數(shù)字視頻技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

數(shù)字視頻技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的教育方式是教師站在教室里向?qū)W生解釋道德教育。學(xué)生們坐在下面上課。19世紀(jì)中期,世界各地的大學(xué)開始興盛,原本的教師口述,學(xué)生口記的教學(xué)方式,因?yàn)閷W(xué)生人數(shù)的增多而越來越顯現(xiàn)出它的不便。因此,歐洲和美國開始把原本小型、非固定的黑色布告欄增大,以便遠(yuǎn)處的學(xué)生抄寫教師的口述。但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,各種現(xiàn)代化科技成果被運(yùn)用到教學(xué)中,既推動了教學(xué)手段的更新,又促進(jìn)了教學(xué)方法的改革?，F(xiàn)如今互聯(lián)網(wǎng)已進(jìn)入千家萬戶,通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻教學(xué)的工作已被提上議事日程。一、數(shù)字視頻技術(shù)在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用20世紀(jì)90年代后期,以多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的信息技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。這些技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用,引起了“教育思想、教育內(nèi)容、教育方法、教育模式、教育過程”等諸多方面的變革另外,隨著科技的發(fā)展,越來越多的數(shù)字視頻技術(shù)介入到教學(xué)活動中。與單純的視頻錄像相比,數(shù)字視頻可編輯性更強(qiáng)而且有更加生動的圖象,這使得數(shù)字視頻技術(shù)的應(yīng)用更加多元化。二、數(shù)字視頻教學(xué)課件的制作普通的教學(xué)模式由于受到時(shí)間和空間的限制,導(dǎo)致學(xué)生不能盡情地汲取教學(xué)中的精華,使得教師的教學(xué)存在一定的局限性。為了打破這種局限性,筆者制作了數(shù)字視頻教學(xué)課件。本課件采用虛擬教師與真實(shí)教室相結(jié)合的形式,對課上內(nèi)容進(jìn)行了重現(xiàn)性教學(xué)。(一)應(yīng)用中遇到的技術(shù)困難和處理在將數(shù)字視頻技術(shù)引入到“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中時(shí),筆者遇到了以下3方面的技術(shù)難點(diǎn)。1.運(yùn)動軌跡反求要想實(shí)現(xiàn)三維虛擬教師與真實(shí)環(huán)境的融合,就必須要考慮到一個現(xiàn)實(shí)的問題,即運(yùn)動匹配,也就是說如何讓三維教師與真實(shí)拍攝的攝像機(jī)擁有同樣的機(jī)位運(yùn)動路線。針對上述問題,筆者首先采用3dsmax建模的方式制作了三維虛擬教師的模型,同時(shí)用攝像機(jī)在教室拍攝了教室場景。然后采用二維畫面跟蹤技術(shù)解決運(yùn)動匹配問題。但二維畫面跟蹤技術(shù)有著自身的局限性,在后期合成階段,二維畫面跟蹤技術(shù)只能跟蹤“畫面內(nèi)”物體的運(yùn)動,而對于“畫面外”攝像機(jī)的運(yùn)動則顯得無能為力。另外,畫面中被跟蹤物體的透視變化也只能通過“四點(diǎn)跟蹤”技術(shù)模擬出來,這同實(shí)際拍攝中的物體透視變化有著本質(zhì)的區(qū)別,因此當(dāng)被跟蹤物體出現(xiàn)被遮擋或出畫面的情況發(fā)生時(shí),“四點(diǎn)跟蹤”技術(shù)就往往無法完成精確的跟蹤操作,這時(shí)就需要采用攝像機(jī)運(yùn)動軌跡反求技術(shù)。攝像機(jī)運(yùn)動軌跡反求技術(shù)是根據(jù)畫面中像素的明度、飽和度、色相3大要素篩選出畫面中具有“特征”的像素,并跟蹤這類像素的運(yùn)動軌跡,從而獲得拍攝該畫面的攝像機(jī)在每幀的運(yùn)動軌跡和參數(shù)變化。在獲得這些參數(shù)后,創(chuàng)作人員可以在三維動畫軟件包中加入一個與實(shí)拍環(huán)境下攝像機(jī)運(yùn)動相匹配的虛擬攝像機(jī),從而給機(jī)位運(yùn)動的畫面添加合成用的3D物體或背景,得到與運(yùn)動匹配的圖像。其工作流程圖見圖1。2.音引擎轉(zhuǎn)化的聲音為實(shí)現(xiàn)聲音與虛擬的三維人物的匹配,并保證聲音的穩(wěn)定性,此次教學(xué)音頻的制作采用了文字轉(zhuǎn)聲音軟件。經(jīng)過試驗(yàn)筆者發(fā)現(xiàn)運(yùn)用TTS語音引擎轉(zhuǎn)化的聲音既符合虛擬的三維人物的形象又不會太過機(jī)械化。TTS是TextToSpeech的縮寫,即“從文本到語音”,它是人機(jī)對話的一部分,它讓機(jī)器能夠說話。它的特有的智能語音控制器使得文本輸出的語音音律流暢,讓聽者在聽取信息時(shí)感覺自然流暢,沒有機(jī)器語音輸出的冷漠與生澀。另外,采用文字轉(zhuǎn)聲音輸出音頻文件的方法還解決了錄制音頻的口音、口誤、語調(diào)、語速和耗時(shí)等問題。3.聲音時(shí)長調(diào)節(jié)動畫幀數(shù)為了使動畫同聲音基本同步,實(shí)現(xiàn)動作與聲音的匹配,筆者采用聲音時(shí)長調(diào)節(jié)動畫幀數(shù)的方法解決問題。首先,獲得音頻內(nèi)容;其次,根據(jù)其時(shí)長調(diào)節(jié)人物口型動畫以及結(jié)合講解內(nèi)容調(diào)節(jié)人物動作;最后,使聲音和畫面同步匹配。(二)圖像育種教材的生產(chǎn)1.后期視頻制作首先,收集整理現(xiàn)有的有關(guān)數(shù)字圖像處理的課件資料,根據(jù)資料內(nèi)容安排每堂課的具體內(nèi)容;其次,對上課的內(nèi)容進(jìn)行整合,把PPT轉(zhuǎn)化為JPG圖片,并在Photoshop中批量轉(zhuǎn)化尺寸,用于后期視頻的制作;最后,收集教室、課堂的實(shí)際環(huán)境的圖像和視頻資料,以此為參考設(shè)計(jì)攝像機(jī)的機(jī)位與畫面的景別等,制作出分鏡頭腳本。(2)視頻技術(shù)軟件設(shè)計(jì)此次制作中涉及到的軟件比較多,下面簡單介紹一下常用軟件。1圖像處理軟件(Photoshop軟件)。應(yīng)用此軟件對部分圖片進(jìn)行尺寸和色彩的處理。2三維動畫渲染和制作軟件(3dsmax軟件)。應(yīng)用該軟件進(jìn)行人物和部分場景的建模渲染。3攝像機(jī)跟蹤軟件(Boujou軟件)。應(yīng)用此軟件可以自動跟蹤視頻中的特征點(diǎn),從而反求出攝像機(jī)運(yùn)動軌跡,實(shí)現(xiàn)與三維軟件和后期軟件的對接。4文本轉(zhuǎn)語音軟件TTSUU(Text-to-speechUniversalUtili-ty)。應(yīng)用此軟件把授課內(nèi)容中的文字內(nèi)容轉(zhuǎn)化為語音進(jìn)行輸出。5屏幕錄像和編輯的軟件(Camta-siaStudio軟件)。應(yīng)用此軟件對一些具體操作內(nèi)容進(jìn)行屏幕錄制,方便學(xué)生理解操作。6視頻剪輯及設(shè)計(jì)軟件(AffterEffects軟件)。應(yīng)用該軟件把分層渲染的素材進(jìn)行合成輸出。7視頻編輯軟件(Premiere軟件)。應(yīng)用此軟件對視頻、圖片、音頻等素材進(jìn)行合成和最終輸出。2.生產(chǎn)中期產(chǎn)品(1)拍攝鏡頭的注意事項(xiàng)根據(jù)前期調(diào)研好的機(jī)位和景別,依照分鏡頭腳本,調(diào)整好攝像機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)后在教室中進(jìn)行拍攝。需要注意的是為了方便后期的合成制作,拍攝的素材為空視頻,即沒有人物只有場景的視頻。這樣可以減小后期制作的難度。(2)虛擬人物的搭建在三維動畫渲染和制作軟件3dsmax中進(jìn)行虛擬人物的搭建。首先,建立人物模型,并給模型添加材質(zhì)和貼圖;其次,進(jìn)行燈光的架設(shè);最后,綁定骨骼,以便進(jìn)行動作的調(diào)節(jié)。(3)文本代碼和朗讀軟件此次教學(xué)音頻的制作主要是采用微軟TTS軟件的語音引擎功能對講解內(nèi)容進(jìn)行音頻轉(zhuǎn)化。TTS軟件的文本轉(zhuǎn)語音技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟,市場上也出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的TTS軟件,比較有代表性的是一款叫做TTSUU(Text-to-SpeechUniversalUtility)的國產(chǎn)文本朗讀軟件,此款軟件能朗讀和復(fù)讀幾乎任何語言的文本內(nèi)容,把文本導(dǎo)出成WAV和MP3格式文件。TTSUU文本朗讀軟件使用起來方便快捷,朗讀聲音質(zhì)量滿足要求?？梢圆捎檬止ぽ斎?、拷貝粘貼、打開TXT文本文件、WORD文件以及PDF文件等方式對文本內(nèi)容進(jìn)行朗讀,進(jìn)而迅速地導(dǎo)出音頻文件。只要輸入課堂講解的文字內(nèi)容,就能輕松地得到音頻文件。(4)運(yùn)動軌跡獲取把真實(shí)的課堂與虛擬的三維人物進(jìn)行合成。此過程使用到的軟件為Boujou與3dsmax。Boujou軟件的核心技術(shù)便是跟蹤功能。對導(dǎo)入素材進(jìn)行調(diào)整處理后,Boujou軟件就能根據(jù)圖像素材自動跟蹤視頻畫面中的特征點(diǎn),從而智能跟蹤出素材中各物體運(yùn)動軌跡信息。Boujou軟件中的TrackFeatures功能將針對圖像素材完成跟蹤。在Boujou軟件的跟蹤結(jié)果中,可以得到數(shù)量眾多的跟蹤點(diǎn),點(diǎn)的運(yùn)動直接反映出圖像素材中物體的運(yùn)動,同時(shí)通過這些跟蹤點(diǎn),Boujou軟件即可智能反求出對應(yīng)的攝像機(jī)的運(yùn)動軌跡信息。Boujou軟件還提供了方便快捷的輸出工具ExportCamera。輸出格式多樣而且十分快捷,實(shí)現(xiàn)了Boujou軟件與其他三維軟件和后期特效軟件的對接,例如3dsmax軟件和AffterEffects軟件的對接。此例中使用了Bou-jou軟件與3dsmax軟件的對接,信息輸出后,打開3dsmax軟件運(yùn)行腳本,導(dǎo)入從Boujou軟件中導(dǎo)出的信息,此時(shí)在3dsmax軟件中就會出現(xiàn)一個完整的攝像機(jī)運(yùn)動軌跡。為了進(jìn)一步確認(rèn)軌跡的正確性,可以導(dǎo)入背景視頻進(jìn)行對照驗(yàn)證,然后就可以在場景中構(gòu)造需要的三維虛擬物體,這樣就實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)的融合。(5)口型動作調(diào)節(jié)在三維動畫渲染和制作軟件3dsmax中對人物的動作進(jìn)行調(diào)節(jié),分層渲染輸出。由于人物動作與聲音要協(xié)調(diào)一致,所以調(diào)節(jié)口型動作以及人物動作時(shí)要特別注意根據(jù)音頻的時(shí)長調(diào)節(jié)好幀數(shù)。為了方便后期虛擬人物與真實(shí)環(huán)境的合成,筆者采用分層渲染的方式,增加層次感。(6)課前學(xué)習(xí)對一些操作性強(qiáng)和講解性強(qiáng)的部分采用屏幕錄制的方式,讓學(xué)生一邊觀看圖像一邊聆聽講解,以便更加迅速和深刻地了解授課內(nèi)容。此次采用的是CamtasiaStudio屏幕錄制軟件,這個軟件視頻畫面清晰、操作方便快捷。3.等待最終完成三、數(shù)字化教學(xué)模式有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣伴隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,采用數(shù)字視頻技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的方式越來越被廣大學(xué)生所接受,本文只是探索了虛擬人物與真實(shí)課堂相結(jié)合的教學(xué)方式,今后還將繼續(xù)探索研究虛擬人物與網(wǎng)絡(luò)用戶的互動方式,目的是提升用戶的沉浸感和產(chǎn)品的互動性。而真正實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生隨時(shí)隨地想學(xué)就學(xué),并且進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)的趣味性,讓學(xué)生學(xué)得開心、學(xué)得牢固、學(xué)以致用。隨著數(shù)字視頻技術(shù)走向成熟,數(shù)字化的教學(xué)資源逐步被人們熟知和使用。它能把書本知識變得更為直觀形象、圖文并茂、情景交融,讓學(xué)生通過多種感覺接收知識,這有利于學(xué)生獲得技藝,提高學(xué)生理解運(yùn)用知識的能力在視頻剪輯及設(shè)計(jì)軟件Affte