液体涡街流量计三维动画教学技术研究

2018-06-21王大虎贾倩卢正帅

软件导刊 2018年5期

王大虎贾倩卢正帅

摘要：针对涡街流量计教学存在课堂教学不够直观、理论知识抽象难懂的问题，提出一种基于三维动画的教学方案。该方案实现主要经过3个步骤：三维模型构建、各部件分解展示及三维动画合成。首先，利用3ds Max建立检测放大器、表体和连接杆等器件模型，然后利用三维动画技术对液体涡街流量计各部件组成结构进行分解展示，最后将声音、文字、背景音乐内容经Adobe Premiere合成三维动画，并完成液体涡街流量计教学知识的详细讲解。该新式教学方法更加直观、形象，相较于原本枯燥的书本教学，能够提高学生学习热情，达到良好的学习效果。

关键词：液体涡街流量计；3ds Max；Adobe Premiere；三维动画

DOI：10.11907/rjdk.172764

中图分类号：G434

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）005-0214-03

Abstract：Aiming at the problems that vortex flowmeter teaching is not intuitive enough and the abstract theories are difficult to understand， we propose a teaching scheme based on three-dimensional animation. The teaching program mainly involves three steps： the construction of three-dimensional model， the decomposition of various components and the synthesis of three-dimensional animation. First， we use 3ds Max to build a device model of the detection amplifier， the body， the connecting rod and so on. Then， we present the components of the liquid vortex flowmeter decomposed through three-dimensional animation technology. Finally we process sound， words and background music by Adobe Premiere to synthesize three-dimensional animation and realize complete detailed analysis of liquid vortex flowmeter teaching.The new teaching is more intuitive and vivid， which can improve students enthusiasm for learning to achieve good learning results compared to the original boring teaching.

Key Words：liquid vortex flowmeter； 3ds Max； Adobe Premiere； 3D animation

0 引言

流量是工业自动化领域的重要检测参数之一。涡街流量计在流量计量中应用广泛，主要应用于石油化工、治金机械、煤炭交通、食品、造纸，以及城市管道供热、供水等领域[1-4]，在计量相关专业教学中具有重要地位。因此，必须深入掌握其结构形式、特点、测量原理、参数整定、信号检测、调整和校验方法等知识。

学生对涡街流量计的学习大多是通过书本这种传统方式，以文字描述流量计组成结构、测量原理和流体流动形式等。该方式缺乏直观性，单纯的文字描述十分枯燥，难以激发学生兴趣，无法达到理想的教学效果。因此，采用正确的教学方法对于学生而言尤为重要[5]。张兰红等[6]将Proteus仿真技术引入单片机教学过程，采用软硬件结合的教学方式，实现仿真教学系统开发；王尔申等[7]将Multisim与Proteus仿真软件融入课堂教学中，使理论教学与仿真技术相结合，激发学生学习兴趣；李松湘[8]提出将虚拟仿真技术应用于电子技术课程教学中，有效弥补了传统教学的不足；孙艳丽等[9]研究GL Studio在仪器仪表仿真建模过程中的应用，对纹理创建、图形界面设计等技术进行研究，实现了对虚拟仪器仿真教学系统的开发；宋佳忆等[10]基于CFD对涡街流量计最佳取压位置进行三维流场特性仿真。然而，以上研究均采用二维图形符号代替真实仪器，缺乏对仪器外观形态的仿真，而且没有针对其内部结构、工作原理等方面的教学内容。

针对以上问题，以液体涡街流量计为例，采用3ds Max与Adobe Premiere制作三维动画，对其结构进行从整体到局部、从外部到内部的分解展示，同时通过动画对液體涡街流量计测量原理与流体流动形势进行剖面展示，再经动画结合音频及文字实现视频教学。该新型教学形式相较于传统教学方式更加生动、形象，具有直观性，令学生更容易理解掌握相关知识，同时有助于增进其学习热情，提高学习效率。

1 动画制作流程

首先通过3ds Max建立液体涡街流量计的基本模型，包括由漩涡发生体、涡街流量传感器、信号放大电路板与外围电路、数据显示等构成的涡街流量转换器，以及由转换器外壳、支架、连接杆、转换器安全螺栓、表体机械结构等构成的表体和连接杆模型；然后根据模型特点采用不同材质，通过设置材质漫反射、自发光、高光等参数表现不同效果，并通过添加灯光模拟真实光影效果；接着对模型进行渲染，渲染完成后输出动画序列帧，并将序列帧素材导入Adobe Premiere软件合成动画；最后利用Adobe After Effects和Adobe Photoshop软件制作中间及片头效果、动画平面，对液体涡街流量计结构形式、测量原理、流体流动形式及特点等脚本进行配音，同时将配音及背景音乐导入Adobe Premiere中合成，并根据需求配上字幕，输出动画。动画制作流程如图1所示。

2 三维建模及渲染出图

2.1 模型建立

建模是所有工作的首要环节，模型构建必须准确、完整。在体现涡街流量计整体特征的基础上，模型表现出越多细节，越能真实、准确地展现三维场景，所以模型精确与否直接影响最终表现效果的精确度。本文采用3ds Max三维建模软件作为液体涡街流量计建模工具。3ds Max是美国Autodesk公司旗下开发的基于PC系统的三维模型动画制作和图片渲染软件[11]。因其具有功能强大、操作简单、上手容易等特点广泛应用于广告与多媒体制作、建筑与景观设计、辅助教学以及动画设计等领域。

采用3ds Max建模之前需观察液体涡街流量计整体及内部结构，再开始进行建模。首先在3ds Max中对整体的3个部分建模，建模时先选择各部件所需的基本几何体，并进行参数修改；然后将相应的基本几何体进行塌陷处理，形成可编辑的多边形，并对其点、线、边界、面和元素级别利用倒角、挤出、切角等命令进行修改，直至各部分模型创建完成。其中检测放大器建模尤为重要，因其又由漩涡发生体、涡街流量传感器、信号放大电路板与外围电路、数据显示等构成，需要分别对这些内部构件进行建模；最后利用移动、旋转和缩放工具调整3部分模型及内部构件位置大小，构成液体涡街流量计整体模型，如图2所示。

模型虽能表现物体几何外观，但经3ds Max建模完成的各部件模型颜色单一，难以体现物体质感。为使模型更加逼真，需通过UV展开赋予模型真实的材质贴图，使其看起来更接近实物。贴图完成后需要进行布光，灯光也是三维建模制作中不可缺少的一部分，可增强物体表现力[12]。通过添加局部光源和整体光源，同时调整模型表面对光线的吸收、反射、投射参数，可产生真实的视觉感触。本文采用的灯光为主体光、补充光和背景光。为更好地体现涡街流量计的模型质感，增加整体轮廓清晰度，利用主体光对液体涡街流量计整体模型与周围区域进行照明，以决定场景明暗及投影方向；为使灯光能广泛均匀分布，采用补充光对光线缺口及对象阴暗面进行光线填充；为进一步衬托涡街流量计主体，使主体与背景分离，采用背景光以增加背景亮度。

2.2 动画序列帧渲染输出

3ds Max中制作完成的模型称为工程文件，在模型中添加材质、灯光后，在视口中无法观察到所添加元素的效果。为将灯光和材质特效表现出来，需要对模型进行渲染。渲染是对三维场景的数字化描述，产生动画序列帧，以使图像达到照片般的真实感。渲染作为整个流程的最后一步，用来对场景中的各种效果进行输出。因此，要达到理想效果，好的渲染器是必不可少的。渲染器种类较多，如扫描线渲染器、Brazil渲染器、Mental ray及Vray渲染器等。下面对几种渲染器特点进行对比[11，13-14]，如表1所示。

通过对比结果可知，Vray渲染器具有照明效果好、渲染速度快和渲染效果出色等优点。Vray渲染器是由Cha-os Group公司开发的一种结合光迹跟踪和光能传递的渲染器，是3ds Max软件中最常用的一个插件，而且设置十分简便，现已融入3ds Max软件系统中。同时Vray渲染器以其精确的光影跟踪、专业的全局照明系统、良好的易用性和兼容性以及快速的渲染速度成为目前业界内最受欢迎的渲染引擎[15]。在采用Vray渲染器渲染时，需要进行相关参数设置，包括渲染帧范围、图像分辨率、渲染引擎选择等。参数设置完成后，对液体涡街流量计模型进行渲染输出。渲染后图像如图3所示，经3ds Max构建的原始涡街流量计模型颜色单一、缺乏质感，画面表现一般，而渲染后模型光泽度提高，更具立体感与真实感。

3 视频合成及导出

渲染出图后模型将进行三维动画制作的最后一步：视频合成及导出。本文采用Adobe Premiere和Adobe After Effects两款软件。Adobe Premiere是一款视频制作软件，通过软件中的“视频切换”特效，可得到连续、清晰、流畅的多媒体作品[16]，同时该软件也能很好地处理视频和音频[17]；Adobe After Effects是由Adobe公司推出的用于图形视频处理的软件，可对图像中的层进行有效控制与完整保存，特别适用于需要大量特效的节目片头和广告制作[18]。

根据编写的视频脚本进行配音，将配音及渲染出的序列图片导入Adobe Premiere软件，利用Adobe Premiere将音频拖至音频轨道，再在视频轨道上添加相应图片及动画序列，使其与音频相对应。为使制作出的视频画面更加连续、流畅，利用“视频切换”特效对每个图片及动画序列进行处理，可避免因画面切换产生停顿现象。采用Adobe After Effects软件为液体涡街流量计视频教学动画制作标题和片头，最后根据需要为动画配上相应字幕及特效，还可加入背景音乐以达到更好的效果。经以上过程制出的动画不再只有运动的画面和文字，而是集画面、文字、音频及背景音乐于一体。圖4为视频合成界面。

4 效果展示

液体涡街流量三维动画对涡街流量计外观、整体组成结构、特点、参数整定和信号检测、调整和校验方法、测量原理等进行了形象展示，同时可对其内部结构进行拆分展现，并通过音频与字幕进行详细、生动的讲解。例如，涡街流量计的测量原理是其中的核心知识点，在教学中十分抽象难懂，而通过视频展示可清楚、直观地看到液体在流量计内部的流动形式（见图5），画面效果逼真，运动的画面与清晰的声音讲解、直观的文字相结合，不仅可以吸引学生眼球，还将抽象的问题简单化，令学生更容易理解，从而轻松掌握相关知识。该教学视频可取代枯燥的书本教学方式，达到更好的教学效果。

5 结语

本文提出一种将三维动画应用于涡街流量计教学的方法，对三维建模、模型渲染、导出、视频合成等技术进行研究。该新型教学方式与以往传统、枯燥的教学模式相比，更加直观且具有画面感，从而大大增强了学生学习热情，提高了学习效率，取得了良好的教学效果。随着多媒体技术的发展，三维动画教学模式将广泛应用于日常课程教学中，并成为主要教学方式。

参考文献：

[1] 田野，王岳，郭士欢.常见流量计的应用[J].当代化工，2011，40（12）：1294.

[2] 苏庆文，许文达，李宝.涡街流量计在蒸汽、空气及水介质下的仿真分析[J].工业计量，2015，25（2）：21.

[3] 贺中华，魏文雄，谢云山，等.一种新型液体涡轮流量计的设计[J].自动化仪表，2010，31（12）：11-14.

[4] 陈雷.点评多国仪器展中的传感器[J].国外电子测量技术，2012，31（2）：19-23.

[5] 杜婵.“项目教学法”在高职教育三维动画教学中的实践和研究[J].中国校外教育，2012（27）：119.

[6] 张兰红，陆广平.基于Proteus仿真的单片机教学的研究与实践[J].中国电力教育，2014（5）：76-77.

[7] 王尔坤，庞涛，李鹏，等.Multisim和Proteus仿真在数字电路课程教学中的应用[J].实验技术与管理，2013，30（3）：78-81.

[8] 李松湘.虚拟仿真技术在电子技术课程教学中的应用研究[D].长沙：湖南师范大学，2012.

[9] 孙艳丽，王玲玲，陈佳琪.基于GL Studio的虚拟仪器仪表设计与仿真[J].系统仿真技术，2015，11（2）：151-155.

[10] 宋佳忆，李斌，陈洁，等.基于CFD的涡街流量计取压位置仿真研究[J].电子测量技术，2015，38（3）：1-4.

[11] 尹涛.3ds Max2014完全自学教程[M].北京：中国铁道出版社，2014：1-10.