Bewegungsanalyse mit einem Video (Tracker)

(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)
Das Geschwindigkeitsdiagramm (t-vx)
Das Beschleunigungsdiagramm (t-ax)

Analyse von fertigen Videos; Anleitung für "Tracker"

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

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

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??

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 sollte 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

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