Видеоанализ как инструмент учителя физики. Часть 1 – как проводить видеоанализ

Методика преподавания естественно-научных дисциплин

Филиппова И.Я.

ГБОУ СОШ №138 (Россия, Санкт-Петербург)

 Аннотация. Статья посвящена видеоанализу – записи и обработке видеоинформации о движении. Использование видеоанализа позволяет превратить видеозапись в источник количественных данных о движении. В работе проведено сравнение трех программных сред, в состав которых входит инструмент видеоанализа. Показано, что последовательность действий при видеоанализе одинакова во всех программных средах и включает съемку видеоматериала, процедуру масштабирования, разметку видеофрагмента и математическую обработку полученных результатов.

Ключевые слова: видеоанализ, физика, движение, ускорение, обработка, программа, MeasureDynamics, Multilab, «1С: Измеритель».

Video analysis as a tool for physics teachers. Part 1 - How to do video analysis.

Abstract. The article is devoted to video analysis - recording and processing of video information about moving. Using video analysis allows to convert video into a source of quantitative data of moving. Comparison of the three software environments, which include video analysis tool, is done. It is shown that the sequence of actions in the video analysis is the same in all programs and includes video recording, scaling procedure, movie marking and mathematical processing of the results.

Key words: video analysis, physics, motion, acceleration, handling, application, MeasureDynamics, Multilab, «1C: Meter".

Как проводить видеоанализ в различных программных средах

Введение

Широкое внедрение информационных технологий в процесс преподавания в школе является одним из проявлений процесса масштабной информатизации всего общества. Распространенными инструментами, используемыми при проведении опытов по физике, химии и биологии стали цифровые измерители (цифровые лаборатории), основное назначение которых отображать данные натурного эксперимента на экране компьютера в виде графиков или цифровых индикаторов, что делает эксперимент информационно более насыщенным и во многих случаях более наглядным.

Часто встречающимися инструментами проведения урока стали также цифровые видео и фото-устройства. Видеосъемка стала доступным инструментом при проведении урока, дающим возможность документировать ход урока или фиксировать изучаемые явления. Но видео, как правило, используется учителем на уроке в качестве иллюстрации. Однако, оно может быть источником точных данных о проводимом эксперименте. Видеоанализ и является тем самым инструментом, превращающим видео как иллюстрацию в источник данных.

Под видеоанализом будем понимать оцифровку и последующий анализ движения произвольного объекта, зафиксированного в процессе видеосъемки. Видеофрагмент, демонстрирующий плоское движение, с помощью видеоанализа можно превратить в источник количественных данных о движении. Среди современного программного обеспечения, доступного школьному учителю физики, представлены программы, позволяющие это сделать. Возможность обработки видеофрагмента включена в пакет программного обеспечения некоторых цифровых лабораторий. Модуль видеоанализа входит в состав программного обеспечения цифровой лаборатории (ЦЛ) «Архимед» – программы Multilab (производитель – Fourier Sys., Израиль). В программное обеспечение цифровой лаборатории Cobra4 (производитель Phywe, Германия) входит специальная программа видеоанализа – Measure Dynamics. На российском рынке присутствуют также отечественные программные продукты, включающие видеоанализ движения, например программа «1С – Измеритель».

При всем многообразии программных продуктов, последовательность выполняемых при видеоанализе действий оказывается фактически одинаковой:

– создание собственного видеоматериала;

– оцифровка траектории движения предмета;

– проведение математической обработки экспериментальных кривых;

– создание дидактических материалов об изученном движении.

Рассмотрим подробнее основные действия, выполняемые в процессе видеоанализа.

Стандартная последовательность действий при видеоанализе

Съемка видеофрагмента. Наиболее интересно проводить анализ видеофрагмента – короткой видеозаписи, отснятой собственными силами. Видеофрагменты можно снимать с помощью Web-камеры, бытовой видеокамерой, цифровым фотоаппаратом. В интересах надежности проводимого анализа требуется, чтобы видеокамера успевала зарегистрировать достаточное для последующей обработки число точек (кадров) происходящего события. Во время съемок требуется обеспечить неподвижность камеры, т.е. использовать штатив. Видеофайл следует подготовить в том формате, с которым потом сможет работать программа видеоанализа.

Масштабирование. Чтобы получить физические характеристики движения, зафиксированного на видеофрагменте, необходимо сопоставить точкам кадра расстояния между объектами во время видеосъемки. Это легко сделать, если во время съемки в кадре находится предмет, размер которого известен (например, линейка).

Как правило, в меню программ видеоанализа есть кнопка, после нажатия на которую на экране появляется специальное диалоговое окно. В этом окне следует указать размер предмета, на концы которого нужно поставить метки. Процедура установки меток может состоять в последовательных кликах на два конца предмета известной длины или в перетаскивании концов специального мерного отрезка на концы такого предмета (рис. 1).

Рис. 1. Процедура масштабирования:

в программе Multilab (сверху),

в программе Measure Dynamics (снизу)

Задание начала отсчета и направления координатных осей. По умолчанию система координат располагается в левом нижнем углу кадра, и оси ориентированы параллельно сторонам кадра. Чтобы расположить систему координат в удобное для вас место, следует воспользоваться кнопками с изображением осей координат на панели инструментов. После нажатия на эту иконку можно перенести начало координат в любую точку щелчком мыши по выбранной точке на кадре. После этого можно ориентировать оси координат в соответствии с задачей эксперимента. Необходимость поворота может быть вызвана условиями видеосъемки, т.к. добиться нужной ориентации кадра с необходимой точностью во время съемки, как правило, непростая задача. Кроме того, можно ориентировать одну из осей вдоль направления движения (например – вдоль наклонной плоскости), что может значительно облегчить последующую процедуру обработки данных.

Разметка видеофрагмента (оцифровка траектории). У всех программ обработки видео имеется встроенный плейер проигрывания видеофрагментов. Всегда присутствует кнопка проигрывания фрагмента. Как правило, имеются кнопки перемещения в начало и в конец фрагмента. Кроме того, существенно наличие кнопок покадрового просмотра фрагмента (кадр вперед и кадр назад).

Перед началом оцифровки обязательно нужно выбрать необходимый для оцифровки участок видеофильма. Прежде всего, нажатием на кнопку Воспроизведение надо запустить видеосюжет. Используя кнопки Следующий кадр и Предыдущий кадр легко найти кадр, с которого следует начинать оцифровку траектории движения тела.

Когда найден первый физически значимый кадр, начинается собственно работа по оцифровке траектории. В некоторых программах на начальный кадр можно переместить ноль отсчета времени. Как правило, разметка ведется следующим образом. Острие указателя мыши наводится на изображение, щелчок мыши приводит к появлению в таблице данных новой записи: декартовых координат x и y точки, на которую происходил щелчок мыши, и текущего времени (определяется по номеру кадра и по числу кадров в секунду данного видеофрагмента). В кадре на месте щелчка появляется метка. После этого на экран выводится следующий кадр видеофрагмента. В программе Multilab данные одновременно с разметкой фрагмента отображаются на графиках x(t) и y(t), которые при покадровой обработке видеофильма постепенно дополняется новыми точками.

Возможность автоматической разметки видеофрагмента. Уникальную возможность автоматического распознавания объекта на кадрах видеофрагмента и определение его координат с занесением результатов в таблицу представляет программа Measure Dynamics.

Чтобы провести автоматический анализ, достаточно на одном из кадров указать объект. Удобно, что этот кадр не обязан быть первым в серии. Дальше программа автоматически размечает весь видеофрагмент. При автоматическом распознавании используется анализ формы предмета, размера и цвета.

Для успешного проведения автоматического анализа программой Measure Dynamics требуется, чтобы видеофрагмент соответствовал определенным требованиям. В первую очередь изучаемый объект должен четко определяться на фоне. Автоматическая разметка экономит время обработки видеофрагмента, делают методику более привлекательной в глазах детей (обычная процедура ручной разметки весьма трудоемка, особенно, если требуется отследить движение предмета в течение достаточно длительного промежутка времени).

Измерение длин и углов. В программах некоторых программах видеоанализа имеются инструменты измерения длин и углов.

На рис. 2 приведена процедура измерения расстояния в программе Measure Dynamics. При выборе этого действия на видеокадре появляется отрезок, концы которого следует совместить с точками кадра, расстояние между которыми измеряется. Чтобы измерить расстояния между точками в программе «1С: Измеритель», в меню выбирается инструмент Отрезок и поочередно делается щелчок мышью на концы измеряемого отрезка. Данные о результатах измерения высвечиваются в поле, расположенном под меню (рис. 2) и заносятся в таблицу данных. В этих двух программах также идентична процедура измерения углов.

 Рис. 2. Измерение длины отрезка в программах Measure Dynamics и «1С: Измеритель»

Работа с графиками движения тел. Если задача, решаемая методом видеоанализа, предполагает анализ графиков, то наиболее выгодно проводить видеоанализ программой Multilab, т.к. процедуру оцифровки траектории программа сопровождает построением графиков движения. На рис. 3 приведен типичный вид окна программы Multilab после проведения разметки видеофрагмента. В центре расположено окно видео, в котором отображается только текущий кадр видеофрагмента (в кадре видна метка, поставленная во время разметки). Правый верхний угол занимает окно графиков, правый нижний – окно таблиц. Под окном видео располагаются кнопки меню видеоанализа, под окном графиков располагаются кнопки меню графиков. Один из наиболее важных инструментов поля графиков – кнопка Курсор. После ее нажатия на графике появляется значок курсора, положением которого можно управлять мышью или клавишами управления курсора на клавиатуре. В строке под графиком отображаются две координаты курсора. Одновременно с изменением положения курсора на графике меняется изображение в окне видео: в окне выводится именно тот кадр видеофайла, которому соответствует текущее положение курсора на графике (рис. 3).

 Рис. 3. Вид окна программы Multilab после завершения разметки видеофрагмента

При работе в программе Measure Dynamics окно графиков по умолчанию заполнено дополнительным меню программы, поэтому визуально за ходом разметки можно следить только по таблице, которая постепенно заполняется результатами измерения. Активация окна графиков происходит только после выбора соответствующей функции в подменю результатов измерения, как это сделано на рис. 4.

Рис. 4. Вид окна программы Measure Dynamics после активации окна графиков и добавления фильтра «след» (траектория)

Отметим, что цвет данных в таблице, меток на видеофрагменте и цвет линий на графике совпадают. При этом определяющим является цвет данных в таблице.

Возможен экспорт данных из Multilab и Measure Dynamics в электронные таблицы Excel.

Математическая обработка результатов измерения. Графики скорости и ускорения. При исследовании движения нас, помимо графиков движения, часто интересуют графики скорости и ускорения. В программе Multilab заложен широкий спектр математических процедур, в том числе – расчеты производной, что дает возможность по зарегистрированному графику движения рассчитывать графики скорости и ускорения. Пример графика скорости, полученный из графика движения, представленного на рис. 3, приведен на рис. 5.

Рис. 5. Одновременное отображение графиков движения и скорости в программе Multilab

Рис. 6. График скорости в программе Measure Dynamics

В случае работы в программе Measure Dynamics расчеты мгновенных значений скорости и ускорения происходит по мере заполнения таблицы. Если имеется необходимость отобразить график скорости, то данные для его построения уже записаны в таблицу. Пример графика скорости приведен на рисунке 6.

Одновременное отображение графиков скорости и движения на одном поле в программе Measure Dynamics затруднено тем, что разметка разных физических величин производится на одной оси и одновременно одно деление на графике означает 1 м и 1 м/с. Масштабы кривых при этом могут оказаться несопоставимыми. Но в программе заложена возможность открывать одновременно несколько окон графиков, как это сделано на рис. 7.

Рис. 7. Одновременное отображение графиков движения и скорости в программе Measure Dynamics

Аппроксимация полученных кривых. В подборе аппроксимационной функции для графиков в двух программах Multilab и Measure Dynamics реализованы значительно отличающиеся подходы. В программе Multilab с помощью курсора указывается, какую из присутствующих на графике кривых предполагается аппроксимировать, и из списка выбирается тип функции.

В качестве аппроксимационной функции могут быть использованы линейная, полиномы второй, третьей, четвертой, пятой или шестой степеней, степенная функция или экспонента.

При изучении движения наиболее часто возникает необходимость аппроксимации линейной функцией или полиномом второй степени.

На рисунках 8 показаны этапы проведения аппроксимации графика движения, приведенного на рис. 3 и рис. 5, полиномом второй степени.

 Рис. 8 Процедура аппроксимации графика движения полиномом второй степени в программе Multilab

Особенность решаемой на рис. 8 видеозадачи заключалась в том, что график движения представляет собой несимметричную кривую, т.к. движение вверх и вниз по наклонной плоскости происходит с разным ускорением из-за наличия силы трения. Это привело к тому, что разные участки кривой пришлось аппроксимировать независимо.

Для указания области, к которой следует применить выбранный вид математической обработки, в программе Multilab служит операция Два курсора. С помощью этого же инструмента можно вырезать часть данных и заполнить ими все поле графика (сравните графики, приведенные на рис. 3 и 5 с рис. 8).

При аппроксимации указывается вид функции, после выполнения процедуры аппроксимации под окном графиков высвечивается математическая запись полученной формулы. В данном случае наиболее важным было найти значение старшего коэффициента полинома второй степени, т.к. старший коэффициент (при t²) – это половина величины ускорения. Видно, что значения коэффициентов полиномов, соответствующих на графике движению вверх и вниз по наклонной плоскости, отличаются значительно (3,55 при движении вверх и 1,37 при движении вниз).

Реализованный в программе Measure Dynamics подход при подборе аппроксимирующей функции больше похож на моделирование. Ученику предлагается подобрать коэффициенты аппроксимирующей функции из общих соображений.

Добавление информации в видеофрагмент. Программа Measure Dynamics имеет гигантское преимущество перед остальными рассмотренными программами по возможности внесения дополнительной информации на кадры видеофрагмента. В программе заложены возможности рисования траектории движения (см., например, рис. 7).

Кроме того, на кадры видеофрагмента можно наложить стрелки, соответствующие векторам скорости и/или ускорения. Длины этих стрелок будут отражать направление и длину данной величины в соответствие с результатами, занесенными в таблицу измерений.

Еще одной дополнительной функцией Measure Dynamics является заложенный в нее алгоритм создания стробоскопических изображения фрагмента – на первый кадр видеофрагмента накладываются все последующие. Пример стробоскопического изображения движения приведен на рис. 9.

 Рис. 9. Стробоскопическое изображение движения, созданное с использованием программы Measure Dynamics

Стробоскопическое изображение движения особенно важно при демонстрации особенностей движения тела сложной формы. На рис. 10 приведен пример стробоскопического изображения движения молотка. На одном и том же изображении можно проследить движение разных точек молотка. Видно, что центр тяжести (зеленая метка) двигается как материальная точка, т.е. его траекторией движения является парабола. Конец рукоятки молотка (желтая метка) при этом описывает весьма сложную кривую. В сочетании с возможностью автоматической разметки видеофрагмента данная функция делает программу Measure Dynamics весьма полезной, т.к. позволяет быстро и качественно анализировать наблюдаемые движения.

 Рис. 10. Стробоскопическое изображение движения молотка в программе Measure Dynamics

Из приведенного выше анализа возможностей видеоанализа следует, что освоив этот метод работы, учитель получает в руки мощный инструмент количественного анализа реального движения, зафиксированного во время видеосъемки.   Ограничения применимости – движение должно происходить в одной плоскости, камера во время съемки не должна двигаться.

Если сравнивать рассмотренные программы, то у каждой из них имеются свои преимущества и недостатки. В первую очередь выбор программы будет определяться конкретной задачей, которую предполагается решить. Если нужно анализировать траектории, измерять углы и расстояния, то преимущество у программы MeasureDynamics. Если же предполагается подробно анализировать графики движения, то это удобнее делать в программе Multilab, т.к. у нее очень широкие возможности математической обработки результатов эксперимента. Немаловажным является вопрос доступности данного программного обеспечения. Отечественную программу «1С: Измеритель» можно бесплатно скачать из единой коллекции образовательных ресурсов http://school-collection.edu.ru/. Программа Multilab является программным обеспечение цифровой лаборатории «Архимед», соответственно, в многих школах представлена. Программу MeasureDynamics надо отдельно приобретать.

Конкретные примеры использования видеоанализа на уроке и при организации исследовательской работы школьников будут показаны во второй части статьи.

Сведения об авторе:

Филиппова Илзе Яновна - учитель физики ГБОУ СОШ 138, учитель высшей категории, кандидат физико-математических наук.

Author:

Filippova Ilze Yanovna - teacher of physics in school №138 in Saint-Petersburg.

• < Назад
• Вперед >