电磁流量计的三维可视化研究

王大虎， 卢正帅， 贾 倩

(河南理工大学，电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)

电磁流量计的三维可视化研究

王大虎， 卢正帅， 贾 倩

(河南理工大学，电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)

自动检测与转换技术是一门专业实践性极强的学科，但是教学过程中学生往往只听原理不见实物和内部构造，造成学习兴趣差、教学效果差和动手能力不强等现象。传感器体积大、笨重，教师上课随身携带不便，课堂现场拆解耽误时间影响教学。通过采用三维可视化技术，以电磁流量计为研究对象，设计了电磁流量计三维仿真系统。系统采用3Ds Max建模软件建立电磁流量计三维模型，然后将模型导入到视频编辑软件Premiere中，利用Premier强大的编辑功能开发了电磁流量计三维仿真系统，实现了讲解电磁流量计原理、展示内部构造和模拟电磁流量计测量原理功能。实验结果表明，系统具有画面逼真、声音清晰和使用简便等优点。

电磁流量计； 三维可视化； 课堂教学； 仿真

0 引 言

电磁流量计基于电磁感应原理，利用导电流体经过电磁外加磁场时产生电动势来测量导电流体的流量。电磁流量计是一种常见的检测流量的传感器，具有成本低、测量范围大和精度高等优点，因此在工业领域应用广泛[1-3]。

自动检测与转换技术课程专业实践性强，因此在教学过程中要求理论与实践结合。课堂教学教师想携带实物但碍于传感器体积笨重，想让学生亲眼看到内部结构但现场拆解耽误时间影响教学，导致了学生只听原理不见实物造成学习兴趣差效率低的现象发生。当前课堂讲解的方式主要有两种:(1)教师口述；(2)Flash动画演示并结合讲解。口述相对抽象，印象不深刻，记忆效果差。动画演示，便于理解原理，但和实际偏差大。

针对上述问题，通过采用三维可视化技术，以电磁流量计为研究对象，设计了画面逼真、声音清晰和使用简便的电磁流量计三维仿真系统。

1 系统开发软件

1.1 建模软件

3Ds Max具有对PC配置要求低，安装插件方便，角色动画制作能力强和建模步骤可堆叠的优点，因此选择3Ds Max作为建模工具。建模是三维可视的第一步，模型的好坏直接影响最终的表现效果。为保证模型的精度和准确度，在建模时应注意:①保持模型的尺寸应与电磁流量计的实际尺寸一致；②保持模型的基点与3D Max场景中的中心一致；③模型应抓住电磁流量计的主体轮廓，尽可能减少面数，以减少计算数据量[4-6]。

1.2 视频编辑软件

Adobe Premiere是一款专业非线性视频编辑软件,操作简便,特技众多，广泛用于广告制作、影视剪辑和动画制作等领域，具有良好的兼容性，可以和Adobe推出的其他软件配合使用[3]。为保证视频编辑质量，在编辑时应注意:①选择合适的编辑软件；②尽量搜集足够的素材；③少使用长镜头，切换镜头间隔15 s左右；④注意保存的尺寸和格式。

1.3 辅助软件

模型制作需要贴图，图片来源于现场拍摄，但是受限于时间和光照等因素的影响，在贴图之前需要对图像进行光照、色度调整，同时取景时掺杂地面和试验台背景等因素，需要利用“仿制图章”工具进行修复。Adobe Photoshop 是一款专业的图像处理软件，功能强大，广泛应用于平面设计、广告制作、网页制作和处理三维贴图等领域。

2 系统总体设计

三维仿真系统由模型制作和动画合成两部分组成。模型制作包括建模、材质贴图、灯光摄影机、关键帧动画和渲染。动画合成包括脚本和字幕。系统设计流程如图1所示。

(1) 模型制作。①建模是三维可视化的第一步，模型的好坏直接影响最终的表现效果。常用的建模方法有多边形建模、NURBS建模、复合对象建模和网格建模等。多边形建模是将对象转化成可编辑的多边形通过对该多边形对象的多个子对象进行编辑和修改来实现。NURBS建模，也称曲线建模，在制作样条线时可使用NURBS曲线，通过Lathe(车削)等修改器生成

图1 系统设计流程图

基于NURBS曲线的3D曲面[7]。网格建模法采用“网格修改器”在顶点、边、面三种子对象层级上编辑物体。在建模的过程中，往往针对同一个对象根据实际操作的需要采用多种建模方法来创建模型。模型能够表现物体的外观，但不能展示物体的表面效果。②材质和贴图能够表现物体的表面纹理。常见的贴图方法有位图贴图、噪波贴图和棋盘格贴图等。实际的贴图之后还需要对图片的参数进行设置，同时需要用到UVW贴图坐标修改器修改贴图的位置和形态等。③灯光可以烘托场景气氛，使场景更加逼真。场景摄影机提供用户自定义视角，通过摄影机来全方位的观察对象。④关键帧动画。3Ds Max中的动画主要有关键帧动画、运动学、粒子动画和reactor动力学4种类型，关键帧动画是最基本的动画类型。⑤渲染是将三维场景转化为二维图像用来对场景中的各种效果进行输出。

(2) 动画合成。①编写文字脚本，然后采用软件Cool Edit制作音频。②字幕是将语音内容以文字的形式显示，帮助观众理解内容。

3 系统开发过程

3.1 模型制作

模型制作。建模是模型制作第一个环节，三维场景中所有要表现的内容都要靠模型来体现，模型的精确与否直接影响到最终的表现结果是否准确。在建模之前要先分析建模对象，电磁流量计外壳主要由圆柱和长方体构成，采用多边形建模法较好。以螺栓模型为例，首先创建一个圆柱在修改器面板里设置高度、半径，然后图形中选择样条线找到多边形，设置多边形的边数为6，半径大于圆柱的半径，将多边形转化为可编辑的多边形，在修改器列表中找到挤出设置参数为封口类型勾选始端末端变形，输出勾选网格。将平面六边行转化为可编辑的网格，在修改器列表中选择选择面挤出。将做好的六面体与圆柱进行在X、Y轴平面内对齐，在左视图中调整六面体和圆柱上表面的位置，然后在命令面板中样条线菜单下选择螺旋线色设置半径1和半径2的大小、螺旋线的高度、圈数和偏移量，做好后将其绕在圆柱的周围代表螺栓的螺纹。最后将圆柱体、六边体和螺旋线打成组命名为螺栓，其余的四个相同的螺栓直接通过复制粘贴即可。制作好的电磁流量计外壳模型如图2所示。

图2 电磁流量计外壳模型

现场拍摄的铭牌照片受限于拍摄角度和环境掺杂实验台和仪器，贴图之前需要对其进行使用Photoshop软件中的裁剪工具和仿制图章工具进行修复，然后在命令面板中调整图像的亮度/对比度、色阶和色彩平衡，处理完成后保存为jpg格式以备贴图。处理前后的图像对比图见图3。贴图，首先将对像转化为可编辑的多边形，选择可编辑多边形状态下选择编辑层级为多边形，然后选定贴图的面，在修改器卷展栏下选择UV坐标最后选择UVW贴图[8-10]。打开材质编辑器找到贴图将贴图赋予材质球，然后将材质球指定给选定对象。初步贴图后是不精确的，此时需要使用UVW贴图坐标修改器修改贴图的位置和贴图的大小。

图3 图像处理前后对比图

灯光可以照亮场景，使场景中的对象产生阴影。为了使表现的效果更加真实，需要给场景添加灯光。使用摄影机的优点是可以摆放在场景中的任意位置，给用户提供自定义的视角。在制作关键帧动画时，采用目标摄像机由远及近来观察电磁流量计。为了全方位的观察电磁流量计的外观，需要在透视窗口下创建一架“自由摄像机”。

关键帧动画就是指制作出几个关键时间短的场景，然后中间的动画由计算机来完成。在制作电磁流量计三维动画的过程中，要注意物体和摄像机不能同时移动，否则输出的序列帧中会产生“抖动”现象。

在3Ds Max中完成的场景称为工程文件，只有对场景进行渲染，才能将材质、灯光及特效表现出来。“默认扫描线渲染器”是3Ds Max最基本的渲染器，渲染速度快，可以将场景渲染成一系列的水平线，因此选择扫描线渲染器。在渲染器输出设置对话框中，公用选项栏勾选设置渲染帧的范围，帧的编号，渲染区域选择视图，输出大小为1280×960。在默认扫描线渲染器选项框下勾选贴图、阴影和自动反射/折射和镜像选项，过滤器选Catmull-Rom选项[11]。实物和渲染出的三维模型如图4所示。

图4 实物与渲染模型对比图

3.2 动画合成

脚本制作。首先搜集电磁流量计资料，获取电磁流量计的结构、特点和原理等信息，制作文字脚本。然后采用软件Cool Edit将文字脚本转化为音频脚本，WAV音效好接近无损音乐格式，将音频保存为WAV格式。

Premiere文字工具提供了创建清晰生动文字所需要的各种功能，使用“字幕属性”面板可以修改字幕的大小、字体，并且可以为文字创建阴影和浮雕效果。本文使用的小标题的文字样式选择黑体，字号为36点，屏下方字的样式选择黑体，字号为33点。

4 系统实现

图5为电磁流量计三维仿真系统视频播放组图。

(1) 结构。电磁流量计由转换器、表体和连接杆等构成。转换器由电极、传感器、信号放大电路、外围电路、数据显示模块等构成；表体和连接杆由转换器外壳、支架连接杆、转换器安全螺栓、表体机械结构等组成。流量计的测量管是一种装有一对测量电极的内衬绝缘材料的非导磁合金短管，两只电极沿管径方向穿通管壁固定在测量管上。其电极头与衬里内表面基本齐平。

(2) 测量。由两方波脉冲励磁时，将在与测量管轴线垂直的方向上产生一磁通量密度为B的工作磁场。当导电流体以平均流速v(m/s)通过测量管，将切割磁力线感应出电动势E，其方向垂直于磁场和流体的方向。E正比于磁通量密度B，测量管内径d与平均流速v的乘积[12-14]。E(流量信号)由电极检出并通过电缆送至转换器。转换器将流量信号放大处理后，可显示流体流量，并能输出脉冲，模拟电流等信号，用于流量的控制和调节。结合式(1)～(3)可以推导出流量计算式(4)。

(a)

(b)

(c)

E=kBDv

(1)

Q=Sv

(2)

(3)

(4)

式中：k为仪表常数；E为为电极间的信号电压(V)；B为磁通密度(T)；D为测量管内径(m)；v为平均流速(m/s)；S为测量导管的横截面积(m2)。

5 结 语

采用三维可视化技术，以电磁流量计为研究对象开发的电磁流量计三维仿真系统解决了自动检测与转换技术课程教学中学生只听原理不见实物，教师携带实物不便和课堂现场拆解耽误时间影响教学等问题。系统具有画面逼真、声音清晰和使用简便的优点，能够帮助学生快速掌握电磁流量计结构原理，激发学生的学习兴趣和减轻教师教学负担。

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·名人名言·

只有严格的专业化能使学者在某一时刻,大概也是他一生中唯一的时刻,相信自己取得了一项真正能够传至久远的成就。今天,任何真正明确而有价值的成就,肯定也是一项专业成就。

——马克斯·韦伯

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，江苏徐州人，博士，副教授，主要研究方向：虚拟现实技术。

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

卢正帅(1989-)，男，河南周口人，硕士生，主要研究方向虚拟现实技术在实验室教学中的应用。

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

TP 391.9

A

1006-7167(2017)01-0104-04