Bewegungsanalyse mit einem Video (Tracker): Unterschied zwischen den Versionen

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Mit einem Videoanalyseprogramm lassen sich Bewegungen, die man auf einem Video festhält, analysieren.
 
Mit einem Videoanalyseprogramm lassen sich Bewegungen, die man auf einem Video festhält, analysieren.
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Durch die Markierung eines Punktes auf jedem Einzelbild entsteht eine Folge von Orten, die Bahnkurve des Objekts.
 
Durch die Markierung eines Punktes auf jedem Einzelbild entsteht eine Folge von Orten, die Bahnkurve des Objekts.
  
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Kennt man die Anzahl der Bilder pro Sekunde, so kann man das Orts- (s-t), Geschwindigkeit- (v-t) und das Beschleunigungsdiagramm (a-t) erstellen.
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Kennt man die Anzahl der Bilder pro Sekunde, so kann man das Orts- (t-s), Geschwindigkeit- (t-v) und das Beschleunigungsdiagramm (t-a) erstellen.
  
 
Gute Analyseprogramme erlauben auch noch die Erstellung von Funktionsgleichungen aus den Diagrammen, sowie die Berechnung von Ableitungen und Integralen oder die Berechnung von abgeleiteten Größen wie den Impuls oder die Energie.
 
Gute Analyseprogramme erlauben auch noch die Erstellung von Funktionsgleichungen aus den Diagrammen, sowie die Berechnung von Ableitungen und Integralen oder die Berechnung von abgeleiteten Größen wie den Impuls oder die Energie.
  
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<gallery widths=200px  perrow=7 caption="Ein Bagger wird angeschubst und rollt aus">
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<gallery widths=200px  perrow=3 caption="Ein Bagger wird angeschubst und rollt aus">
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  Bild:Bagger_rollt_aus.jpg|Der Bagger
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  Bild:Bagger_rollt_aus_gespiegelt.jpg|Die Ausgangssituation <br /> ([[Media:Bagger_rollt_aus_gespiegelt.ogg|Video anschauen]] ; [[Media:Bagger_rollt_aus_gespiegelt.zip|als avi runterladen]])
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  Bild:Bagger_rollt_aus_x-y-Diagramm.png|Die Bahnkurve (x-y-Diagramm)
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  Bild:Bagger rollt aus x-y-Diagramm Tracker.png|Die Bahnkurve (x-y-Diagramm)
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  Bild:Bagger_rollt_aus_x-t-Diagramm.png|Das Ortsdiagramm (s-t)
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  Bild:Bagger rollt aus x-t-Diagramm Tracker.png|Das Ortsdiagramm (t-x)
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  Bild:Bagger_rollt_aus_vx-t-Diagramm.png|Das Geschwindigkeitsdiagramm (v-t)
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  Bild:leer.jpg
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Bild:Bagger rollt aus vx-t-Diagramm Tracker.png|Das Geschwindigkeitsdiagramm (t-vx)
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Bild:Bagger rollt aus ax-t-Diagramm Tracker.png|Das Beschleunigungsdiagramm (t-ax)
 
</gallery>
 
</gallery>
  
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==Analyse von fertigen Videos; Anleitung für "Tracker"==
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==Analyse von fertigen Videos mit "Tracker"==
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[[Datei:Tracker_Logo.png|thumb]]
 
[[Datei:Tracker_Logo.png|thumb]]
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Das Programm "Tracker" ist Teil des Open Source Physics Projects und bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten und ist dafür noch relativ einfach zu bedienen. ([http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/ Download] auf der Homepage)
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Das Programm "Tracker" ist Teil des Open Source Physics Projects, bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten und ist dafür noch relativ einfach zu bedienen. ([https://physlets.org/tracker/ Download] auf der Homepage)
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; 1) VIANA starten
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===Film laden und Markierungen setzen===
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: In der Schule: Programme > Medien > Viana 364 und zu Hause von http://www.didaktik.physik.uni-due.de/viana/ herunterladen.
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====Film anschauen====
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; 2) Film laden
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{|
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; 3) Anzahl der Bilder einstellen
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|valign="top"|
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: z.B. 25 oder 30 Bilder pro Sekunde. (Öffnet man das Video mit dem Player "vlc", so wird unter Extras > Codecinformation die Anzahl angezeigt.)
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[[Datei:Tracker Öffnen.png|128px|thumb|none|oder Datei > Öffnen.. aus dem Menü]]
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; 4) Automatische Analyse
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|valign="top"|
−
:Die automatische Analyse funktioniert nur, wenn das Objekt oder eine spezielle Markierung sich farblich ganz klar vom Hintergrund absetzt.
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[[Datei:Tracker Wiedergabe1.png|framed|none|Wiedergabe in der unteren Leiste.]]
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:Zunächst klickt man den Knopf "automatisch". Es erscheinen 4 Bedienfelder mit 4 Hilfetexten (?), die man lesen sollte.
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|valign="top"|
−
:Bedienfeld 1 ist zum Betrachten des Videos.
+
[[Datei:Tracker Wiedergabe2.png|framed|none|Ohne die Haken bei "Alle Schritte" und "Smooth Play" ist die Wiedergabe schneller.]]
−
:Dann klickt man auf das zu verfolgende Objekt. Unter "Objektfarbe" wird nun die gewählte Farbe angezeigt. Es ist ratsam das Suchgebiet so klein wie möglich zu wählen.
+
|}
−
:Mit "Kalibrierung" legt man die Einheit der x- und y-Achse und den Ursprung fest.
+
−
:"Filmanalyse" startet die Berechnung und "Auswertung" zeigt die Diagramme.
+
−
; 4) Manuelle Analyse
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−
: Muss man machen, falls die automatische Analysa versagt. Ist evt. langwierig. Zunächst überlegt man sich welcher Teil des Objekts verfolgt werden soll. Z.B. die Hüfte, die Hand, die Hose, ein Rad, ...
+
−
:; a) Nullpunkt setzen
+
−
::  Das legt den Ursprung des Koordinatensystems fest. Meistens ist der Ausgangspunkt der Bewegung eine gute Wahl.
+
−
:; b) Kalibrieren
+
−
:: Damit legt man die Skalierung der x- und y-Achsen fest. Die Richtung der x-Achse ist immer nach rechts, die der y-Achse immer nach oben.
+
−
:;c) Erfassen
+
−
:: Für jedes Bild des Videos zeigt man dem Programm mit der linken Maustaste wo das zu verfolgende Objekt gerade ist. Mit der rechten Maustaste springt man ein Bild weiter.
+
−
; 5) Auswertung
+
−
: Man kann sich verschiedene Diagramme anzeigen lassen.
+
−
:*x-y: Zeigt die Bewegung im Raum, also die Bahnkurve.
+
−
:Meistens sind die Ortsdiagramme am genauesten:
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−
:*x-t: das Ortsdiagramm in x-Richtung
+
−
:*y-t: das Ortsdiagramm in y-Richtung
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−
:Die Geschwindigkeitsdiagramme sind oft sehr ungenau, wegen der schlechten Auflösung der Videos.  
+
−
:Bei Bewegungen, die parallel zur x- oder y-Achse verlaufen, verwendet man am besten auch nur die vx-t oder eben vy-t Diagramme.
+
−
:Die Achsen werden automatisch skaliert. Deshalb sieht man manchmal bei fast konstanten Größen, wenn sich z.B. die vy-Koordinate nicht ändert, ein "wirres  Rumgewackel" dieser Größe!!
+
−
:*v-t: in Bewegungsrichtung
+
−
:*vx-t:  in x-Richtung
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−
:*vy-t: in y-Richtung
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:Die Beschleunigungsdiagramme sind meistens unbrauchbar. Dafür benötigt man ein sehr gutes Video.
+
−
:*a-t: in Bewegungsrichtung
+
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:*ax-t: in x-Richtung
+
−
:*ay-t: in y-Richtung
+
−
; 6) Bearbeiten
+
−
: Man kann die Werte auch nachträglich per Hand in der unteren Tabelle korrigieren.
+
−
; 7) Speichern
+
−
:Leider kann man Diagramme nur mit einem Trick speichern: Ist das das Diagramm auf dem Monitor sichtbar, kann man mit der Taste "Print Screen" oder "Druck" ein Bildschirmfoto in die Zwischenablage legen. In einem Textverarbeitungsprogramm oder einem Bildbearbeitungsprogramm kann man dann das Diagramm einfügen.
+
  
−
: Die Daten kann man entweder als "Excel-Export" speichern. Dazu muss Excel auch installiert sein. Es werden die Zeit-, Orts-, Geschwindigkeits-, und Beschleunigungswerte gespeichert.  
+
{|
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:Oder als "Text-Format" speichern. Die erzeugte Datei kann auch von Open Office importiert werden. Allerdings gibt es Probleme mit dem Dezimalpunkt. Außerdem werden nur die Zeit- und Ortswerte gespeichert.
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|valign="top"|
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[[Datei:Tracker Wiedergabe3.png|framed|none|Mit den kleinen Markierungen kann man Anfang und Ende einstellen.]]
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|valign="top"|
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[[Datei:Tracker Wiedergabe4.png|framed|none|So kann man in einzelnen Schritten die Bildfolge betrachten.]]
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|}
  
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====Manuelle Eingabe der Position====
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[[Datei:Tracker NeuerTrack Manuell.png|right]]
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Zunächst muss man sich überlegen welchen Teil des sich bewegenden Objekts man verfolgen möchte. Im Beispiel des rollenden Baggers habe ich mich für das Vorderrad entschieden, weil es sich optisch gut von seiner Umgebung absetzt.
  
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Dann erstellt man unter Neu > Massenpunkt eine neue Folge von Orten, die "Track" genannt wird. Klickt man auf die dann erscheinende Taste "Masse A", so kann man unter anderem diesem Ort einen neuen Namen geben. Ich nenne ihn "Vorderrad".
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Nun folgt die eigentliche Eingabe. Dazu hält man die Umschalttaste (für die Großbuchstaben) gedrückt, sodass sich der Mauszeiger in ein kleines Rechteck verwandelt. Bei gedrückter Umschalttaste klickt man nun auf das zu verfolgende Objekt, bei mir die Mitte des Vorderrades. "Tracker" merkt sich diese Position und zeigt gleich das nächste Bild an. Nun kann man dort die Position markieren und so fort.
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In meinem Beispiel des Baggers muss ich 148 Positionen markieren.
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Spätestens jetzt sollte man das Projekt speichern, um die getane Arbeit zu sichern. Die Dateiendung lautet "*.trk".
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Für kurze Filme mit bis zu 100 Einzelbildern ist dies eine praktikable Methode, bei längeren Sequenzen von etwa 1000 Bildern ist man froh, das es auch anders gehen kann.
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====Automatisches Erkennen der Position====
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[[Datei:Tracker_NeuerTrack_Automatisch_Suchbereich.png|thumb]]
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Die automatische Analyse funktioniert nur, wenn das Objekt oder eine spezielle Markierung sich ganz klar vom Hintergrund absetzt. Im Fall des Baggers wurde bei der automatischen Positionserfassung des Vorderrades auf einmal auf das nachfolgende Hinterrad gewechselt. Deshalb soll jetzt die Achse der Schaufel verfolgt werden. Man hätte aber auch den grünen Baustein in der Ladeschaufel nehmen können.
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Man erstellt wieder unter Neu > Massenpunkt einen neuen Track. Ich nenne ihn "Bagger (Achse der Schaufel)".
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Nun wird am Anfang des Films die Achse markiert. (Das Bild mit dieser Markierung heisst "Key Frame".)
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Dazu hält man die Umschalttaste und die Steuerungstaste (Strg) gedrückt, der Mauszeiger verwandelt sich in einen kleinen Kreis. Bei gedrückten Tasten klickt man auf die zu verfolgende Stelle, bei mir die Mitte der Achse.
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Alternativ kann man auf den Massepunkt "Bagger (Achse der Schaufel)" klicken und im Menü "Autotrack.." auswählen.
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Nun erscheint ein kleiner roter Kreis in der Mitte und ein Rechteck drumherum. Der kleine Kreis markiert das Objekt, das Rechteck den Bereich, in dem nach diesem Objekt gesucht wird.
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Zieht man die unteren rechten Ecken mit der Maus, so kann man die Bereiche verändern. Zieht man an einer anderen Stelle des Kreises oder des Rechtecks, so kann man sie verschieben.
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Dann klickt man auf "Search".
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Läuft nun alles glatt, wird bei jedem Bild in grüner Schrift angezeigt, dass das Objekt korrekt erfasst wurde. Hält das Programm den gefunden Ort für falsch oder es findet das Objekt nicht, so meldet es dies. In diesen Fällen kann man das Objekt manuell, also mit gedrückter Umschalttaste, erfassen.
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Nach der automatischen Erfassung kann man alle Positionen noch manuell korrigieren, indem man einfach bei dem angezeigten Bild den kleinen roten Kreis verschiebt.
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Auch bei der automatischen Erfassung empfiehlt es sich nach getaner Arbeit zu speichern.
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====Koordinatensystem festlegen====
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Das Orts-Koordinatensystem läßt sich beliebig verschieben und drehen. Durch eine Drehung um 180° läßt sich die Richtung der Ortsachse ändern.
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<gallery widths=200px heights=200px  perrow=4 >
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Bild:Tracker Kalibrieren Ursprung.png|Mit der Taste "Neu" wählt man "Calibration Tools" > "Verschiebung des Ursprung (Offset)".
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Bild:Tracker Kalibrieren Ursprung Bild.png|Ich wähle den Ausgangspunkt der Bewegung als Koordinatenursprung. (Hier im Falle der Vorderachse.)
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Bild:Tracker_Kalibrieren_Ursprung_Bild_gedreht.png|Mit der Maus kann man einfach das Koordinatensystem drehen. (Was bei diesem Video natürlich nicht erforderlich ist.)
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</gallery>
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====Kalibrieren der Entfernung====
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Das Programm kann bei der Berechnung von Entfernungen nur die Anzahl der Pixel zählen. Damit es "weiß", wieviel Meter das in Wirklichkeit sind, muss man einen Maßstab vorgeben:
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<gallery widths=200px heights=200px  perrow=4 >
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Bild:Tracker Kalibrieren Maßstab.png|Mit der Taste "Neu" wählt man "Calibration Tools" > "Measuring Stick".
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Bild:Tracker_Kalibrieren_Bild1.png|Den elektronischen Messtab positioniere ich auf den Gegenstand mit bekannter Länge.
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Bild:Tracker_Kalibrieren_Bild2.png|In der oberen Fensterleiste erscheint ein Eingabefeld, in das ich die Länge des Lineals in Metern eingebe. Man könnte auch die Länge in cm eingeben, aber das gibt Probleme bei Berechnungen von Impuls, Kraft, Energie, ...
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Bild:Tracker_Kalibrieren_Bild3.png|So sieht der Messtab dann aus. Die Schreibweise <math>0{,}5 = 5 \cdot 10^{-1}</math> ist gewöhnungsbedürftig.
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</gallery>
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===Auswertung===
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====Ansicht der Bewegungsdiagramme====
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Nachdem der Film "markiert" ist, wird automatisch ein Ortsdiagram (t-x) angezeigt. Man kann die dargestellten Größen verändern und auch mehrere Diagramme untereinander betrachten.
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Die Diagramme kann man speichern oder ausdrucken.
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<gallery widths=200px heights=200px  perrow=4 >
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Bild:Tracker_Diagramme_Auswahl_der_Größen.png|Klickt man auf die Beschriftung der Achsen, zu Beginn t und x, so erscheint eine große Auswahl an möglichen Größen.
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Bild:Tracker_Diagramme_Anzahl_der_Graphen.png|Man kann bis zu drei Diagramme gleichzeitig betrachten.
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Bild:Tracker_Diagramme_Drucken_und_Speichern.png|Ein rechter Mausklick öffnet ein Kontektmenü. Mit "Bildschirmfoto" kann man Diagramme sowohl speichern als auch drucken.
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</gallery>
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====Analysieren der Diagramme====
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Durch eine genauere Analyse kann man unter anderem die Steigung eines Graphen messen oder die Fläche (Integral) unter der Kurve.
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Außerdem ist eine Anpassung an einen vorgegeben Kurventyp, wie linear, quadratisch, exponentiell, usw. möglich.
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Bild:Tracker_Diagramme_Analyse_öffnen.png|Ein rechter Mausklick auf das Geschwindigkeitsdiagramm und man kann mit "Analysiere" ein Datenwerkzeug öffnen.
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Bild:Tracker_Diagramme_Analyse_Fläche.png|Unter dem Menüpunkt "measure" kann man Werkzeuge für das Messen von Steigungen und Flächen aktivieren.
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Bild:Tracker_Diagramme_Analyse_Auswahl.png|Will man einen vorgegeben Kurventyp an den Graphen anpassen, so muss man zuerst den gewünschten Teil des Graphen markieren...
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Bild:Tracker_Diagramme_Analyse_Fitkurve.png|und danach unter dem Menüpunkt "Analyse" die Fitkurven auswählen.
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</gallery>
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====Export der Daten====
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Um die Messdaten mit einer Tabellenkalkulation, wie "[https://de.libreoffice.org/discover/calc/ Calc]" oder "[https://de.wikipedia.org/wiki/Microsoft_Excel Excel]" zu verwenden, kann man sie als Datei exportieren.
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Bild:Tracker Datenexport Menue.png|Aus dem Datei-Menü wählt man "Export > Datendatei...".
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Bild:Tracker Datenexport Einstellungen.png|In der Regel wird man "Alle Zellen" exportieren. Als Trennzeichen funktioniert meistens das "Semikolon", wenn das nicht klappt, ist das Komma auch üblich. (Leider ist das [https://de.wikipedia.org/wiki/CSV_(Dateiformat) csv-Format] nicht einheitlich.)
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Bild:Tracker_Datenexport_Speichern.png|Die Datei muss einen Namen mit der Endung ".csv" bekommen.
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</gallery>
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==Aufnahme von eigenen Videos==
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Je besser die Videoaufnahme wird, desto exakter und einfacher wird hinterher die Analyse. Es lohnt sich eine gute Vorbereitung.
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====Die Kamera====
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Am besten eine Spiegelreflex, es geht auch eine Kompaktkamera. Handys sind nicht gut geeignet.
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*Die Kamera muß auf ein Stativ montiert sein!
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====Das Licht====
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Optimal ist eine große Helligkeit mit wenigen Schatten. Das erreicht man am besten mit Tageslicht, Kunstlicht ist selten gut!
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*Im Freien bei wolkigem Himmel oder in der Nähe von großen Fenstern filmen.
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====Die Position der Kamera====
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*Die Blickrichtung der Kamera sollte senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts sein, andernfalls ergeben sich große Verzerrungen.
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*Die Kamera relativ weit weg stellen und ranzoomen verkleinert ebenfalls die Verzerrung.
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<gallery widths=200px heights=200px  perrow=3>
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Bild:Videoanalyse Hinweis zur Kameraposition schräg.png|Die Kamera ist nicht senkrecht zur Bewegungsrichtung.
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Bild:Videoanalyse_Hinweis_zur_Kameraposition_nah.png|Die Kamera ist zu nah am Objekt.
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Bild:Videoanalyse_Hinweis_zur_Kameraposition_gut.png|Die Kamera ist gut positioniert.
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</gallery>
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====Das Objekt und der Hintergrund====
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[[Datei:Markierungen_für_Videoanalyse_Beispiel_Kreuz.png|thumb|100px|[[Markierungen zur Videoanalyse|Markierungen zum Ausdrucken runterladen]].]]
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Man sollte schon jetzt festlegen welchen Teil des Objekts man verfolgen möchte. Bei einem Menschen zum Beispiel die Hüfte, den Kopf, die Hand, den Fuß,...?
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*Die zu verfolgende Stelle klar vom Hintergund abgegrenzen oder mit Markierungen versehen.
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Der Hintergrund sollte dementsprechend möglichst gleichmäßig sein und eine andere Farbe als das bewegte Objekt haben.
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*Vor einer Wand, Wiese filmen oder ein Bettuch, Picknickdecke als Hintergrund aufhängen.
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===Hochkant-Videos===
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Manche Bewegungen, wie ein Fall, sind besser hochkant zu filmen. Aber dann hat man nur die Kamera gedreht und nicht den Film, was tun?
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*Man lädt sich das Programm "virtual dub" herunter ([http://www.virtualdub.org homepage] oder bei [http://www.chip.de/downloads/VirtualDub-32-Bit_12994844.html chip.de]) und öffnet den Film.
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*Unter Video > Filters... > Add... wählt man den Filter "rotate"
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*Unter Video > compression... wählt man einen "geeigneten" Codec. Bei mir hat der Xvid-Codec funktioniert, viele andere nicht.
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*Mit File > Save as AVI... speichert man den Film.
  
 
==Technische Probleme mit Videos beheben==
 
==Technische Probleme mit Videos beheben==
  
 
====Wahl des Codecs====
 
====Wahl des Codecs====
−
Leider kommt es vor, dass VIANA ein Video nicht abspielen kann. Das ist häufig bei Videos der Fall, die man selbst aufgenommen hat.
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Bei Tracker kommt es selten vor, dass das Format des Videos nicht abzuspielen ist. Bisher hat es immer geklappt. Mit dem *.ogg-Format hatte Tracker bei Einzelbildern Probleme.
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Die Probleme können manchmal recht kompliziert sein.
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−
Das kann daran liegen, daß VIANA grundsätzlich mit dem Typ des Videos nichts anfangen kann. VIANA benötigt das Format "avi". Also funktionieren die Formate mgp, mov, flv, ogg, ... leider nicht. Oder das passende Dekomprimierungsprogramm, der "Codec" , ist nicht im Windows-Betriebssystem installiert.
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Die Änderung des Formats kann man z.B. mit dem Programm "[http://www.freemake.com/de/free_video_converter/ free Video Converter]" versuchen.
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:Bevor man das Video unter dem Ausgabeformat avi abspeichert, sollte man die Größe auf "Keine Veränderung" stellen und vor allem die richtige Bildfrequenz einstellen. Falls man die nicht kennt, der Player "[http://www.videolan.org/ vlc]" zeigt sie unter "Extras > Codec-Informationen" an, falls das Video gerade abgespielt wird oder man "Pause" drückt.
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Die Änderung des Formats kann man z.B. mit dem Programm "[http://www.koyotesoft.com/indexEn.html free Video Converter]" versuchen.
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:Bevor man das Video unter dem Ausgabeformat avi abspeichert, sollte man die Größe auf "Keine Veränderung" stellen und vor allem die richtige Bildfrequenz einstellen. Falls man die nicht kennt, der Player "[http://www.vlc.de/ vlc]" zeigt sie unter "Extras > Codec-Informationen" an, falls das Video gerade abgespielt wird oder man "Pause" drückt.
+
  
 
Um den passenden Codec zu finden, muss man erstmal wissen, welchen man überhaupt benötigt. Das Programm "[http://www.headbands.com/gspot/ gspot]" analysiert das Video und zeigt den Namen des passenden Codec an. Dann muss man sich im www auf die Suche nach einer Möglichkeit zum Herunterladen machen...
 
Um den passenden Codec zu finden, muss man erstmal wissen, welchen man überhaupt benötigt. Das Programm "[http://www.headbands.com/gspot/ gspot]" analysiert das Video und zeigt den Namen des passenden Codec an. Dann muss man sich im www auf die Suche nach einer Möglichkeit zum Herunterladen machen...
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:Unter "Video > Compression..." kann man nun den gewünschten Codec auswählen. In diesem Fall also "Xvid MPEG-4 Codec".
 
:Unter "Video > Compression..." kann man nun den gewünschten Codec auswählen. In diesem Fall also "Xvid MPEG-4 Codec".
 
:Unter "File > Save as avi..." kann man nun das Video abspeichern. Man sollte einen neuen Namen verwenden, wie z.B. "Autofahren_Xvid.avi".
 
:Unter "File > Save as avi..." kann man nun das Video abspeichern. Man sollte einen neuen Namen verwenden, wie z.B. "Autofahren_Xvid.avi".
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====Hochkant-Videos====
 
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Manche Bewegungen, wie ein Fall, sind besser hochkant zu filmen. Aber dann hat man nur die Kamera gedreht und nicht den Film, was tun?
 
−
*Man lädt sich das Programm "virtual dub" herunter ([http://www.virtualdub.org homepage] oder bei [http://www.chip.de/downloads/VirtualDub-32-Bit_12994844.html chip.de]) und öffnet den Film.
 
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*Unter Video > Filters... > Add... wählt man den Filter "rotate"
 
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*Unter Video > compression... wählt man einen "geeigneten" Codec. Bei mir hat der Xvid-Codec funktioniert, viele andere nicht.
 
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*Mit File > Save as AVI... speichert man den Film.
 
  
 
==Links==
 
==Links==
−
*[http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/mess/diva/tipps Tipps zur Aufnahme physikalischer Videos für die Videoanalyse.] (Vom Landesbildungsserver BaWü)
+
*[https://physlets.org/tracker/ Tracker] ist ein sehr gutes Videoanalyseprogramm. Anders als bei Viana kann man auch eine automatische Erkennung der Position gut durchführen. Weiterhin kann man die Daten analysieren (Steigung und Integral) und eine Approximationskurve erstellen. Das Programm ist Teil des Open Source Physics Projects.
 +
**Das [https://www.youtube.com/watch?v=JhI-_glsE6o Video-Tutorial der Grundlagen zu "Tracker"] zeigt in den ersten 10 Minuten eine Einführung in die Bedienung von "Tracker" ohne die Verwendung der automatischen Positionserfassung beim Wefen eines Balles. Ab 10:50 wird die Datenanalyse mit Ausgleichskurven ("fit curves") erläutert. (american english)
 +
**Im [https://www.youtube.com/watch?v=Dn0Zz7rtkZw Video-Tutorial "Getting Started with Tracker"] zeigt der Autor des Programms die grundlegenden Bedienungselemente. (american english)
 +
**Das [https://www.youtube.com/watch?v=Dn0Zz7rtkZw Video-Tutorial "Autotracking"] zeigt sehr detailliert die Automatische Positionserkennung von "Tracker". (american english)
 
* [http://www.didaktik.physik.uni-due.de/viana/ Viana] Programm zur Bewegungsanalyse der Physik Didaktik der Universität Essen. (freeware)  
 
* [http://www.didaktik.physik.uni-due.de/viana/ Viana] Programm zur Bewegungsanalyse der Physik Didaktik der Universität Essen. (freeware)  
 +
*[http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/mess/diva/tipps Tipps zur Aufnahme physikalischer Videos für die Videoanalyse.] (Vom Landesbildungsserver BaWü)
 +
* Wissenschaftliche Hausarbeit: [http://www.thomas-wilhelm.net/arbeiten/Tracker.pdf Das Videoanalyseprogramm Tracker] (Etleva Dai, Februar 2017. Gutachter: Prof. Dr. habil. Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt am Main)
 +
*Software zur Erstellung und Bearbeitung von Videos
 
** [http://www.xvid.org/ www.xvid.org] Hompage des Xvid-Projekts, ein freier Codec unter der GPL.  
 
** [http://www.xvid.org/ www.xvid.org] Hompage des Xvid-Projekts, ein freier Codec unter der GPL.  
 
**[http://www.virtualdub.org/ Virtual Dub] Programm zur Bearbeitung von Videos, insbesondere kann der zur Kodierung verwendete Codec frei gewählt werden, was evt. nötig ist, um es mit Viana lesen zu können. (Steht unter der GPL)  
 
**[http://www.virtualdub.org/ Virtual Dub] Programm zur Bearbeitung von Videos, insbesondere kann der zur Kodierung verwendete Codec frei gewählt werden, was evt. nötig ist, um es mit Viana lesen zu können. (Steht unter der GPL)  
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** [http://www.headbands.com/gspot/ gspot] Damit kann man die installierten Codecs und auch den Codecs eines Videos bestimmen. (freeware)  
 
** [http://www.headbands.com/gspot/ gspot] Damit kann man die installierten Codecs und auch den Codecs eines Videos bestimmen. (freeware)  
 
** [http://www.koyotesoft.com/indexEn.html FLV-Converter] kann Videos aus dem Netz herunterladen und konvertieren. (Freeware)
 
** [http://www.koyotesoft.com/indexEn.html FLV-Converter] kann Videos aus dem Netz herunterladen und konvertieren. (Freeware)
 +
*[http://www.youtube.com/watch?v=umTc1BQhuhk Video: Zeitlupenaufnahmen von menschlichen Bewegungen] (ARD: Das Wechselwirkungsprinzip in Zeitlupe (nano, 29.11.2011) Das hat aber mit dem Wechselwirkungsprinzip nur am Rande etwas zu tun.)
 
*[http://sportfak.uni-leipzig.de/~iabtw/laboruebung/laboruebung1b.htm Sportfakultät Leibzig] Laborübung Quantitative Bewegungsanalyse Basketball-Positionswurf (Standwurf)
 
*[http://sportfak.uni-leipzig.de/~iabtw/laboruebung/laboruebung1b.htm Sportfakultät Leibzig] Laborübung Quantitative Bewegungsanalyse Basketball-Positionswurf (Standwurf)
 
*[http://www.sportunterricht.de/lksport/lksport.html Leistungskurs Sport] von Rolf Dober
 
*[http://www.sportunterricht.de/lksport/lksport.html Leistungskurs Sport] von Rolf Dober
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−
*[http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/ Tracker] ist ein sehr gutes Videoanalyseprogramm. Anders als bei Viana kann man auch eine automatische Erkennung der Position gut durchführen. Weiterhin kann man die Daten analysieren (Steigung und Integral) und eine Approximationskurve erstellen. Das Programm ist Teil des Open Source Physics Projects.
 

Aktuelle Version vom 3. Oktober 2024, 18:03 Uhr

(Kursstufe > Verschiedene Methoden der Bewegungsuntersuchung)

(Klassische Mechanik > Kinematik)

Mit einem Videoanalyseprogramm lassen sich Bewegungen, die man auf einem Video festhält, analysieren.

Durch die Markierung eines Punktes auf jedem Einzelbild entsteht eine Folge von Orten, die Bahnkurve des Objekts.

Kennt man die Anzahl der Bilder pro Sekunde, so kann man das Orts- (t-s), Geschwindigkeit- (t-v) und das Beschleunigungsdiagramm (t-a) erstellen.

Gute Analyseprogramme erlauben auch noch die Erstellung von Funktionsgleichungen aus den Diagrammen, sowie die Berechnung von Ableitungen und Integralen oder die Berechnung von abgeleiteten Größen wie den Impuls oder die Energie.

  • Ein Bagger wird angeschubst und rollt aus

  • Die Ausgangssituation
    (Video anschauen ; als avi runterladen)

  • Die Bahnkurve (x-y-Diagramm)

  • Das Ortsdiagramm (t-x)

  • Leer.jpg

  • Das Geschwindigkeitsdiagramm (t-vx)

  • Das Beschleunigungsdiagramm (t-ax)

Analyse von fertigen Videos; Anleitung für "Tracker"

Tracker Logo.png

Das Programm "Tracker" ist Teil des Open Source Physics Projects, bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten und ist dafür noch relativ einfach zu bedienen. (Download auf der Homepage)

Film laden und Markierungen setzen

Film anschauen

oder Datei > Öffnen.. aus dem Menü
Wiedergabe in der unteren Leiste.
Ohne die Haken bei "Alle Schritte" und "Smooth Play" ist die Wiedergabe schneller.
Mit den kleinen Markierungen kann man Anfang und Ende einstellen.
So kann man in einzelnen Schritten die Bildfolge betrachten.

Manuelle Eingabe der Position

Tracker NeuerTrack Manuell.png

Zunächst muss man sich überlegen welchen Teil des sich bewegenden Objekts man verfolgen möchte. Im Beispiel des rollenden Baggers habe ich mich für das Vorderrad entschieden, weil es sich optisch gut von seiner Umgebung absetzt.

Dann erstellt man unter Neu > Massenpunkt eine neue Folge von Orten, die "Track" genannt wird. Klickt man auf die dann erscheinende Taste "Masse A", so kann man unter anderem diesem Ort einen neuen Namen geben. Ich nenne ihn "Vorderrad".

Nun folgt die eigentliche Eingabe. Dazu hält man die Umschalttaste (für die Großbuchstaben) gedrückt, sodass sich der Mauszeiger in ein kleines Rechteck verwandelt. Bei gedrückter Umschalttaste klickt man nun auf das zu verfolgende Objekt, bei mir die Mitte des Vorderrades. "Tracker" merkt sich diese Position und zeigt gleich das nächste Bild an. Nun kann man dort die Position markieren und so fort. In meinem Beispiel des Baggers muss ich 148 Positionen markieren.

Spätestens jetzt sollte man das Projekt speichern, um die getane Arbeit zu sichern. Die Dateiendung lautet "*.trk".

Für kurze Filme mit bis zu 100 Einzelbildern ist dies eine praktikable Methode, bei längeren Sequenzen von etwa 1000 Bildern ist man froh, das es auch anders gehen kann.

Automatisches Erkennen der Position

Tracker NeuerTrack Automatisch Suchbereich.png

Die automatische Analyse funktioniert nur, wenn das Objekt oder eine spezielle Markierung sich ganz klar vom Hintergrund absetzt. Im Fall des Baggers wurde bei der automatischen Positionserfassung des Vorderrades auf einmal auf das nachfolgende Hinterrad gewechselt. Deshalb soll jetzt die Achse der Schaufel verfolgt werden. Man hätte aber auch den grünen Baustein in der Ladeschaufel nehmen können.

Man erstellt wieder unter Neu > Massenpunkt einen neuen Track. Ich nenne ihn "Bagger (Achse der Schaufel)".

Nun wird am Anfang des Films die Achse markiert. (Das Bild mit dieser Markierung heisst "Key Frame".) Dazu hält man die Umschalttaste und die Steuerungstaste (Strg) gedrückt, der Mauszeiger verwandelt sich in einen kleinen Kreis. Bei gedrückten Tasten klickt man auf die zu verfolgende Stelle, bei mir die Mitte der Achse. Alternativ kann man auf den Massepunkt "Bagger (Achse der Schaufel)" klicken und im Menü "Autotrack.." auswählen.

Nun erscheint ein kleiner roter Kreis in der Mitte und ein Rechteck drumherum. Der kleine Kreis markiert das Objekt, das Rechteck den Bereich, in dem nach diesem Objekt gesucht wird. Zieht man die unteren rechten Ecken mit der Maus, so kann man die Bereiche verändern. Zieht man an einer anderen Stelle des Kreises oder des Rechtecks, so kann man sie verschieben. Dann klickt man auf "Search".

Läuft nun alles glatt, wird bei jedem Bild in grüner Schrift angezeigt, dass das Objekt korrekt erfasst wurde. Hält das Programm den gefunden Ort für falsch oder es findet das Objekt nicht, so meldet es dies. In diesen Fällen kann man das Objekt manuell, also mit gedrückter Umschalttaste, erfassen.

Nach der automatischen Erfassung kann man alle Positionen noch manuell korrigieren, indem man einfach bei dem angezeigten Bild den kleinen roten Kreis verschiebt.

Auch bei der automatischen Erfassung empfiehlt es sich nach getaner Arbeit zu speichern.

Koordinatensystem festlegen

Das Orts-Koordinatensystem läßt sich beliebig verschieben und drehen. Durch eine Drehung um 180° läßt sich die Richtung der Ortsachse ändern.

  • Mit der Taste "Neu" wählt man "Calibration Tools" > "Verschiebung des Ursprung (Offset)".

  • Ich wähle den Ausgangspunkt der Bewegung als Koordinatenursprung. (Hier im Falle der Vorderachse.)

  • Mit der Maus kann man einfach das Koordinatensystem drehen. (Was bei diesem Video natürlich nicht erforderlich ist.)

Kalibrieren der Entfernung

Das Programm kann bei der Berechnung von Entfernungen nur die Anzahl der Pixel zählen. Damit es "weiß", wieviel Meter das in Wirklichkeit sind, muss man einen Maßstab vorgeben:

  • Mit der Taste "Neu" wählt man "Calibration Tools" > "Measuring Stick".

  • Den elektronischen Messtab positioniere ich auf den Gegenstand mit bekannter Länge.

  • In der oberen Fensterleiste erscheint ein Eingabefeld, in das ich die Länge des Lineals in Metern eingebe. Man könnte auch die Länge in cm eingeben, aber das gibt Probleme bei Berechnungen von Impuls, Kraft, Energie, ...

  • So sieht der Messtab dann aus. Die Schreibweise [math]0{,}5 = 5 \cdot 10^{-1}[/math] ist gewöhnungsbedürftig.

Auswertung

Ansicht der Bewegungsdiagramme

Nachdem der Film "markiert" ist, wird automatisch ein Ortsdiagram (t-x) angezeigt. Man kann die dargestellten Größen verändern und auch mehrere Diagramme untereinander betrachten.

Die Diagramme kann man speichern oder ausdrucken.

  • Klickt man auf die Beschriftung der Achsen, zu Beginn t und x, so erscheint eine große Auswahl an möglichen Größen.

  • Man kann bis zu drei Diagramme gleichzeitig betrachten.

  • Ein rechter Mausklick öffnet ein Kontektmenü. Mit "Bildschirmfoto" kann man Diagramme sowohl speichern als auch drucken.

Analysieren der Diagramme

Durch eine genauere Analyse kann man unter anderem die Steigung eines Graphen messen oder die Fläche (Integral) unter der Kurve.

Außerdem ist eine Anpassung an einen vorgegeben Kurventyp, wie linear, quadratisch, exponentiell, usw. möglich.

  • Ein rechter Mausklick auf das Geschwindigkeitsdiagramm und man kann mit "Analysiere" ein Datenwerkzeug öffnen.

  • Unter dem Menüpunkt "measure" kann man Werkzeuge für das Messen von Steigungen und Flächen aktivieren.

  • Will man einen vorgegeben Kurventyp an den Graphen anpassen, so muss man zuerst den gewünschten Teil des Graphen markieren...

  • und danach unter dem Menüpunkt "Analyse" die Fitkurven auswählen.

Export der Daten

Um die Messdaten mit einer Tabellenkalkulation, wie "Calc" oder "Excel" zu verwenden, kann man sie als Datei exportieren.

  • Aus dem Datei-Menü wählt man "Export > Datendatei...".

  • In der Regel wird man "Alle Zellen" exportieren. Als Trennzeichen funktioniert meistens das "Semikolon", wenn das nicht klappt, ist das Komma auch üblich. (Leider ist das csv-Format nicht einheitlich.)

  • Die Datei muss einen Namen mit der Endung ".csv" bekommen.

Aufnahme von eigenen Videos

Je besser die Videoaufnahme wird, desto exakter und einfacher wird hinterher die Analyse. Es lohnt sich eine gute Vorbereitung.

Die Kamera

Am besten eine Spiegelreflex, es geht auch eine Kompaktkamera. Handys sind nicht gut geeignet.

  • Die Kamera muß auf ein Stativ montiert sein!

Das Licht

Optimal ist eine große Helligkeit mit wenigen Schatten. Das erreicht man am besten mit Tageslicht, Kunstlicht ist selten gut!

  • Im Freien bei wolkigem Himmel oder in der Nähe von großen Fenstern filmen.

Die Position der Kamera

  • Die Blickrichtung der Kamera sollte senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts sein, andernfalls ergeben sich große Verzerrungen.
  • Die Kamera relativ weit weg stellen und ranzoomen verkleinert ebenfalls die Verzerrung.

  • Die Kamera ist nicht senkrecht zur Bewegungsrichtung.

  • Die Kamera ist zu nah am Objekt.

  • Die Kamera ist gut positioniert.

Das Objekt und der Hintergrund

Markierungen zum Ausdrucken runterladen.

Man sollte schon jetzt festlegen welchen Teil des Objekts man verfolgen möchte. Bei einem Menschen zum Beispiel die Hüfte, den Kopf, die Hand, den Fuß,...?

  • Die zu verfolgende Stelle klar vom Hintergund abgegrenzen oder mit Markierungen versehen.

Der Hintergrund sollte dementsprechend möglichst gleichmäßig sein und eine andere Farbe als das bewegte Objekt haben.

  • Vor einer Wand, Wiese filmen oder ein Bettuch, Picknickdecke als Hintergrund aufhängen.

Hochkant-Videos

Manche Bewegungen, wie ein Fall, sind besser hochkant zu filmen. Aber dann hat man nur die Kamera gedreht und nicht den Film, was tun?

  • Man lädt sich das Programm "virtual dub" herunter (homepage oder bei chip.de) und öffnet den Film.
  • Unter Video > Filters... > Add... wählt man den Filter "rotate"
  • Unter Video > compression... wählt man einen "geeigneten" Codec. Bei mir hat der Xvid-Codec funktioniert, viele andere nicht.
  • Mit File > Save as AVI... speichert man den Film.

Technische Probleme mit Videos beheben

Wahl des Codecs

Bei Tracker kommt es selten vor, dass das Format des Videos nicht abzuspielen ist. Bisher hat es immer geklappt. Mit dem *.ogg-Format hatte Tracker bei Einzelbildern Probleme.

Die Änderung des Formats kann man z.B. mit dem Programm "free Video Converter" versuchen.

Bevor man das Video unter dem Ausgabeformat avi abspeichert, sollte man die Größe auf "Keine Veränderung" stellen und vor allem die richtige Bildfrequenz einstellen. Falls man die nicht kennt, der Player "vlc" zeigt sie unter "Extras > Codec-Informationen" an, falls das Video gerade abgespielt wird oder man "Pause" drückt.

Um den passenden Codec zu finden, muss man erstmal wissen, welchen man überhaupt benötigt. Das Programm "gspot" analysiert das Video und zeigt den Namen des passenden Codec an. Dann muss man sich im www auf die Suche nach einer Möglichkeit zum Herunterladen machen...

Schlussendlich ist es oft nützlich das Video mit dem Codec "Xvid" zu speichern, denn dieser funktioniert und hat sich bewährt. Er ist OpenSource, also insbesondere kostenlos. Zum Umkodieren ist das Programm "VirtualDub" angenehm. Auch dieses ist OpenSource.

  • Den Xvid-Codec hier herunterladen. Zum Installieren die "exe"-Datei mit einem Doppelklick ausführen.
  • Das Programm "VirtualDub" hier herunterladen. Das Programm muss nicht installiert werden. Man muss nur die"zip"-Datei entpacken (rechter Mausklick) und zum Starten im entpackten Ordner die Datei "VirtualDub.exe" doppelklicken.
  • Ist VirtualDub gestartet, kann man das Video mit "File > Open video file..." öffen.
Unter "Video > Compression..." kann man nun den gewünschten Codec auswählen. In diesem Fall also "Xvid MPEG-4 Codec".
Unter "File > Save as avi..." kann man nun das Video abspeichern. Man sollte einen neuen Namen verwenden, wie z.B. "Autofahren_Xvid.avi".

Links

  • Tracker ist ein sehr gutes Videoanalyseprogramm. Anders als bei Viana kann man auch eine automatische Erkennung der Position gut durchführen. Weiterhin kann man die Daten analysieren (Steigung und Integral) und eine Approximationskurve erstellen. Das Programm ist Teil des Open Source Physics Projects.
  • Viana Programm zur Bewegungsanalyse der Physik Didaktik der Universität Essen. (freeware)
  • Tipps zur Aufnahme physikalischer Videos für die Videoanalyse. (Vom Landesbildungsserver BaWü)
  • Wissenschaftliche Hausarbeit: Das Videoanalyseprogramm Tracker (Etleva Dai, Februar 2017. Gutachter: Prof. Dr. habil. Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt am Main)
  • Software zur Erstellung und Bearbeitung von Videos
    • www.xvid.org Hompage des Xvid-Projekts, ein freier Codec unter der GPL.
    • Virtual Dub Programm zur Bearbeitung von Videos, insbesondere kann der zur Kodierung verwendete Codec frei gewählt werden, was evt. nötig ist, um es mit Viana lesen zu können. (Steht unter der GPL)
    • XMedia Recode Programm zur Umcodierung von Videos (von chip.de als download, steht unter der GPL)
    • gspot Damit kann man die installierten Codecs und auch den Codecs eines Videos bestimmen. (freeware)
    • FLV-Converter kann Videos aus dem Netz herunterladen und konvertieren. (Freeware)
  • Video: Zeitlupenaufnahmen von menschlichen Bewegungen (ARD: Das Wechselwirkungsprinzip in Zeitlupe (nano, 29.11.2011) Das hat aber mit dem Wechselwirkungsprinzip nur am Rande etwas zu tun.)
  • Sportfakultät Leibzig Laborübung Quantitative Bewegungsanalyse Basketball-Positionswurf (Standwurf)
  • Leistungskurs Sport von Rolf Dober
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