錢佳偉

(蘇州市高新區(qū)第一中學(xué) 江蘇 蘇州 215009)

顧靈溪

(蘇州高新區(qū)實驗初級中學(xué) 江蘇 蘇州 215011)

?

教育技術(shù)應(yīng)用

運(yùn)用高速攝像和計算機(jī)軟件制作頻閃照片

錢佳偉

(蘇州市高新區(qū)第一中學(xué) 江蘇 蘇州 215009)

顧靈溪

(蘇州高新區(qū)實驗初級中學(xué) 江蘇 蘇州 215011)

比起傳統(tǒng)的制作方法，通過高速攝像獲取頻閃照片素材，再利用Free Video to JPG Converter以及Photoshop等軟件合成頻閃照片，兼具實踐性和可操作性，在中學(xué)物理教學(xué)容易開展和實施.

頻閃照片 高速攝像 Free Video to JPG Converter Photoshop

頻閃照片在中學(xué)物理教學(xué)中出現(xiàn)的早期，制作大多依賴單反相機(jī)和專業(yè)高速攝影機(jī)的高速連拍功能.這種方法操作困難、成本較高，中學(xué)生很難實際操作.近年來，市面上涌現(xiàn)不少具備良好高速攝像素質(zhì)的數(shù)碼攝影產(chǎn)品，如智能手機(jī)、運(yùn)動相機(jī)等.這些產(chǎn)品的高速攝像功能恰能滿足制作頻閃照片的要求，可謂另辟蹊徑.用高速攝像配合相應(yīng)電腦軟件來制作頻閃照片方便、快捷，大大降低了制作成本和操作難度，為頻閃照片在中學(xué)物理教學(xué)中的廣泛運(yùn)用奠定了基礎(chǔ).

1 高速攝像獲取素材

1.1 高速攝像簡介

高速攝像是指以很高的頻率記錄一個動態(tài)的影像.基于人眼的視覺暫留，要記錄一個動態(tài)的影像只需拍攝數(shù)個靜止的連貫圖片，再按一定時間、速度播放圖片，人眼看畫面就動起來了.單位時間拍攝和播放圖片的張數(shù)用幀率(fps)來表示.普通數(shù)碼相機(jī)的幀率只有30 fps，而專業(yè)高速攝像機(jī)的幀率可以達(dá)到數(shù)萬fps.

1.2 高速攝像器材

目前不少家用的數(shù)碼攝影產(chǎn)品已經(jīng)能夠很好地支持高速攝像.為了更好地了解目前市場上數(shù)碼攝影產(chǎn)品高速攝像功能的支持情況，筆者在京東商城、蘇寧易購、國美在線三大電商平臺的自營店進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查.根據(jù)調(diào)查情況，筆者給出了以下幾款推薦使用的高速攝像器材(詳見表1).

表1 高速攝像(≥120 fps)器材推薦表

1.3 高速攝像操作

在高速攝像模式下，機(jī)器默認(rèn)的曝光時間較短，因此環(huán)境光線須充足明亮.拍攝時的背景要求單一，被拍攝的物體與背景的對比度明顯[1]，便于后期處理.也可視具體實驗在背景上標(biāo)注相應(yīng)刻度、參照尺.機(jī)器用三腳架或其他裝置固定靜置于水平地面，調(diào)整機(jī)器機(jī)身使其與水平面平行.機(jī)器與背景的距離一般控制在2 m左右[2].不宜太近，否則容易造成仰拍和俯拍；也不宜過遠(yuǎn)，否則容易拍不清物體.

機(jī)器參數(shù)的設(shè)置則較為簡單，無須單反相機(jī)高速連拍那樣繁瑣的設(shè)置.手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、運(yùn)動相機(jī)等均有專門的高速攝像模式，在系統(tǒng)中設(shè)置高速攝像模式后，點擊開始或者按一下快門鍵即可開始高速攝像，再次點擊開始按鈕便停止錄像.為了避免在拍攝開始和結(jié)束時，因手指點擊造成機(jī)身抖動而使圖像模糊，可采用提前錄制、延后停止和使用快門線(手機(jī)耳機(jī)線)的方法.如果是有多種幀率和分辨率的高速攝像模式，根據(jù)實際需求選擇即可.

2 頻閃照片的合成

2.1 操作簡介

頻閃照片的合成是指將許多時間間隔非常短的連續(xù)單張圖片合成為一張頻閃照片的過程.不同于高速連拍直接獲得連續(xù)單張圖片，高速攝像獲得的視頻須通過計算機(jī)軟件進(jìn)行截取和處理，獲得許多時間間隔非常短的連續(xù)單張圖片，再用來合成.

2.2 所需軟件

目前主流的視頻播放軟件都具有視頻截取功能，能對視頻長度進(jìn)行縮減，截取有用部分.截取過后的視頻再通過視頻截圖軟件Free Video to JPG Converter按一定時間間隔或者幀率間隔進(jìn)行截圖，也可以進(jìn)行逐幀截圖，得到多張時間間隔相等的連續(xù)單張圖片.本文中對高速攝像視頻截取所使用的視頻軟件是QQ影音.對多張圖片合成為一張頻閃照片所使用的軟件是Adobe Photoshop CS6.

2.3 操作流程(以測定小球自由落體加速度的實驗為例)

2.3.1 高速攝像視頻的截取和處理

(1)用QQ影音打開要截取的高速攝像視頻(以120 fps為例).

(2)點擊鼠標(biāo)右鍵選擇“轉(zhuǎn)碼/截取/合并”中的“視頻/音頻截取”(圖1).

圖1 視頻截取

(3)拖動“滑竿”選擇截取范圍，也可使用“微調(diào)”，對截取范圍進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整(圖2).

圖2 精準(zhǔn)調(diào)整截取范圍

(4)調(diào)整完畢點擊“保存”，選擇“無損保存視頻”.

(5)打開Free Video to JPG Converter，點擊“添加文件”，選擇截取過的高速攝像視頻文件；點擊“每幀”，并選擇截圖保存路徑(圖3).

圖3 添加要逐幀截圖的文件

(6)點擊“轉(zhuǎn)換按鈕”，開始對視頻進(jìn)行逐幀截圖(圖4).

圖4 開始逐幀截圖

(7)等待軟件自動截圖完成.

(8)找到合適的截圖，每6張取一個樣張，即前后樣張之間的時間間隔為0.05 s.

2.3.2 頻閃照片的合成

(1)打開Adobe Photoshop CS6，單擊“文件”菜單中的“打開”，選擇需要的頻閃照片，在鍵盤上按住shift鍵全選照片或按ctrl鍵逐一選擇所需的照片.

(2)將所有照片剪切到同一圖像文件中，把8張照片按照小球位置由上而下(或由下而上)的順序分別排布在背景圖層、圖層1、圖層2、圖層3……

(3)點擊“圖層”窗口中的“添加圖層蒙版”，為圖層7添加蒙板(圖5).

圖5 添加圖層蒙板

(4)當(dāng)在蒙板上涂色時，涂黑色的地方蒙板變?yōu)椴煌该?，看不見?dāng)前圖層的圖片；涂白色則使涂色部分變?yōu)橥该?，可看到?dāng)前圖層上的圖像.因此，為了使圖層7的相關(guān)部分不可見,露出圖層6中相應(yīng)位置的小球，選用黑色對圖層7的蒙板進(jìn)行涂色.選中圖層7的蒙板，使用“畫筆”工具，將其“前景色”設(shè)置為黑色，然后對圖層7中小球上方位置進(jìn)行涂抹[3].涂抹時要細(xì)心，可以適當(dāng)調(diào)整圖層7的透明度來尋找圖層6中小球的正確位置(圖6).涂抹過程中應(yīng)注意不能將圖層7中的小球涂抹掉，必要時可以適當(dāng)調(diào)整畫筆大小，涂抹完成后可以看到圖層6中的小球(圖7).

圖6 改變圖層透明度

圖7 涂抹完成

(5)右擊圖層7，點擊“向下合并”，將圖層7和圖層6進(jìn)行合并.

(6)重復(fù)(3)、(4)、(5)操作，直至將所有照片合并成一張完整的頻閃照片(圖8).

圖8 合并完畢

(7)點擊“菜單”中的“另存為”，選擇合適的圖片格式進(jìn)行保存.

3 與傳統(tǒng)制作方法的對比

3.1 器材更易獲得

傳統(tǒng)的制作方法需要借助單反或者專業(yè)高速攝影機(jī).相比手機(jī)、平板電腦等幾乎人手一部的數(shù)碼產(chǎn)品而言，單反的普及率明顯較低.在前面的調(diào)查過程中筆者發(fā)現(xiàn)，從2014年起各手機(jī)品牌推出的旗艦型號，均支持120 fps及以上的高速攝像，都能用來獲取頻閃照片素材，因此筆者主要推薦手機(jī)作為拍攝器材.

3.2 操作更簡便

使用相機(jī)的高速連拍功能進(jìn)行素材的獲取，往往需要進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置不當(dāng)可能導(dǎo)致“拖尾”現(xiàn)象.相反，高速攝像模式幾乎是“一鍵傻瓜式”，只需在機(jī)器內(nèi)選擇高速攝像模式即可進(jìn)行拍攝.

3.3 數(shù)據(jù)更精確

4 頻閃照片的應(yīng)用

以目前普通高中采用較廣的人教版高中物理教材為例，整套教材共有 11處使用了頻閃照片.頻閃照片的使用不僅能直觀簡潔地展現(xiàn)物理現(xiàn)象，而且極大地方便了學(xué)生對物理規(guī)律的探究.下面以其中幾例做簡要分析.

(1)《必修1》第26頁利用頻閃照片展現(xiàn)飛機(jī)起飛的過程(圖9)，可以看出在相同的時間間隔中，飛機(jī)的位移不斷增大，即每段位移對應(yīng)的平均速度在增大，飛機(jī)在加速.

圖9 飛機(jī)起飛過程的頻閃照片

(2)《必修2》第75頁改變單擺擺長前后的頻閃照片(圖10).從某一高度A點靜止釋放小球，用直尺在P點擋住懸線改變擺長，小球依舊能到達(dá)與A點同一水平高度的地方.通過觀察小球速度的變化能夠定性判斷小球動能的變化情況，進(jìn)而推出小球重力勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化情況.

圖10 改變單擺擺長前后的頻閃照片

(3)《選修3-4》第2頁彈簧振子的頻閃照片(圖11)是使用頻閃儀制作的，制作原理與本文介紹的類似，只是操作方法上有所區(qū)別.頻閃儀每0.05 s閃光一次，閃光的瞬間振子被照亮.拍攝時底片從右向左勻速運(yùn)動，因此在底片上留下了小球和彈簧的一系列像，相鄰兩個像之間的時間間隔為0.05 s.圖中兩個坐標(biāo)軸分別代表時間和小球位移，因此它就是小球在平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動時的位移-時間圖像，從圖像中就能得出彈簧振子往復(fù)運(yùn)動的有關(guān)規(guī)律.

圖11 彈簧振子的頻閃照片

總的來說，教材中頻閃照片的應(yīng)用，可以歸為以下5類:

(1)研究物體做直線運(yùn)動的速度問題;

(2)研究勻變速直線運(yùn)動的加速問題;

(3)研究曲線運(yùn)動如平拋運(yùn)動的問題;

(4)研究簡諧振動的問題;

(5)研究碰撞中的動量守恒問題.

這些問題都涉及到牛頓運(yùn)動學(xué)的相關(guān)知識.

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，“將信息技術(shù)與物理課程整合，既有利于學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識和技能，又有利于培養(yǎng)學(xué)生收集信息、處理信息、傳遞信息的能力.”類似于高速攝像和計算機(jī)軟件等信息技術(shù)完全可以用來服務(wù)物理教學(xué)，為物理課程提供豐富的課程資源.

本文所述的頻閃照片的制作方法，就運(yùn)用了上述信息技術(shù)，并且操作簡便，器材容易獲取，打破了學(xué)生動手實踐的障礙.

5.2 展望

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)碼攝影產(chǎn)品的高速攝像功能在不斷強(qiáng)化，拍攝幀率和分辨率越來越高.但受限于現(xiàn)階段的技術(shù)條件，頻閃照片的應(yīng)用仍然局限于宏觀物體的低速運(yùn)動(相對于微觀物體的高速運(yùn)動而言)，這就限制了頻閃照片在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用.

雖然目前對微觀物質(zhì)的高速運(yùn)動還很難用頻閃照片的方式來展現(xiàn)，但也并非絕無可能.華盛頓大學(xué)的學(xué)者不久前公布了他們的最新技術(shù)——CUP(壓縮超高速攝像)，能夠以每秒1 000億幀的幀率“追逐”光.或許在未來，普通中學(xué)生也能夠在實驗室通過高速攝像和頻閃照片等手段直接測出光速了，那是多么令人興奮的事情！

1 陳杰，孫麗莉.頻閃照片在物理教學(xué)中的運(yùn)用.中國教育技術(shù)裝備，2008(5):57～59

2 趙振清.巧用數(shù)碼相機(jī)拓展物理實驗.中國電化教育，2009(7):96～98

3 趙陽陽，吳偉.用photoshop獲取物理素材頻閃照片的三種有效方法.物理教學(xué)探討，2010，28(16):53～54

2015-09-17)