摘要:自動檢測與轉(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)為研究時(shí)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)大的編揮功能開發(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)則量原理功能。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)。

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。
   自動檢測與轉(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動畫演示并結(jié)合講解?？谑鱿鄬Τ橄?，印象不深刻，記憶效果差。動畫演示，便于理解原理，但和實(shí)際偏差大。
   針對上述問題，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：
  3 Ds Max具有對PC配置要求低，安裝插件方便，角色動畫制作能力強(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。建模是三維可視的步，模型的好壞直接影響***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[4b]。
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f’]。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5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)鍵幀動畫和渲染。動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步，模型的好壞直接影響***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)合對象建模和網(wǎng)格建模等。多邊形建模是將對象轉(zhuǎn)化成可編輯的多邊形通過對該多邊形對象的多個(gè)子對象進(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[’〕。網(wǎng)格建模法采用“網(wǎng)格修改器”在頂點(diǎn)、邊、面三種子對象層級上編輯物體。在建模的過程中，往往針對同一個(gè)對象根據(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)來全方位的觀察對象。④關(guān)鍵幀動畫。3Ds Max中的動畫主要有關(guān)鍵幀動畫、運(yùn)動學(xué)、粒子動畫和reactor動力學(xué)4種類型，關(guān)鍵幀動畫是***基本的動畫類型。⑤渲染是將三維場景轉(zhuǎn)化為二維圖像用來對場景中的各種效果進(jìn)行輸出。
   (2)動畫合成。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)，模型的與否直接影響到***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。***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)臺和儀器，貼圖之前需要對其進(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。處理前后的圖像對比圖見圖3。貼圖，首先將對像轉(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)***后選擇UVW貼圖。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)球指定給選定對象。初步貼圖后是不的，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圖像處理前后對比圖

    燈光可以照亮場景，使場景中的對象產(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，然后中間的動畫由計(jì)算機(jī)來完成。在制作電磁流量計(jì)三維動畫的過程中，要注意物體和攝像機(jī)不能同時(shí)移動，否則輸出的序列幀中會產(chǎn)生“抖動”現(xiàn)象。
   在3 Ds Max中完成的場景稱為工程文件，只有對場景進(jìn)行渲染，才能將材質(zhì)、燈光及特效表現(xiàn)出來。“默認(rèn)掃描線渲染器”是3Ds Max***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)置對話框中，公用選項(xiàng)欄勾選設(shè)置渲染幀的范圍，幀的編號，渲染區(qū)域選擇視圖，輸出大小為1280 x 960。在默認(rèn)掃描線渲染器選項(xiàng)框下勾選貼圖、陰影和自動反射/折射和鏡像選項(xiàng)，過濾器選Catmull-Rom選項(xiàng)[。實(shí)物和渲染出的三維模型如圖4所示。

圖4實(shí)物與渲染模型對比圖

3.2、動畫合成：
  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，字號為36點(diǎn)，屏下方字的樣式選擇黑體，字號為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。( m/s)通過測量管，將切

圖5視頻播放組圖
割磁力線感應(yīng)出電動勢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。的乘積yz-ia}。   E0(流量信號)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，用于流量的控制和調(diào)節(jié)。結(jié)合式(1)一(3)可以推導(dǎo)出流量計(jì)算式(4)。                      E=kBDv(t)                      口=Sv(2)                S=-rrDz /4(3)                Q=rEDI ( 4k8 )      ( 4)式中:k為儀表常數(shù);;E為為電極間的信號電壓(V);B為磁通密度(T);D為測量管內(nèi)徑(m);。為平均流速( m/s) ;S為測量導(dǎo)管的橫截面積(mZ)0mz)。

5、結(jié)語：
   采用三維可視化技術(shù)，以電磁流量計(jì)為研究對象開發(fā)的電磁流量計(jì)三維仿真系統(tǒng)解決了自動檢測與轉(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)。