運用高速攝像和計算機軟件制作頻閃照片

2016-12-19 08:44:49錢佳偉

物理通報 2016年2期

錢佳偉

(蘇州市高新區第一中學江蘇蘇州 215009)

顧靈溪

(蘇州高新區實驗初級中學江蘇蘇州 215011)

教育技術應用

運用高速攝像和計算機軟件制作頻閃照片

錢佳偉

(蘇州市高新區第一中學江蘇蘇州 215009)

顧靈溪

(蘇州高新區實驗初級中學江蘇蘇州 215011)

比起傳統的制作方法，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，在中學物理教學容易開展和實施.

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

頻閃照片在中學物理教學中出現的早期，制作大多依賴單反相機和專業高速攝影機的高速連拍功能.這種方法操作困難、成本較高，中學生很難實際操作.近年來，市面上涌現不少具備良好高速攝像素質的數碼攝影產品，如智能手機、運動相機等.這些產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，為頻閃照片在中學物理教學中的廣泛運用奠定了基礎.

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的影像.基于人眼的視覺暫留，要記錄一個動態的影像只需拍攝數個靜止的連貫圖片，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用幀率(fps)來表示.普通數碼相機的幀率只有30 fps，而專業高速攝像機的幀率可以達到數萬fps.

1.2 高速攝像器材

目前不少家用的數碼攝影產品已經能夠很好地支持高速攝像.為了更好地了解目前市場上數碼攝影產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行了相關調查.根據調查情況，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，機器默認的曝光時間較短，因此環境光線須充足明亮.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注相應刻度、參照尺.機器用三腳架或其他裝置固定靜置于水平地面，調整機器機身使其與水平面平行.機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，否則容易拍不清物體.

機器參數的設置則較為簡單，無須單反相機高速連拍那樣繁瑣的設置.手機、數碼相機、運動相機等均有專門的高速攝像模式，在系統中設置高速攝像模式后，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束時，因手指點擊造成機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(手機耳機線)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單張圖片，高速攝像獲得的視頻須通過計算機軟件進行截取和處理，獲得許多時間間隔非常短的連續單張圖片，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行截圖，也可以進行逐幀截圖，得到多張時間間隔相等的連續單張圖片.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)點擊鼠標右鍵選擇“轉碼/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”，對截取范圍進行精準調整(圖2).

圖2 精準調整截取范圍

(4)調整完畢點擊“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“轉換按鈕”，開始對視頻進行逐幀截圖(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)當在蒙板上涂色時，涂黑色的地方蒙板變為不透明，看不見當前圖層的圖片；涂白色則使涂色部分變為透明，可看到當前圖層上的圖像.因此，為了使圖層7的相關部分不可見,露出圖層6中相應位置的小球，選用黑色對圖層7的蒙板進行涂色.選中圖層7的蒙板，使用“畫筆”工具，將其“前景色”設置為黑色，然后對圖層7中小球上方位置進行涂抹[3].涂抹時要細心，可以適當調整圖層7的透明度來尋找圖層6中小球的正確位置(圖6).涂抹過程中應注意不能將圖層7中的小球涂抹掉，必要時可以適當調整畫筆大小，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進行合并.

(6)重復(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行保存.

3 與傳統制作方法的對比

3.1 器材更易獲得

傳統的制作方法需要借助單反或者專業高速攝影機.相比手機、平板電腦等幾乎人手一部的數碼產品而言，單反的普及率明顯較低.在前面的調查過程中筆者發現，從2014年起各手機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作為拍攝器材.

3.2 操作更簡便

使用相機的高速連拍功能進行素材的獲取，往往需要進行復雜的參數設置，設置不當可能導致“拖尾”現象.相反，高速攝像模式幾乎是“一鍵傻瓜式”，只需在機器內選擇高速攝像模式即可進行拍攝.

3.3 數據更精確

4 頻閃照片的應用

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物理現象，而且極大地方便了學生對物理規律的探究.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飛機起飛的過程(圖9)，可以看出在相同的時間間隔中，飛機的位移不斷增大，即每段位移對應的平均速度在增大，飛機在加速.

圖9 飛機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，進而推出小球重力勢能與動能的相互轉化情況.

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運動時的位移-時間圖像，從圖像中就能得出彈簧振子往復運動的有關規律.