王大虎 賈倩 盧正帥

摘 要：針對渦街流量計教學(xué)存在課堂教學(xué)不夠直觀、理論知識抽象難懂的問題，提出一種基于三維動畫的教學(xué)方案。該方案實現(xiàn)主要經(jīng)過3個步驟：三維模型構(gòu)建、各部件分解展示及三維動畫合成。首先，利用3ds Max建立檢測放大器、表體和連接桿等器件模型，然后利用三維動畫技術(shù)對液體渦街流量計各部件組成結(jié)構(gòu)進行分解展示，最后將聲音、文字、背景音樂內(nèi)容經(jīng)Adobe Premiere合成三維動畫，并完成液體渦街流量計教學(xué)知識的詳細講解。該新式教學(xué)方法更加直觀、形象，相較于原本枯燥的書本教學(xué)，能夠提高學(xué)生學(xué)習熱情，達到良好的學(xué)習效果。

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

DOI：10.11907/rjdk.172764

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A 文章編號：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)自動化領(lǐng)域的重要檢測參數(shù)之一。渦街流量計在流量計量中應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于石油化工、治金機械、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、測量原理、參數(shù)整定、信號檢測、調(diào)整和校驗方法等知識。

學(xué)生對渦街流量計的學(xué)習大多是通過書本這種傳統(tǒng)方式，以文字描述流量計組成結(jié)構(gòu)、測量原理和流體流動形式等。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，無法達到理想的教學(xué)效果。因此，采用正確的教學(xué)方法對于學(xué)生而言尤為重要[5]。張?zhí)m紅等[6]將Proteus仿真技術(shù)引入單片機教學(xué)過程，采用軟硬件結(jié)合的教學(xué)方式，實現(xiàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(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程中的應(yīng)用，對紋理創(chuàng)建、圖形界面設(shè)計等技術(shù)進行研究，實現(xiàn)了對虛擬儀器仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)；宋佳憶等[10]基于CFD對渦街流量計最佳取壓位置進行三維流場特性仿真。然而，以上研究均采用二維圖形符號代替真實儀器，缺乏對儀器外觀形態(tài)的仿真，而且沒有針對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理等方面的教學(xué)內(nèi)容。

針對以上問題，以液體渦街流量計為例，采用3ds Max與Adobe Premiere制作三維動畫，對其結(jié)構(gòu)進行從整體到局部、從外部到內(nèi)部的分解展示，同時通過動畫對液體渦街流量計測量原理與流體流動形勢進行剖面展示，再經(jīng)動畫結(jié)合音頻及文字實現(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、形象，具有直觀性，令學(xué)生更容易理解掌握相關(guān)知識，同時有助于增進其學(xué)習熱情，提高學(xué)習效率。

1 動畫制作流程

首先通過3ds Max建立液體渦街流量計的基本模型，包括由漩渦發(fā)生體、渦街流量傳感器、信號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)模型特點采用不同材質(zhì)，通過設(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，并通過添加燈光模擬真實光影效果；接著對模型進行渲染，渲染完成后輸出動畫序列幀，并將序列幀素材導(dǎo)入Adobe Premiere軟件合成動畫；最后利用Adobe After Effects和Adobe Photoshop軟件制作中間及片頭效果、動畫平面，對液體渦街流量計結(jié)構(gòu)形式、測量原理、流體流動形式及特點等腳本進行配音，同時將配音及背景音樂導(dǎo)入Adobe Premiere中合成，并根據(jù)需求配上字幕，輸出動畫。動畫制作流程如圖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)建必須準確、完整。在體現(xiàn)渦街流量計整體特征的基礎(chǔ)上，模型表現(xiàn)出越多細節(jié)，越能真實、準確地展現(xiàn)三維場景，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建模工具。3ds Max是美國Autodesk公司旗下開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維模型動畫制作和圖片渲染軟件[11]。因其具有功能強大、操作簡單、上手容易等特點廣泛應(yīng)用于廣告與多媒體制作、建筑與景觀設(shè)計、輔助教學(xué)以及動畫設(shè)計等領(lǐng)域。

采用3ds Max建模之前需觀察液體渦街流量計整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再開始進行建模。首先在3ds Max中對整體的3個部分建模，建模時先選擇各部件所需的基本幾何體，并進行參數(shù)修改；然后將相應(yīng)的基本幾何體進行塌陷處理，形成可編輯的多邊形，并對其點、線、邊界、面和元素級別利用倒角、擠出、切角等命令進行修改，直至各部分模型創(chuàng)建完成。其中檢測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，需要分別對這些內(nèi)部構(gòu)件進行建模；最后利用移動、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UV展開賦予模型真實的材質(zhì)貼圖，使其看起來更接近實物。貼圖完成后需要進行布光，燈光也是三維建模制作中不可缺少的一部分，可增強物體表現(xiàn)力[12]。通過添加局部光源和整體光源，同時調(diào)整模型表面對光線的吸收、反射、投射參數(shù)，可產(chǎn)生真實的視覺感觸。本文采用的燈光為主體光、補充光和背景光。為更好地體現(xiàn)渦街流量計的模型質(zhì)感，增加整體輪廓清晰度，利用主體光對液體渦街流量計整體模型與周圍區(qū)域進行照明，以決定場景明暗及投影方向；為使燈光能廣泛均勻分布，采用補充光對光線缺口及對象陰暗面進行光線填充；為進一步襯托渦街流量計主體，使主體與背景分離，采用背景光以增加背景亮度。

2.2 動畫序列幀渲染輸出

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，需要對模型進行渲染。渲染是對三維場景的數(shù)字化描述，產(chǎn)生動畫序列幀，以使圖像達到照片般的真實感。渲染作為整個流程的最后一步，用來對場景中的各種效果進行輸出。因此，要達到理想效果，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。下面對幾種渲染器特點進行對比[11，13-14]，如表1所示。

通過對比結(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。Vray渲染器是由Cha-os Group公司開發(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插件，而且設(shè)置十分簡便，現(xiàn)已融入3ds Max軟件系統(tǒng)中。同時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，需要進行相關(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，對液體渦街流量計模型進行渲染輸出。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模型顏色單一、缺乏質(zhì)感，畫面表現(xiàn)一般，而渲染后模型光澤度提高，更具立體感與真實感。

3 視頻合成及導(dǎo)出

渲染出圖后模型將進行三維動畫制作的最后一步：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，可對圖像中的層進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)編寫的視頻腳本進行配音，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)圖片及動畫序列，使其與音頻相對應(yīng)。為使制作出的視頻畫面更加連續(xù)、流暢，利用“視頻切換”特效對每個圖片及動畫序列進行處理，可避免因畫面切換產(chǎn)生停頓現(xiàn)象。采用Adobe After Effects軟件為液體渦街流量計視頻教學(xué)動畫制作標題和片頭，最后根據(jù)需要為動畫配上相應(yīng)字幕及特效，還可加入背景音樂以達到更好的效果。經(jīng)以上過程制出的動畫不再只有運動的畫面和文字，而是集畫面、文字、音頻及背景音樂于一體。圖4為視頻合成界面。

4 效果展示

液體渦街流量三維動畫對渦街流量計外觀、整體組成結(jié)構(gòu)、特點、參數(shù)整定和信號檢測、調(diào)整和校驗方法、測量原理等進行了形象展示，同時可對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行拆分展現(xiàn)，并通過音頻與字幕進行詳細、生動的講解。例如，渦街流量計的測量原理是其中的核心知識點，在教學(xué)中十分抽象難懂，而通過視頻展示可清楚、直觀地看到液體在流量計內(nèi)部的流動形式（見圖5），畫面效果逼真，運動的畫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，還將抽象的問題簡單化，令學(xué)生更容易理解，從而輕松掌握相關(guān)知識。該教學(xué)視頻可取代枯燥的書本教學(xué)方式，達到更好的教學(xué)效果。

5 結(jié)語

本文提出一種將三維動畫應(yīng)用于渦街流量計教學(xué)的方法，對三維建模、模型渲染、導(dǎo)出、視頻合成等技術(shù)進行研究。該新型教學(xué)方式與以往傳統(tǒng)、枯燥的教學(xué)模式相比，更加直觀且具有畫面感，從而大大增強了學(xué)生學(xué)習熱情，提高了學(xué)習效率，取得了良好的教學(xué)效果。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，三維動畫教學(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。

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（責任編輯：黃 ?。?/p>