王大虎， 盧正帥， 賈 倩

(河南理工大學(xué)，電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

電磁流量計(jì)的三維可視化研究

王大虎， 盧正帥， 賈 倩

(河南理工大學(xué)，電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)是一門專業(yè)實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，但是教學(xué)過程中學(xué)生往往只聽原理不見實(shí)物和內(nèi)部構(gòu)造，造成學(xué)習(xí)興趣差、教學(xué)效果差和動(dòng)手能力不強(qiáng)等現(xiàn)象。傳感器體積大、笨重，教師上課隨身攜帶不便，課堂現(xiàn)場拆解耽誤時(shí)間影響教學(xué)。通過采用三維可視化技術(shù)，以電磁流量計(jì)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了電磁流量計(jì)三維仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)采用3Ds Max建模軟件建立電磁流量計(jì)三維模型，然后將模型導(dǎo)入到視頻編輯軟件Premiere中，利用Premier強(qiáng)大的編輯功能開發(fā)了電磁流量計(jì)三維仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了講解電磁流量計(jì)原理、展示內(nèi)部構(gòu)造和模擬電磁流量計(jì)測量原理功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有畫面逼真、聲音清晰和使用簡便等優(yōu)點(diǎn)。

電磁流量計(jì)； 三維可視化； 課堂教學(xué)； 仿真

0 引 言

電磁流量計(jì)基于電磁感應(yīng)原理，利用導(dǎo)電流體經(jīng)過電磁外加磁場時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢來測量導(dǎo)電流體的流量。電磁流量計(jì)是一種常見的檢測流量的傳感器，具有成本低、測量范圍大和精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。

自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)課程專業(yè)實(shí)踐性強(qiáng)，因此在教學(xué)過程中要求理論與實(shí)踐結(jié)合。課堂教學(xué)教師想攜帶實(shí)物但礙于傳感器體積笨重，想讓學(xué)生親眼看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)但現(xiàn)場拆解耽誤時(shí)間影響教學(xué)，導(dǎo)致了學(xué)生只聽原理不見實(shí)物造成學(xué)習(xí)興趣差效率低的現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)前課堂講解的方式主要有兩種:(1)教師口述；(2)Flash動(dòng)畫演示并結(jié)合講解?？谑鱿鄬?duì)抽象，印象不深刻，記憶效果差。動(dòng)畫演示，便于理解原理，但和實(shí)際偏差大。

針對(duì)上述問題，通過采用三維可視化技術(shù)，以電磁流量計(jì)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了畫面逼真、聲音清晰和使用簡便的電磁流量計(jì)三維仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)開發(fā)軟件

1.1 建模軟件

3Ds Max具有對(duì)PC配置要求低，安裝插件方便，角色動(dòng)畫制作能力強(qiáng)和建模步驟可堆疊的優(yōu)點(diǎn)，因此選擇3Ds Max作為建模工具。建模是三維可視的第一步，模型的好壞直接影響最終的表現(xiàn)效果。為保證模型的精度和準(zhǔn)確度，在建模時(shí)應(yīng)注意:①保持模型的尺寸應(yīng)與電磁流量計(jì)的實(shí)際尺寸一致；②保持模型的基點(diǎn)與3D Max場景中的中心一致；③模型應(yīng)抓住電磁流量計(jì)的主體輪廓，盡可能減少面數(shù)，以減少計(jì)算數(shù)據(jù)量[4-6]。

1.2 視頻編輯軟件

Adobe Premiere是一款專業(yè)非線性視頻編輯軟件,操作簡便,特技眾多，廣泛用于廣告制作、影視剪輯和動(dòng)畫制作等領(lǐng)域，具有良好的兼容性，可以和Adobe推出的其他軟件配合使用[3]。為保證視頻編輯質(zhì)量，在編輯時(shí)應(yīng)注意:①選擇合適的編輯軟件；②盡量搜集足夠的素材；③少使用長鏡頭，切換鏡頭間隔15 s左右；④注意保存的尺寸和格式。

1.3 輔助軟件

模型制作需要貼圖，圖片來源于現(xiàn)場拍攝，但是受限于時(shí)間和光照等因素的影響，在貼圖之前需要對(duì)圖像進(jìn)行光照、色度調(diào)整，同時(shí)取景時(shí)摻雜地面和試驗(yàn)臺(tái)背景等因素，需要利用“仿制圖章”工具進(jìn)行修復(fù)。Adobe Photoshop 是一款專業(yè)的圖像處理軟件，功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于平面設(shè)計(jì)、廣告制作、網(wǎng)頁制作和處理三維貼圖等領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

三維仿真系統(tǒng)由模型制作和動(dòng)畫合成兩部分組成。模型制作包括建模、材質(zhì)貼圖、燈光攝影機(jī)、關(guān)鍵幀動(dòng)畫和渲染。動(dòng)畫合成包括腳本和字幕。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

(1) 模型制作。①建模是三維可視化的第一步，模型的好壞直接影響最終的表現(xiàn)效果。常用的建模方法有多邊形建模、NURBS建模、復(fù)合對(duì)象建模和網(wǎng)格建模等。多邊形建模是將對(duì)象轉(zhuǎn)化成可編輯的多邊形通過對(duì)該多邊形對(duì)象的多個(gè)子對(duì)象進(jìn)行編輯和修改來實(shí)現(xiàn)。NURBS建模，也稱曲線建模，在制作樣條線時(shí)可使用NURBS曲線，通過Lathe(車削)等修改器生成

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

基于NURBS曲線的3D曲面[7]。網(wǎng)格建模法采用“網(wǎng)格修改器”在頂點(diǎn)、邊、面三種子對(duì)象層級(jí)上編輯物體。在建模的過程中，往往針對(duì)同一個(gè)對(duì)象根據(jù)實(shí)際操作的需要采用多種建模方法來創(chuàng)建模型。模型能夠表現(xiàn)物體的外觀，但不能展示物體的表面效果。②材質(zhì)和貼圖能夠表現(xiàn)物體的表面紋理。常見的貼圖方法有位圖貼圖、噪波貼圖和棋盤格貼圖等。實(shí)際的貼圖之后還需要對(duì)圖片的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)需要用到UVW貼圖坐標(biāo)修改器修改貼圖的位置和形態(tài)等。③燈光可以烘托場景氣氛，使場景更加逼真。場景攝影機(jī)提供用戶自定義視角，通過攝影機(jī)來全方位的觀察對(duì)象。④關(guān)鍵幀動(dòng)畫。3Ds Max中的動(dòng)畫主要有關(guān)鍵幀動(dòng)畫、運(yùn)動(dòng)學(xué)、粒子動(dòng)畫和reactor動(dòng)力學(xué)4種類型，關(guān)鍵幀動(dòng)畫是最基本的動(dòng)畫類型。⑤渲染是將三維場景轉(zhuǎn)化為二維圖像用來對(duì)場景中的各種效果進(jìn)行輸出。

(2) 動(dòng)畫合成。①編寫文字腳本，然后采用軟件Cool Edit制作音頻。②字幕是將語音內(nèi)容以文字的形式顯示，幫助觀眾理解內(nèi)容。

3 系統(tǒng)開發(fā)過程

3.1 模型制作

模型制作。建模是模型制作第一個(gè)環(huán)節(jié)，三維場景中所有要表現(xiàn)的內(nèi)容都要靠模型來體現(xiàn)，模型的精確與否直接影響到最終的表現(xiàn)結(jié)果是否準(zhǔn)確。在建模之前要先分析建模對(duì)象，電磁流量計(jì)外殼主要由圓柱和長方體構(gòu)成，采用多邊形建模法較好。以螺栓模型為例，首先創(chuàng)建一個(gè)圓柱在修改器面板里設(shè)置高度、半徑，然后圖形中選擇樣條線找到多邊形，設(shè)置多邊形的邊數(shù)為6，半徑大于圓柱的半徑，將多邊形轉(zhuǎn)化為可編輯的多邊形，在修改器列表中找到擠出設(shè)置參數(shù)為封口類型勾選始端末端變形，輸出勾選網(wǎng)格。將平面六邊行轉(zhuǎn)化為可編輯的網(wǎng)格，在修改器列表中選擇選擇面擠出。將做好的六面體與圓柱進(jìn)行在X、Y軸平面內(nèi)對(duì)齊，在左視圖中調(diào)整六面體和圓柱上表面的位置，然后在命令面板中樣條線菜單下選擇螺旋線色設(shè)置半徑1和半徑2的大小、螺旋線的高度、圈數(shù)和偏移量，做好后將其繞在圓柱的周圍代表螺栓的螺紋。最后將圓柱體、六邊體和螺旋線打成組命名為螺栓，其余的四個(gè)相同的螺栓直接通過復(fù)制粘貼即可。制作好的電磁流量計(jì)外殼模型如圖2所示。

圖2 電磁流量計(jì)外殼模型

現(xiàn)場拍攝的銘牌照片受限于拍攝角度和環(huán)境摻雜實(shí)驗(yàn)臺(tái)和儀器，貼圖之前需要對(duì)其進(jìn)行使用Photoshop軟件中的裁剪工具和仿制圖章工具進(jìn)行修復(fù)，然后在命令面板中調(diào)整圖像的亮度/對(duì)比度、色階和色彩平衡，處理完成后保存為jpg格式以備貼圖。處理前后的圖像對(duì)比圖見圖3。貼圖，首先將對(duì)像轉(zhuǎn)化為可編輯的多邊形，選擇可編輯多邊形狀態(tài)下選擇編輯層級(jí)為多邊形，然后選定貼圖的面，在修改器卷展欄下選擇UV坐標(biāo)最后選擇UVW貼圖[8-10]。打開材質(zhì)編輯器找到貼圖將貼圖賦予材質(zhì)球，然后將材質(zhì)球指定給選定對(duì)象。初步貼圖后是不精確的，此時(shí)需要使用UVW貼圖坐標(biāo)修改器修改貼圖的位置和貼圖的大小。

圖3 圖像處理前后對(duì)比圖

燈光可以照亮場景，使場景中的對(duì)象產(chǎn)生陰影。為了使表現(xiàn)的效果更加真實(shí)，需要給場景添加燈光。使用攝影機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以擺放在場景中的任意位置，給用戶提供自定義的視角。在制作關(guān)鍵幀動(dòng)畫時(shí)，采用目標(biāo)攝像機(jī)由遠(yuǎn)及近來觀察電磁流量計(jì)。為了全方位的觀察電磁流量計(jì)的外觀，需要在透視窗口下創(chuàng)建一架“自由攝像機(jī)”。

關(guān)鍵幀動(dòng)畫就是指制作出幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間短的場景，然后中間的動(dòng)畫由計(jì)算機(jī)來完成。在制作電磁流量計(jì)三維動(dòng)畫的過程中，要注意物體和攝像機(jī)不能同時(shí)移動(dòng)，否則輸出的序列幀中會(huì)產(chǎn)生“抖動(dòng)”現(xiàn)象。

在3Ds Max中完成的場景稱為工程文件，只有對(duì)場景進(jìn)行渲染，才能將材質(zhì)、燈光及特效表現(xiàn)出來?！澳J(rèn)掃描線渲染器”是3Ds Max最基本的渲染器，渲染速度快，可以將場景渲染成一系列的水平線，因此選擇掃描線渲染器。在渲染器輸出設(shè)置對(duì)話框中，公用選項(xiàng)欄勾選設(shè)置渲染幀的范圍，幀的編號(hào)，渲染區(qū)域選擇視圖，輸出大小為1280×960。在默認(rèn)掃描線渲染器選項(xiàng)框下勾選貼圖、陰影和自動(dòng)反射/折射和鏡像選項(xiàng)，過濾器選Catmull-Rom選項(xiàng)[11]。實(shí)物和渲染出的三維模型如圖4所示。

圖4 實(shí)物與渲染模型對(duì)比圖

3.2 動(dòng)畫合成

腳本制作。首先搜集電磁流量計(jì)資料，獲取電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和原理等信息，制作文字腳本。然后采用軟件Cool Edit將文字腳本轉(zhuǎn)化為音頻腳本，WAV音效好接近無損音樂格式，將音頻保存為WAV格式。

Premiere文字工具提供了創(chuàng)建清晰生動(dòng)文字所需要的各種功能，使用“字幕屬性”面板可以修改字幕的大小、字體，并且可以為文字創(chuàng)建陰影和浮雕效果。本文使用的小標(biāo)題的文字樣式選擇黑體，字號(hào)為36點(diǎn)，屏下方字的樣式選擇黑體，字號(hào)為33點(diǎn)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖5為電磁流量計(jì)三維仿真系統(tǒng)視頻播放組圖。

(1) 結(jié)構(gòu)。電磁流量計(jì)由轉(zhuǎn)換器、表體和連接桿等構(gòu)成。轉(zhuǎn)換器由電極、傳感器、信號(hào)放大電路、外圍電路、數(shù)據(jù)顯示模塊等構(gòu)成；表體和連接桿由轉(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)等組成。流量計(jì)的測量管是一種裝有一對(duì)測量電極的內(nèi)襯絕緣材料的非導(dǎo)磁合金短管，兩只電極沿管徑方向穿通管壁固定在測量管上。其電極頭與襯里內(nèi)表面基本齊平。

(2) 測量。由兩方波脈沖勵(lì)磁時(shí)，將在與測量管軸線垂直的方向上產(chǎn)生一磁通量密度為B的工作磁場。當(dāng)導(dǎo)電流體以平均流速v(m/s)通過測量管，將切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢E，其方向垂直于磁場和流體的方向。E正比于磁通量密度B，測量管內(nèi)徑d與平均流速v的乘積[12-14]。E(流量信號(hào))由電極檢出并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器將流量信號(hào)放大處理后，可顯示流體流量，并能輸出脈沖，模擬電流等信號(hào)，用于流量的控制和調(diào)節(jié)。結(jié)合式(1)～(3)可以推導(dǎo)出流量計(jì)算式(4)。

(a)

(b)

(c)

E=kBDv

(1)

Q=Sv

(2)

(3)

(4)

式中：k為儀表常數(shù)；E為為電極間的信號(hào)電壓(V)；B為磁通密度(T)；D為測量管內(nèi)徑(m)；v為平均流速(m/s)；S為測量導(dǎo)管的橫截面積(m2)。

5 結(jié) 語

采用三維可視化技術(shù)，以電磁流量計(jì)為研究對(duì)象開發(fā)的電磁流量計(jì)三維仿真系統(tǒng)解決了自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)課程教學(xué)中學(xué)生只聽原理不見實(shí)物，教師攜帶實(shí)物不便和課堂現(xiàn)場拆解耽誤時(shí)間影響教學(xué)等問題。系統(tǒng)具有畫面逼真、聲音清晰和使用簡便的優(yōu)點(diǎn)，能夠幫助學(xué)生快速掌握電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和減輕教師教學(xué)負(fù)擔(dān)。

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·名人名言·

只有嚴(yán)格的專業(yè)化能使學(xué)者在某一時(shí)刻,大概也是他一生中唯一的時(shí)刻,相信自己取得了一項(xiàng)真正能夠傳至久遠(yuǎn)的成就。今天,任何真正明確而有價(jià)值的成就,肯定也是一項(xiàng)專業(yè)成就。

——馬克斯·韋伯

Research on 3D Visualization of Electromagnetic Flowmeter

WANGDa-hu,LUZheng-shuai，JIAQian

(School of Electrical Engineer and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Hunan, China)

Automatic detection and conversion technology is a highly practical subject, but students often only listen to the principle of the physical and can not see the internal structure in the teaching process, and result in low efficiency. Sensor device is bulky, the teacher carry it to the class is inconvenience, the classroom scene dismantling delay time influence teaching. By using 3D visualization technique, using electromagnetic flowmeter as research object, this paper designs a 3D simulation system for electromagnetic flowmeter. Firstly, 3ds Max modeling software is used to build three-dimensional model of the electromagnetic flowmeter, and then the model is imported into video editing software Premiere. A three-dimensional simulation system for electromagnetic flowmeter is developed by Premiere powerful editing functions, it realizes the explanation principle of electromagnetic flowmeter, shows the internal structure and the simulation of electromagnetic flowmeter measurement principle. The experimental results show that the system has the advantages of vivid picture, clear sound and easy for use.

electromagnetic flow meter; 3D visualization; classroom teaching; simulation

2016-04-05

王大虎(1969-)，男，江蘇徐州人，博士，副教授，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

Tel.:18903911101; E-mail:18903911101@163.com

盧正帥(1989-)，男，河南周口人，碩士生，主要研究方向虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中的應(yīng)用。

Tel.:18839122593; E-mail:1071162847@qq.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)01-0104-04