液體渦街流量計(jì)三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)技術(shù)研究

王大虎 賈倩 盧正帥

摘 要：針對(duì)渦街流量計(jì)教學(xué)存在課堂教學(xué)不夠直觀、理論知識(shí)抽象難懂的問(wèn)題，提出一種基于三維動(dòng)畫(huà)的教學(xué)方案。該方案實(shí)現(xiàn)主要經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟：三維模型構(gòu)建、各部件分解展示及三維動(dòng)畫(huà)合成。首先，利用3ds Max建立檢測(cè)放大器、表體和連接桿等器件模型，然后利用三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)對(duì)液體渦街流量計(jì)各部件組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解展示，最后將聲音、文字、背景音樂(lè)內(nèi)容經(jīng)Adobe Premiere合成三維動(dòng)畫(huà)，并完成液體渦街流量計(jì)教學(xué)知識(shí)的詳細(xì)講解。該新式教學(xué)方法更加直觀、形象，相較于原本枯燥的書(shū)本教學(xué)，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：液體渦街流量計(jì)；3ds Max；Adobe Premiere；三維動(dòng)畫(huà)

DOI：10.11907/rjdk.172764

中圖分類號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

流量是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的重要檢測(cè)參數(shù)之一。渦街流量計(jì)在流量計(jì)量中應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于石油化工、治金機(jī)械、煤炭交通、食品、造紙，以及城市管道供熱、供水等領(lǐng)域[1-4]，在計(jì)量相關(guān)專業(yè)教學(xué)中具有重要地位。因此，必須深入掌握其結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)、測(cè)量原理、參數(shù)整定、信號(hào)檢測(cè)、調(diào)整和校驗(yàn)方法等知識(shí)。

學(xué)生對(duì)渦街流量計(jì)的學(xué)習(xí)大多是通過(guò)書(shū)本這種傳統(tǒng)方式，以文字描述流量計(jì)組成結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理和流體流動(dòng)形式等。該方式缺乏直觀性，單純的文字描述十分枯燥，難以激發(fā)學(xué)生興趣，無(wú)法達(dá)到理想的教學(xué)效果。因此，采用正確的教學(xué)方法對(duì)于學(xué)生而言尤為重要[5]。張?zhí)m紅等[6]將Proteus仿真技術(shù)引入單片機(jī)教學(xué)過(guò)程，采用軟硬件結(jié)合的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；王爾申等[7]將Multisim與Proteus仿真軟件融入課堂教學(xué)中，使理論教學(xué)與仿真技術(shù)相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；李松湘[8]提出將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于電子技術(shù)課程教學(xué)中，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足；孫艷麗等[9]研究GL Studio在儀器儀表仿真建模過(guò)程中的應(yīng)用，對(duì)紋理創(chuàng)建、圖形界面設(shè)計(jì)等技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬儀器仿真教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；宋佳憶等[10]基于CFD對(duì)渦街流量計(jì)最佳取壓位置進(jìn)行三維流場(chǎng)特性仿真。然而，以上研究均采用二維圖形符號(hào)代替真實(shí)儀器，缺乏對(duì)儀器外觀形態(tài)的仿真，而且沒(méi)有針對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理等方面的教學(xué)內(nèi)容。

針對(duì)以上問(wèn)題，以液體渦街流量計(jì)為例，采用3ds Max與Adobe Premiere制作三維動(dòng)畫(huà)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行從整體到局部、從外部到內(nèi)部的分解展示，同時(shí)通過(guò)動(dòng)畫(huà)對(duì)液體渦街流量計(jì)測(cè)量原理與流體流動(dòng)形勢(shì)進(jìn)行剖面展示，再經(jīng)動(dòng)畫(huà)結(jié)合音頻及文字實(shí)現(xiàn)視頻教學(xué)。該新型教學(xué)形式相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式更加生動(dòng)、形象，具有直觀性，令學(xué)生更容易理解掌握相關(guān)知識(shí)，同時(shí)有助于增進(jìn)其學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效率。

1 動(dòng)畫(huà)制作流程

首先通過(guò)3ds Max建立液體渦街流量計(jì)的基本模型，包括由漩渦發(fā)生體、渦街流量傳感器、信號(hào)放大電路板與外圍電路、數(shù)據(jù)顯示等構(gòu)成的渦街流量轉(zhuǎn)換器，以及由轉(zhuǎn)換器外殼、支架、連接桿、轉(zhuǎn)換器安全螺栓、表體機(jī)械結(jié)構(gòu)等構(gòu)成的表體和連接桿模型；然后根據(jù)模型特點(diǎn)采用不同材質(zhì)，通過(guò)設(shè)置材質(zhì)漫反射、自發(fā)光、高光等參數(shù)表現(xiàn)不同效果，并通過(guò)添加燈光模擬真實(shí)光影效果；接著對(duì)模型進(jìn)行渲染，渲染完成后輸出動(dòng)畫(huà)序列幀，并將序列幀素材導(dǎo)入Adobe Premiere軟件合成動(dòng)畫(huà)；最后利用Adobe After Effects和Adobe Photoshop軟件制作中間及片頭效果、動(dòng)畫(huà)平面，對(duì)液體渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)形式、測(cè)量原理、流體流動(dòng)形式及特點(diǎn)等腳本進(jìn)行配音，同時(shí)將配音及背景音樂(lè)導(dǎo)入Adobe Premiere中合成，并根據(jù)需求配上字幕，輸出動(dòng)畫(huà)。動(dòng)畫(huà)制作流程如圖1所示。

2 三維建模及渲染出圖

2.1 模型建立

建模是所有工作的首要環(huán)節(jié)，模型構(gòu)建必須準(zhǔn)確、完整。在體現(xiàn)渦街流量計(jì)整體特征的基礎(chǔ)上，模型表現(xiàn)出越多細(xì)節(jié)，越能真實(shí)、準(zhǔn)確地展現(xiàn)三維場(chǎng)景，所以模型精確與否直接影響最終表現(xiàn)效果的精確度。本文采用3ds Max三維建模軟件作為液體渦街流量計(jì)建模工具。3ds Max是美國(guó)Autodesk公司旗下開(kāi)發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維模型動(dòng)畫(huà)制作和圖片渲染軟件[11]。因其具有功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單、上手容易等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于廣告與多媒體制作、建筑與景觀設(shè)計(jì)、輔助教學(xué)以及動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

采用3ds Max建模之前需觀察液體渦街流量計(jì)整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再開(kāi)始進(jìn)行建模。首先在3ds Max中對(duì)整體的3個(gè)部分建模，建模時(shí)先選擇各部件所需的基本幾何體，并進(jìn)行參數(shù)修改；然后將相應(yīng)的基本幾何體進(jìn)行塌陷處理，形成可編輯的多邊形，并對(duì)其點(diǎn)、線、邊界、面和元素級(jí)別利用倒角、擠出、切角等命令進(jìn)行修改，直至各部分模型創(chuàng)建完成。其中檢測(cè)放大器建模尤為重要，因其又由漩渦發(fā)生體、渦街流量傳感器、信號(hào)放大電路板與外圍電路、數(shù)據(jù)顯示等構(gòu)成，需要分別對(duì)這些內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行建模；最后利用移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放工具調(diào)整3部分模型及內(nèi)部構(gòu)件位置大小，構(gòu)成液體渦街流量計(jì)整體模型，如圖2所示。

模型雖能表現(xiàn)物體幾何外觀，但經(jīng)3ds Max建模完成的各部件模型顏色單一，難以體現(xiàn)物體質(zhì)感。為使模型更加逼真，需通過(guò)UV展開(kāi)賦予模型真實(shí)的材質(zhì)貼圖，使其看起來(lái)更接近實(shí)物。貼圖完成后需要進(jìn)行布光，燈光也是三維建模制作中不可缺少的一部分，可增強(qiáng)物體表現(xiàn)力[12]。通過(guò)添加局部光源和整體光源，同時(shí)調(diào)整模型表面對(duì)光線的吸收、反射、投射參數(shù)，可產(chǎn)生真實(shí)的視覺(jué)感觸。本文采用的燈光為主體光、補(bǔ)充光和背景光。為更好地體現(xiàn)渦街流量計(jì)的模型質(zhì)感，增加整體輪廓清晰度，利用主體光對(duì)液體渦街流量計(jì)整體模型與周圍區(qū)域進(jìn)行照明，以決定場(chǎng)景明暗及投影方向；為使燈光能廣泛均勻分布，采用補(bǔ)充光對(duì)光線缺口及對(duì)象陰暗面進(jìn)行光線填充；為進(jìn)一步襯托渦街流量計(jì)主體，使主體與背景分離，采用背景光以增加背景亮度。

2.2 動(dòng)畫(huà)序列幀渲染輸出

3ds Max中制作完成的模型稱為工程文件，在模型中添加材質(zhì)、燈光后，在視口中無(wú)法觀察到所添加元素的效果。為將燈光和材質(zhì)特效表現(xiàn)出來(lái)，需要對(duì)模型進(jìn)行渲染。渲染是對(duì)三維場(chǎng)景的數(shù)字化描述，產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)序列幀，以使圖像達(dá)到照片般的真實(shí)感。渲染作為整個(gè)流程的最后一步，用來(lái)對(duì)場(chǎng)景中的各種效果進(jìn)行輸出。因此，要達(dá)到理想效果，好的渲染器是必不可少的。渲染器種類較多，如掃描線渲染器、Brazil渲染器、Mental ray及Vray渲染器等。下面對(duì)幾種渲染器特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比[11，13-14]，如表1所示。

通過(guò)對(duì)比結(jié)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優(yōu)點(diǎn)。Vray渲染器是由Cha-os Group公司開(kāi)發(fā)的一種結(jié)合光跡跟蹤和光能傳遞的渲染器，是3ds Max軟件中最常用的一個(gè)插件，而且設(shè)置十分簡(jiǎn)便，現(xiàn)已融入3ds Max軟件系統(tǒng)中。同時(shí)Vray渲染器以其精確的光影跟蹤、專業(yè)的全局照明系統(tǒng)、良好的易用性和兼容性以及快速的渲染速度成為目前業(yè)界內(nèi)最受歡迎的渲染引擎[15]。在采用Vray渲染器渲染時(shí)，需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，包括渲染幀范圍、圖像分辨率、渲染引擎選擇等。參數(shù)設(shè)置完成后，對(duì)液體渦街流量計(jì)模型進(jìn)行渲染輸出。渲染后圖像如圖3所示，經(jīng)3ds Max構(gòu)建的原始渦街流量計(jì)模型顏色單一、缺乏質(zhì)感，畫(huà)面表現(xiàn)一般，而渲染后模型光澤度提高，更具立體感與真實(shí)感。

3 視頻合成及導(dǎo)出

渲染出圖后模型將進(jìn)行三維動(dòng)畫(huà)制作的最后一步：視頻合成及導(dǎo)出。本文采用Adobe Premiere和Adobe After Effects兩款軟件。Adobe Premiere是一款視頻制作軟件，通過(guò)軟件中的“視頻切換”特效，可得到連續(xù)、清晰、流暢的多媒體作品[16]，同時(shí)該軟件也能很好地處理視頻和音頻[17]；Adobe After Effects是由Adobe公司推出的用于圖形視頻處理的軟件，可對(duì)圖像中的層進(jìn)行有效控制與完整保存，特別適用于需要大量特效的節(jié)目片頭和廣告制作[18]。

根據(jù)編寫(xiě)的視頻腳本進(jìn)行配音，將配音及渲染出的序列圖片導(dǎo)入Adobe Premiere軟件，利用Adobe Premiere將音頻拖至音頻軌道，再在視頻軌道上添加相應(yīng)圖片及動(dòng)畫(huà)序列，使其與音頻相對(duì)應(yīng)。為使制作出的視頻畫(huà)面更加連續(xù)、流暢，利用“視頻切換”特效對(duì)每個(gè)圖片及動(dòng)畫(huà)序列進(jìn)行處理，可避免因畫(huà)面切換產(chǎn)生停頓現(xiàn)象。采用Adobe After Effects軟件為液體渦街流量計(jì)視頻教學(xué)動(dòng)畫(huà)制作標(biāo)題和片頭，最后根據(jù)需要為動(dòng)畫(huà)配上相應(yīng)字幕及特效，還可加入背景音樂(lè)以達(dá)到更好的效果。經(jīng)以上過(guò)程制出的動(dòng)畫(huà)不再只有運(yùn)動(dòng)的畫(huà)面和文字，而是集畫(huà)面、文字、音頻及背景音樂(lè)于一體。圖4為視頻合成界面。

4 效果展示

液體渦街流量三維動(dòng)畫(huà)對(duì)渦街流量計(jì)外觀、整體組成結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、參數(shù)整定和信號(hào)檢測(cè)、調(diào)整和校驗(yàn)方法、測(cè)量原理等進(jìn)行了形象展示，同時(shí)可對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分展現(xiàn)，并通過(guò)音頻與字幕進(jìn)行詳細(xì)、生動(dòng)的講解。例如，渦街流量計(jì)的測(cè)量原理是其中的核心知識(shí)點(diǎn)，在教學(xué)中十分抽象難懂，而通過(guò)視頻展示可清楚、直觀地看到液體在流量計(jì)內(nèi)部的流動(dòng)形式（見(jiàn)圖5），畫(huà)面效果逼真，運(yùn)動(dòng)的畫(huà)面與清晰的聲音講解、直觀的文字相結(jié)合，不僅可以吸引學(xué)生眼球，還將抽象的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，令學(xué)生更容易理解，從而輕松掌握相關(guān)知識(shí)。該教學(xué)視頻可取代枯燥的書(shū)本教學(xué)方式，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種將三維動(dòng)畫(huà)應(yīng)用于渦街流量計(jì)教學(xué)的方法，對(duì)三維建模、模型渲染、導(dǎo)出、視頻合成等技術(shù)進(jìn)行研究。該新型教學(xué)方式與以往傳統(tǒng)、枯燥的教學(xué)模式相比，更加直觀且具有畫(huà)面感，從而大大增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)習(xí)效率，取得了良好的教學(xué)效果。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)模式將廣泛應(yīng)用于日常課程教學(xué)中，并成為主要教學(xué)方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田野，王岳，郭士歡.常見(jiàn)流量計(jì)的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2011，40（12）：1294.

[2] 蘇慶文，許文達(dá)，李寶.渦街流量計(jì)在蒸汽、空氣及水介質(zhì)下的仿真分析[J].工業(yè)計(jì)量，2015，25（2）：21.

[3] 賀中華，魏文雄，謝云山，等.一種新型液體渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2010，31（12）：11-14.

[4] 陳雷.點(diǎn)評(píng)多國(guó)儀器展中的傳感器[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2012，31（2）：19-23.

[5] 杜嬋.“項(xiàng)目教學(xué)法”在高職教育三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)中的實(shí)踐和研究[J].中國(guó)校外教育，2012（27）：119.

[6] 張?zhí)m紅，陸廣平.基于Proteus仿真的單片機(jī)教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2014（5）：76-77.

[7] 王爾坤，龐濤，李鵬，等.Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（3）：78-81.

[8] 李松湘.虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2012.

[9] 孫艷麗，王玲玲，陳佳琪.基于GL Studio的虛擬儀器儀表設(shè)計(jì)與仿真[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2015，11（2）：151-155.

[10] 宋佳憶，李斌，陳潔，等.基于CFD的渦街流量計(jì)取壓位置仿真研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015，38（3）：1-4.

[11] 尹濤.3ds Max2014完全自學(xué)教程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014：1-10.

[12] 白鶴原.基于QSG的城市三維可視化系統(tǒng)研究[D].河南：河南理工大學(xué)，2010.

[13] 史艷楠.煤礦副井提升機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].河南：河南理工大學(xué)，2015.

[14] 梁永文.Mental Ray渲染器在3ds Max場(chǎng)景中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2012（20）：182.

[15] 王大虎，史艷楠，陳文博.基于3DMAX和Premiere的煤礦安全培訓(xùn)系統(tǒng)[J].煤礦安全，2014，45（12）：230-232.

[16] 浦德蘭.解析Premiere軟件對(duì)多媒體元素的處理方法[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（4）：111.

[17] 苑麗賢.Premiere軟件對(duì)多媒體元素的處理方法研究[J].電子制作，2015（9）：76.

[18] 伍麗媛，宋健華.After Effects特效在電視欄目片頭中的應(yīng)用研究與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2015，11（7）：225.

[19] 王國(guó)武，丁必要.渦街流量計(jì)寬量程性能研究與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015（5）：109-111.

（責(zé)任編輯：黃 健）