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

Version vom 29. September 2014, 21:49 Uhr

(Kursstufe > Verschiedene Methoden der Bewegungsuntersuchung)

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- (s-t), Geschwindigkeit- (v-t) und das Beschleunigungsdiagramm (a-t) 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
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  Die Ausgangssituation (Das Video)

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  Die Bahnkurve (x-y-Diagramm)

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  Das Ortsdiagramm (x-t)

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  Das Geschwindigkeitsdiagramm (vx-t)

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  Das Beschleunigungsdiagramm (ax-t)

Analyse von fertigen Videos mit "Tracker"

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

1) Tracker starten

Das Programm kann man auf der Homepage von Tracker herunterladen.

2) Film laden und 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.

3) Koordinatensystem festlegen

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

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  Ich wähle den Ausgangspunkt der Bewegung als Koordinatenursprung.

4) Kalibrieren der Entfernung

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

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

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

4) Manuelle Eingabe der Position

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.

5) Automatisches Erkennen der Position

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 "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 gedrückt, der Mauszeiger verwandelt sich in einen kleinen Kreis. Bei gedrückten Tasten klickt man auf die zu verfolgende Stelle, bei mir die Mitte des Hinterrads. Alternativ kann man auf den Massepunkt "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. Ich mache den Kreis so groß, dass er auch einen Teil des schwarzen Reifens erfasst. Die weisse Fläche mit der schwarzen Umrandung kann dann gut vom Programm positioniert werden.

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.

AB HIER IST DER TEXT NOCH NICHT BEARBEITET!

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:

• x-t: das Ortsdiagramm in x-Richtung
• y-t: das Ortsdiagramm in y-Richtung

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
• vy-t: in y-Richtung

Die Beschleunigungsdiagramme sind meistens unbrauchbar. Dafür benötigt man ein sehr gutes Video.

• a-t: in Bewegungsrichtung
• 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.

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.

Technische Probleme mit Videos beheben

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. Die Probleme können manchmal recht kompliziert sein.

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.

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".

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.

Links

• Tipps zur Aufnahme physikalischer Videos für die Videoanalyse. (Vom Landesbildungsserver BaWü)
• 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)
• 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)
• Sportfakultät Leibzig Laborübung Quantitative Bewegungsanalyse Basketball-Positionswurf (Standwurf)
• Leistungskurs Sport von Rolf Dober