 分析结构特征 选择建模方法 进行模型制作 规则物体 不规则物体 多边形建模 NURBS建模 图3-3 游戏角色建模流程 由上图可知，进行游戏角色建模的第一步为游戏角色设计，建模之前，游戏设计师需要为被建模的游戏角色设计一个模型，总体勾勒出模型的具体特征，为了设计一个好的游戏角色，设计师往往需要经过大量草案的设计，才能完成这一步，这是关键的一步。换句话说，游戏角色的建模开始于设计师的多次设计草图，设计时通常根据设计多次的草案在他们的思维中逐渐塑造出游戏角色的整体形象，然后进一步将这种形象思维进行转化，把二维的草案转化为三维立体图，为后续的使用计算机三维软件建模奠定基础。在这个过程中，游戏设计师进行转换之后，还需要继续进行大量图纸的绘制，主要包括不同视角的图纸，如前视图、左视图、右视图、后视图等，将其作为建模的参考。

游戏角色建模第二步为进行角色结构特征的分析。在完成前面的游戏角色设计之后，游戏设计者面前就已经有了一个非常清晰的角色造型，接下来就是为该角色模型进行必要的结构特征分析，目的是为其寻找一种合适的建模方法。在三维游戏中，物件或角色可以分为两种，一种为规则物件，另一种为不规则物件。在一些三维软件中，物件的形态能够使用某些形态规则进行描述，对规则物件的描述是在物件外部有较为明显的特点并且能够完整准确进行再现的物件，这些物体如汽车、建筑物、普通电器等，都在自身特征方面具有比较明确的规格，可以用于批量进行生产和复制；

对不规则物件的描述为那些在具体细节上或形体上具有很大的不同，每个物件都有任意性，这些特点不可重复复制，如山峦、植物、人物等。只所以将物件进行以上两种分类，是因为两类物件在角色模型的具体制作上有很大差别，基于上述的分类方式，在进行三维角色模型制作时，想通过设计师的设计达到对物件的自然天成是几乎完不成的，对于规则物件，基本上可以在三维软件中进行标准制作，不同的人可以使用软件作出同样的物件模型，对这些规则物件来说，不同设计师不会因制作水平的差异而作出不同的物件，只会因为水平差异所制作的时间长短不同；

而不规则物件的制作却没有唯一的标准，对于如何通过软件制作需要设计者自身对这个不规则三维物件的理解，以及设计者的设计经验，如在游戏建模中最为典型的人物建模，一个最基本的要求是要求设计者必须具有人体解剖的知识，在建模过程中绝对不能在肌肉与骨骼方面发生基本的原则性问题，同时还要具备有美学的功底，才能使得人物的整体结构与比例达到合适的地步，人物模型看起来才会有真实感，具有逼真性。

游戏角色建模第三步为选择建模方法。从前文的分析中可以得出，3dsmax软件的建模方法常用的有三种，分别为多边形建模、NURBS建模和面片建模法，在进行游戏角色建模的过程中，应根据角色的特性选择合适的建模方式。如多边形建模方法是基于可编辑网格的基础上发展的，其建模流程是用基本的几何体先完成物件的轮廓的建立，然后通过对多边形进行编辑，进一步对模型进行细分，多边形建模非常适合建立结构穿插关系比较复杂的一些模型，如门、窗等；

NURBS建模则是专门做曲面物件的一种建模方法，由于NURBS建模是由曲面和曲线进行定义的，所以无法使用NURBS生成有棱角的规则的边，这也使得NURBS非常适合于对各类复杂的曲面造型和一些特殊表现效果的模型的建立，如人的面貌、皮肤等的建模,NURBS建模法无论是在对建模工具的使用技巧还是在对曲面模型的理解方面都要求设计者具有更高的技术水准，其中的主要工具包括变形、挤出、车削、倒角等。

游戏建模的第四步为制作模型，在分析游戏角色的结构和特征基础上，并完成了对建模方法的选择之后，就可以开始游戏角色模型的建立过程了，在这个过程中，应该按照已经选择的不同的建模方法，逐一对每个游戏角色的不同组成部分进行建模，可以充分利用3dsmax提供的丰富工具来完成。

3.2.5 3DSMAX游戏角色建模实例分析 3DSMAX软件之所以风靡全球，除了与其能够运用于微软的windows操作系统之外，还得益于软件具有强大的三维建模功能。三维动画设计师使用3DSMAX，可以很轻松地进行产品模型、人物模型的设计，无论从电影特技、建筑装潢，还是游戏开发、教学演示等方面，3DSMAX的三维建模技术都另使用者痴迷。

使用3dsmax进行三维游戏角色建模，需要经历前期准备、建模阶段与后期处理等一系列的过程，每一个过程都具有非常重要的意义，这里选择与人物模型最为接近的黑猩猩作为建模的对象，通过3dsmax来完成游戏角色的建模应用。

（1）项目展示 教师要事先做好项目模型，通过展示，激发学生的学习欲望。让学生全面了解项目的实施目标、过程和考核评价方法，从而增强学生的学习兴趣和热情。

（2）项目分析 根据学生已有的知识和技能，指出完成该项目需要解决的哪些问题，教会学生获取这些知识和技能的方法和途径，为最终完成该项目做好先期准备。

序号 设计内容 方法或目的 备注 1 人物头部结构和比例 绘出人物头部正面、侧面、半侧面的参考图 写生或用照片 2 Polygon建模相关工其命令的掌握 老师示范传授、学生模拟练习 3 布线 老师示范传授、学生模拟练习 4 制作流程 老师示范传授、学生模拟练习（3）项目实施 1 ．要在项目分析的基础上制定项目计划和解决相关问题，教师通过投影示范步骤和流程，学生模拟练习，老师巡回指导，引导学生解决练习中遇到的问题。（步骤很重要）流程名称 制作人员 工作内容 开始日期 计划完成日期 实际结束日期 日完成情况 模型 初模 精模 2 ．要填好项目进度及任务分配状况表和各组问题讨论记录，以便于总结评估。

（五）项目评估 使用切片工具，可以在切片平面位置处执行切片操作，生成新的子对象。

（1）运行3ds max 2011，打开素材“机器人源文件.max”文件，该文件为一个机器人的头部模型，头部模型是以一个“油罐”扩展几何体为基础，使用多边型建模方法创建的，由于最初的分段数太少，导致无法继续进行编辑。

（2）选择“头部”对象，进入“顶点”子对象层，在“编辑几何体”卷展栏内激活“切片平面”按钮，这时会出现切片平面。

（3）在“前”视图中移动切片平面，然后单击“切片”按钮，生成新的子对象。注意：在“多边形”或“元素”子对象层级，“切片平面”只会影响选定的多边形。

（4）关闭“切片平面”按钮，进入“多边型”子对象层，选择子对象。

（5）在“编辑多边形”卷展栏内单击“挤出”按钮右侧的“设置”按钮，在打开“挤出多边形”助手界面中进行设置。

（6）在“编辑多边形”卷展栏内单击“倒角”按钮右侧的“设置”按钮，在打开“倒角”助手界面，进行设置。

（7）为挤出面分配平滑组，使其产生平滑效果。

（8）激活“角度捕捉切换”按钮，并在该按钮上右击，打开“栅格和捕捉设置”对话框，在“角度”参数栏中设置角度捕捉参数，然后退出该对话画框，并激活“角度捕捉切换”按钮。

技巧：设置捕捉角度后，能够保证水平的平面旋转为垂直状态，各位网友也可以根据实际需要设置沿任意角度斜面生成子对象。

（9）进入“顶点”子对象层，激活“切片平面”按钮，并对顶点进行调整，然后单击“切片”按钮，生成新的子对象。

（10）关闭“角度捕捉切换”按钮，并移动切片平面，然后单击“切片”按钮，生成新的子对象。

（11）进入“多边形”子对象层，选择子对象。

（12）在“编辑多边形”卷展栏内单击“挤出”按钮右侧的“设置”按钮，打开“挤出多边形”助手界面，并进行设置。

（13）最后需要使用图形合并复合对象修剪嘴部图形，退出“头部”对象的子对象层，进入“创建”面板下的“几何体”次面板，在该面板内的下拉式选项栏内选择“复合对象”选项。

提示：使用“图形合并”可以创建包含网格对象和一个或多个图形的复合对象。这些图形将嵌入在网格中（会更改边与面的模式），或从网格中消失。

（14）单击“图形合并”按钮，在视图中拾取“嘴部图形”对象。

（15）在“操作”选项组内选择“饼切”单选按钮，将图形部分剪切。

提示：使用“饼切”命令可以切去网格对象曲面外部的图形。

技巧：如果需要对图形部分的子对象继续进行“挤出”、“倒角”等编辑，可以将对象转化为多边形对象（塌陷为多边形对象或者添加“编辑多边形”修改器），然后进入到“编辑多边形”子对象层，这时图形部分子对象直接处于被选择状态。

（16）现在本实例就全部完成了。

（4）实验结果 1.项目的设计是项目教学法成功的关键 项目的设计要以教学的内容为依据，要按照实际工作的流程和要求，启发学生通过举一反三的练习，从而提高创造能力。项目的难易程度要针对学生的实际水平来确定，要有层次感，要让不同层次的学生通过不同层次的努力，都能完成相应的项目任务。

2.项目实施过程是项目教学法的核心环节 项目确定后，要激发学生的积极性，了解完成项目所需的技术与学习方法、实施流程及考核办法等。要充分设计好各个环节的活动，提前做好准备，并在实施项目活动中根据学生的情况灵活调整。教师要巡回指导学生，帮助学生解决问题，保障其顺利完成项目。

3.总结评估是项目教学法的重要环节 项目完成后的总结评估是必不可少的重要环节。学生自己总结完成项目过程中的得失，教师要在评估中指出普遍存在的问题及解决的方法，引导学生相互学习，对学生的综合评价会使学生的综合能力得到提高。

第四章 游戏角色建模的后期处理 前文所述，后期处理是三维动画制作的重要环节之一，在针对三维游戏角色的建模过程中，后期处理主要包含有渲染、灯光、摄影机等，本章将从这几个方面以3DSMAX软件为例重点进行剖析。

4.1渲染器分析 4.1.1 Mental Ray渲染器 Mental Ray是早期出现的重量级的渲染器之一，为德国Mental Images公司的产品。在刚推出的时候，集成在著名的3D动画软件Softima-ge 3D中，作为其内置的渲染引擎。正是凭借着Mental Ray高效的速度和质量，Softima-ge 3D一直在好莱钨电影制作中作为首选的软件。

Mental ray是一个专业的3D渲染引擎，它可以生成令人难以置信的高质量真实感图象。现在可以在3D Studio的高性能网络渲染中直接控制Mental ray。它在电影领域得到了广泛的应用和认可，被认为是市场上最高级的三维渲染解决方案之一。它是一个将光线追踪算法推向极致的产品，利用这一渲染器，设计者可以实现反射，折射，焦散，全局光照明等其他渲染器很难实现的效果。Mental ray的光线追踪算法无与伦比，优化的非常好，在渲染大量反射，折射物体的场景，速度要比默认渲染器快30％。他在置换贴图和运动模糊的运算速度上也远远快于默认渲染器。Mental ray从3dsmax6.0版本以后也被内置在了3ds max里,而从3dsmax9.0开始，Autodesk更新和优化了mental ray很多方面，一直到现在的3dsmax 2012版，可以看到很多方面的更新都是跟Mental ray有关系的，这使得mental ray在建筑制图方面得到了很大的提升。

4.1.2 Brazil渲染器 2001年，一个名不见经传的小公司SplutterFish在其网站发布了3dsmax的渲染插件Brazil，在公开测试版的时候，该渲染器是完全免费的，作外一个免费的渲染插件来，其渲染效果是非常惊人的，但目前的渲染速度相对来说非常慢。Brazil渲染器拥有强大的光线跟踪的折射和反射、全局光照、散焦等功能，渲染效果极其强大。SplutterFish公司推出的Brazil渲染器虽然名气不大，其前身却是大名鼎鼎的Ghost渲染器，经过了很多年的开发，已经是非常成熟了。

Brazil渲染器惊人的质量却是以非常慢的速度为代价的，用Brazil渲染图片可以说是非常慢的过程，以目前计算机来说，用于渲染动画还是不太现实。在第32届国际计算机图形图像交流大会上，高端3D渲染软件供应商展示他们最新版本的Brazil渲染器2.0。这个最新发行的渲染软件展现给用户的全新特征包括：3D motion blur、渲染时间置换、3dsmax肌理渲染支持、加强的GI特征如渲染隐蔽处（发光处、区域高光、表层下的散射等）、加强的核心性能（存储器、CPU等）及许多其他内容。Brazil渲染器2.0的目标是成为最易操纵的高性能渲染器，保持高质量高产量，以及成为以艺术为中心的顶级CG专业人士之选。

4.1.3 FinalRender渲染器 2001年渲染器市场的另一个亮点是德国Cebas公司出品的FinalRender渲染器（简称为FR）。这个渲染器可谓是当前最为火红的渲染器。其渲染效果虽然略逊色于Brazil，但由于其速度非常快，效果也很高，对于商业市场来说是非常合适的。Cebas公司一直是3dsmax的一个非常著名插件开发商，很早就以Luma(光能传递)、Opic（光斑效果）、Bov（体积效果）几个插件而闻名。

Cebas公司在FR中又融合了著名的三维软件Cinema 4D内部的快速光影渲染器的效果，把其Luma、Bov插件加入到FR中，使得FR渲染器达到前所未有的功能。相对别的渲染器来说，FR还提供了3S(次表面散射)的功能和用于卡通渲染仿真的功能，可以说是全能的渲染器。FR相对其他渲染器来说，设置比较多些，在开始入门的时候可能觉得比较难理解。但一但熟悉后，就知道它的设置很好，可以调节很多不同的细节，其实速度比BR快很多，比VR慢。

4.1.4 VRay渲染器 VRay渲染器是由chaosgroup和asgvis公司出品，简称为VR，在我国是由曼恒公司负责推广的一款高质量渲染软件。VR是目前业界最受欢迎的渲染引擎。基于VR 内核开发的有VRay for 3dsmax、Maya、Sketchup、Rhino等诸多版本，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。除此之外，VRay也可以提供单独的渲染程序，方便使用者渲染各种图片。

VR渲染器提供了一种特殊的材质——VrayMtl。在场景中使用该材质能够获得更加准确的物理照明（光能分布），更快的渲染，反射和折射参数调节更方便。使用VrayMtl，你可以应用不同的纹理贴图，控制其反射和折射，增加凹凸贴图和置换贴图，强制直接全局照明计算，选择用于材质的BRDF。

VR在3dsmax中属于超级渲染器,拥有Raytracing（光线跟踪）和Global Illumination(全局照明)功能，代替了3dsmax原有的Scanline render（线性扫描渲染器），VR还包括了其他增强性能的特性，包括真实的3d Motion Blur(三维运动模糊)、Micro Triangle Displacement(级细三角面置换)、Caustic(焦散)、通过VRay材质的调节完成Sub-suface scattering(次表面散射)的sss效果、和Network Distributed Rendering(网络分布式渲染)等等。VR的特点是渲染速度快，目前很多制作公司使用它来制作游戏角色和建筑效果图，就是看中了它速度快的优点。目前市场上有很多针对3dsmax的第三方渲染器插件，VR相对更为出色，它主要用于渲染一些特殊的效果，如次表面散射、光迹追踪、焦散、全局照明等。

4.2灯光处理 4.2.1 灯光与影像 灯光在三维游戏角色建模中非常重要，它是控制气氛、环境、情节推进等重要因素的关键。在实际生活中，大量的电影都在后期制作中使用了灯光，从而完善了三维动画和实景融合，产生非常美丽真实的画面。如果在游戏角色建模时只拥有一个很好的模型，但没有使用漂亮的灯光表现，那么也是枉有好的建模技术，甚至即使没有优秀的建模技术，但凭着强大的灯光效果也可以用很简单的物体做出惊人的画面。这就是为什么国外很多学者认为灯光与材质、贴图等同等重要的原因，他们认为在某些制作中灯光更是放在最重要的位置上。

众所周知，在现实中有光就必定有影，在十分特殊的情况下才会出现无影（比如：手术灯、十分大型的很多灯的宴会上）。在三维游戏角色建模中，由灯光产生的影子也十分重要，它可以表现深度、气氛、环境等多种效果，但影子不可以滥用，很多光照大师都讨论过影子杂乱对画面的破坏的严重问题。影子的计算有两种，包括Raytrace和ShadowMap。可以肯定地说，Raytrace是当前最好最快捷的算法，但在画面的控制上，ShadowMap却更好使用，如果用灯光来模拟光能传递，那么就没有必要精神模拟的灯光的影子，只要使用衰减限制它的作用范围就可以了。这样可以减少不少的计算时间，增加效率。但如果使用ShadowMap会出现一个很严重的问题——不能模拟半透明物体的影子，当然可以采取一些方法来解决，如先使用灯光作为镜头渲染一次，然后把渲染好的画面作为影子的贴图。

如果要使用ShadowMap，要注意调好ShadowBias。

在3dsmax中，灯光可以用来模拟真实环境中的灯光，并可以计算出阴影。3dsmax中的灯光类型有聚光灯(Target spot)、散光灯(Omni)、平行光(Frce Dircct)等，参数设置包括光源的颜色、强度、照射角、光线的衰减以及阴影设置等。在3dsmax中有两种渲染算法：局部照明(Local illumination)和全局照明(Globalillumination)。局部照明算法是计算每个表面如何反射和传送光能并给定到达一平面的光线描述，这种算法可以计算出离开这个表面的光线强度、光线性质（颜色）和发散方式，简单的渲染系统只考虑从光源发出的光能，忽略了环境中所有表面和光源的相互作用。全局照明算法（整体照明算法）是考虑了光线在物体之间光线传递的照明算法，3dsmax中有光影跟踪(Ray Trac ing)和光能传递(Radiosity)两种算法。光影跟踪是一种繁复的算法，因为要计算的光照效果太多，它可以精确的模拟直接光照、阴影、镜面反射和透明材料等全局光照特性，缺点是没有考虑表面之间的光交换和交又漫反射所形成的间接照明．光能传递，又叫辐射通量度。与光线追踪不同，光能传递不用确定每一焦的颜色，而是计算三维模型中各个离散点的光照强度。先把原始表面划分成面积较小的网格，在光能辐射过程中，计算从各个网格元的分配到其他各个网格元的光线量，并保存每个网格单元的光能传递值。其优点是考虑了表面之问的光线交互和漫反射，缺点是需要很多的内存。要达到照片级的渲染效果，一方面可以在3dsmax中使用全局照明，另一方面可以考虑导出到其它专业的渲染软件中。

此外，再好的游戏角色模型，如果没有可以清晰表现其轮廓的光照则会显的平平无奇；

简单的模型，但如果有精彩的光照将会变得十分生动。光可以表现物体的轮廓，如果你看的那幅作品的物体前一个面和后一个面的光照一样，那么这幅作品的光照就毁了作者辛苦的建模和材质了。要用灯光表现轮廓，就要提一下三点照明法，这是经典的光照法。

4.2.2 经典布光理论 在三维游戏角色或动画的制作过程中，灯光的设置过程被称作布光，虽然说一个复杂的场景由不同的设计者分别来布光会有多种不同的方案与效果，但是布光的几个原则是所有人都会遵守的。对于三维游戏角色的建模来说，其布光过程可以参考著名而经典的布光理论----三点照明。三点照明，又称为区域照明，一般用于较小范围的场景照明。如果场景很大，可以把它拆分成若干个较小的区域进行布光。一般有三盏灯即可，分别为主体光、辅助光与背景光。

主体光通常用来照亮场景中的主要对象与其周围区域，并且担任给主体对象投影的功能，主要的明暗关系由主体光决定，包括投影的方向。主体光的任务根据需要也可以用几盏灯光来共同完成。如主光灯在15度到30度的位置上，称顺光；

在45度到90度的位置上，称为侧光；

在90度到120度的位置上成为侧逆光，主体光常用聚光灯来完成。辅助光又称为补光，用一个聚光灯照射扇形反射面，以形成一种均匀的、非直射性的柔和光源，用它来填充阴影区以及被主体光遗漏的场景区域、调和明暗区域之间的反差，同时能形成景深与层次，而且这种广泛均匀布光的特性使它为场景打一层底色，定义了场景的基调。由于要达到柔和照明的效果，通常辅助光的亮度只有主体光的50%-80%。背景光的作用是增加背景的亮度，从而衬托主体，并使主体对象与背景相分离。一般使用泛光灯，亮度宜暗不可太亮。

4.2.3 布光顺序及要点 在三维游戏角色的建模过程汇总，布光一般按照如下顺序进行：先定主体光的位置与强度；

之后决定辅助光的强度与角度；

最后再分配背景光与装饰光，这样产生的布光效果应该能达到主次分明，互相补充。在布光过程中，还应该把握以下几个要点。

一是灯光宜精不宜多。过多的灯光会使得游戏角色建模过程变得杂乱无章，难以处理，显示与渲染速度也会受到严重影响。所以，只有必要的灯光才能保留。另外要注意灯光投影与阴影贴图及材质贴图的用处，能用贴图替代灯光的地方最好用贴图去做。例如要表现晚上从室外观看到的窗户内灯火通明的效果，用自发光贴图去做会方便得多，效果也很好，而不不要用灯光去模拟。切忌随手布光，否则成功率将非常低。对于可有可无的灯光，要坚决不予保留。

二是灯光要体现场景的明暗分布，要有层次性，切不可把所有灯光一概处理。根据需要选用不同种类的灯光，如选用聚光灯还是泛光灯；

根据需要决定灯光是否投影，以及阴影的浓度；

根据需要决定灯光的亮度与对比度。如果要达到更真实的效果，一定要在灯光衰减方面下一番功夫。可以利用暂时关闭某些灯光的方法排除干扰对其他的灯光进行更好地设置。

三是充分利用灯光的超现实性。要知道在3dsmax中的灯光是可以超现实的。要学会利用灯光的“排除”与“包括”功能，决定灯光对某个物体是否起到照明或投影作用，例如要模拟烛光的照明与投影效果，我们通常在蜡烛灯芯位置放置一盏泛光灯。如果这盏灯不对蜡烛主体进行投影排除，那么蜡烛主体产生在桌面上的很大一片阴影可能要让我们头痛半天。在建筑效果图中，也往往会通过“排除”的方法使灯光不对某些物体产生照明或投影效果。

四是布光时应该遵循由主题到局部、由简到繁的过程。对于灯光效果的形成，应该先调角度定下主格调，再调节灯光的衰减等特性来增强现实感，最后再调整灯光的颜色做细致修改。如果要逼真地模拟自然光的效果，还必须对自然光源有足够深刻的理解。多看些摄影用光的书，多做试验会很有帮助的。不同场合下的布光用灯也是不一样的。在室内效果图的制作中，为了表现出一种金碧辉煌的效果，往往会把一些主灯光的颜色设置为淡淡的橘黄色，可以达到材质不容易做到的效果。

4.3摄影机处理 3dsmax中的摄影机拥有超现实摄影机的能力，更换镜头动作可以瞬间完成，无级变焦更是真实摄影机无法比拟的，对于景深的设置，直观地用范围表示，用不着通过光圈计算，对于摄影机的动画，除了位置变动外，还可以表现焦距、视角、景深等动画效果。

4.3.1 摄影机的种类 在3dsMax中有两种摄影机对象，分别为目标摄影机和自由摄影机。目标摄影机用于观察目标点附近的场景内容，它包含摄影机和目标点两部分，这两部分可以同时调整也可以单独进行调整。摄影机和摄影机目标点可以分别设置动画，从而产生各种有趣的效果。

自由摄影机用于观察所指方向内的场景内容，它没有目标点，所以只能通过旋转操作来对齐目标对象。该摄影机类型多应用于轨迹动画的制作，例如建筑物中的巡游，车辆移动中的跟踪拍摄效果等。自由摄影机图标与目标摄影机图标看起来相同，但是不存在要设置单独目标点的动画。当要沿一个路径设置摄影机动画时，使用自由摄影机要更方便一些。如图11-56所示自由摄影机可以不受限制地移动和定向。

4.3.2摄影机的特性 真实世界中摄影机所使用镜头将场景反射的灯光聚焦到具有灯光敏感性曲面的焦点平面，如图4-1所示，A为焦距，B为视野（FOV）。

图4-1 真实世界摄影机测量 焦距镜头与感光表面间的距离称为焦距。不管是电影还是视频电子系统都被称为镜头的焦距。焦距影响对象出现在图片上的清晰度。焦距越短，图片中包含的场景就越多；

焦距越长，包含的场景将越少，但却能够更清晰地表现远处场景的细节。焦距总是以毫米（mm）为单位的，通常将50mm的镜头定为摄影机的标准镜头，低于50mm的镜头称为广角镜头，高于50mm的镜头称为长焦镜头。

视野（FOV）是用来控制可见场景范围的大小，FOV以水平线度数进行测量，它与镜头的焦距直接相关，例如50mm的视角范围为46度。镜头越长，视角越窄，镜头越短，视角越宽。

视角和透视的关系，短焦距（宽视角）会加剧场景的透视失真，使对象朝向观察者看起来更深、更模糊。长焦距（窄视角）能够降低透视失真。如图11-59所示，左上图为长焦距（窄视角）；

右下图为短焦距（宽视角）。50mm的镜头最为接近人眼所看到的场景，所以产生的图像效果比较正常，该镜头多用于快照、新闻图片、电影制作中。

4.3.3 3DSMAX摄影机的常用参数设置 在三维游戏角色建模过程中，摄影机常用的参数设置包含有镜头设置和视野、摄影机类型、环境范围、剪切平面和多过程效果等。3dsmax摄影机设置的界面如下图4-2所示：

图4-2 3dsmax摄影机设置的界面 一是镜头设置和视野，在3dsmax“参数”卷展栏中的第一个参数可以设置“镜头”值，或者简单地说，可以设置以毫米为单位的摄影机的焦距。第二个参数“视野”可以设置摄影机显示的区域的宽度，该值以度为单位指定，使用它左边的弹出按钮可将其设置成代表“水平”、“垂直”或“对角”距离，二是“正交投影”参数设置，启用该复选框，摄影机视图看起来就像“用户”视图；

禁用该复选框，摄影机视图好像标准的“透视”视图。

三是“备用镜头”，在该选项组中为设计者提供了常用的9种镜头尺寸，分别为15毫米、20毫米、24毫米、28毫米、35米、50毫米、85毫米、135毫米、200毫米。

四是“类型”：该下拉列表栏可以将目标摄影机更改为自由摄影机，把自由摄影机更改为目标摄影机。当从目标摄影机切换为自由摄影机时，由于目标对象已消失，所以将丢失应用于摄影机目标的任何动画。

五是“显示圆锥体”：启用该复选框，可以显示摄影机视野定义的锥形光线。锥形光线出现在其他视口但是不出现在摄影机视口中。当选中摄影机对象时，摄影机的锥形光线始终可见，而不考虑“显示锥形光线”设置。

六是 “环境范围”：该选项组可以设置环境大气的影响范围。“近距范围”和“远距范围”参数确定在“环境和效果”对话框中设置大气效果的近距范围和远距范围限制。“显示”启用该复选框后，显示在摄影机锥形光线内的矩形显示“近距范围”和“远距范围”的设置。

七是“剪切平面”：使用剪切平面可以排除场景的一些几何体，以只查看或渲染场景的某些部分。每部摄影机都具有近端和远端剪切平面。对于摄影机，比近距剪切平面近或比远距剪切平面远的对象是不可视的。选择 “手动剪切”复选框，下面的两个参数栏处于可调节状态。“近距剪切”和“远距剪切”参数分别用来设置近距和远距剪切平面的距离。

八是“多过程效果”：该选项组可以指定摄影机的景深模糊或者运动模糊。当由摄影机生成时，通过使用偏移以多个通道渲染场景，这些效果将生成模糊。选择“启用”复选框，使用效果预览或渲染。单击“预览”按钮，可以在摄影机视口中预览效果。

第五章 结论与展望 5.1结论 3dsmax作为当前国内最流行的三维动画制作软件，它出色的建模功能也成为了众多游戏设计者的首要选择。本文以游戏角色建模为研究对象，从国内外三维动画软件研究的现状入手，在三维动画基本理论的基础上，分析了3dsmax建模的主要方法及存在的优缺点，并针对3dsmax的游戏角色建模技术进行了实例分析。通过研究，主要得出以下结论：

一是三维建模不仅是三维动画制作者的艺术创作基础，同时也是影响三维动画最终效果的因素。目前，在大量的领域都使用了三维动画制作软件，三维建模的方法已经越来越接近普通大众的生活，选择合适的建模方法已经成为非常重要的问题。

二是3dsmax软件的建模方法灵活多样，可以使用不同的建模方法为角色进行建模，没有多余的限制；

3dsmax建立的模型主要分为两种形态，即参数类形态和自由修改类形态，参数类形态能够向自由修改类形态塌陷，但自由修改类形态无法转换为参数类形态。

三是在3dsmax中拥有多种建模方法，主要有多边形建模、面片建模和非均匀有理B样条建模，多边形建模一般适应于创建一些形状较为规则、没有曲面的模型，其主要特点是建模方法简单，且非常快速；

面片建模方式的最大优点是用较少的细节表示出很光滑，更与轮廓相符的形状非均匀有理B样条最主要的优点是它具有多边形方法的建模及编辑的灵活性，而且具有很强的逼真效果，这是其余建模方法无法比拟的。

四是3D游戏模型的建立应满足的一些基本规范，主要包括有避免空点，模型需要闭合，避免模型中存在多余的面，避免过分尖锐的点，尽量减少模型部件之间的穿插等。

五是在3D游戏模型建立时，从游戏表现性方面来讲，通常使用四边面来制作的模型结构更加趋于完美，特别是在大型的3D网络游戏中，在一定程度上，模型中的边越多，对模型显示效果的表达影响越大，同时，从一些人物角色的角度来看，使用四边面制作的方式能够更加符合人体肌肉的表达。

六是3D游戏角色模型建立的一般过程为：首先进行物体的结构和行为分析，之后根据实际情况选择合适的建模方法，最后是对每个部分的网格拓扑结构进行确定。在游戏角色建模的后期处理中，渲染、灯光和摄影机是最为重要的，在游戏角色建模过程中进行灯光的设置时可参照经典的三点照明法，同时要把握布光的顺序和要点。

5.2展望 尽管本文对3dsmax在游戏角色建模的技术进行了较为深入的理论研究和分析，但限于本人水平和时间有限，在很多方面研究显得比较粗略，这需要在下一步的研究过程中继续，主要针对三维游戏角色建模的材质、灯光及渲染的合成技术做更为深入的理论研究和设计。如今，三维技术已经在各行各业有了相当广泛的应用，而建模作为三维技术的基础，其研究前景非常广阔。

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其次感谢所有教育过我的老师。你们传授给我的专业知识是我不断成长的源泉，也是完成本论文的基础。感谢同学、朋友和同事，正是大家对我的关怀和帮助，使我克服了在职工作时学习的种种困难，你们给我的学业上的、工作上的帮助和建设性建议意见，都使我受益匪浅。

也感谢我的父母和家人！是他们给予我生活上、学习上的支持和精神上的鼓励，是他们真诚的爱给我了前进的动力，使我更加坚定了自己信心和前进的步伐。

最后再次对所有关心、帮助我的人，以及百忙之中拨冗对本文进行审阅、评阅和参加本人论文答辩的各位师长表示衷心的感谢。