Jak na videoměření
Stránka obsahuje návod na to, jak udělat videoměření (nebo též videoanalýzu), tedy fyzikální experiment s videokamerou. Zaměřuje se na technickou část realizace a předkládá funkční postup, jak proceduru videoměření zvládnout s co nejmenšími problémy, s počítačem. Cílem je minimalizovat problémy, které nepatří do fyziky a fyzikáře zbytečně zdržují.
Videoměření (nebo také videoanalýza) není nic jiného, než experiment, při kterém nezaznamenáváme sledované veličiny přímo, ale místo toho děj natočíme na videokameru a teprve z nahrávky získáme data. Výhodný je tam, kde potřebujeme zachytit relativně rychlý děj, nebo několik měnících se věcí najednou.
Protože občas není jednoduché najít vhodný software a přemluvit počítače ke spolupráci, vznikl tento návod, obsahující jednu prošlápnutou cestu. Návod sestává z jednotlivých kroků, z nichž každý je samozřejmě možné udělat různými způsoby. Někde je alternativní cesta zmíněna, jinde ne, ale primárním cílem nebylo popsat šíři a bohatost krajiny práce s videem na počítači, ale ukázat jednu schůdnou cestu, jak dojít k cíli a udělat videoměření. Pojďme se podívat, jak na to:
Krok nula: hardware
Co k videoměření potřebujeme:
- Videokameru. V tomto návodu budeme předpokládat, že se jedná o digitální videokameru, která komunikuje s počítačem pomocí digitálního rozhraní Firewire (tzv. IEEE1394)
- Počítač, který má vstup Firewire a nějaké to místo na disku. V nejhorším bude stačit jeden gibabyte volného místa.
Software, který použijeme, nechme teď stranou, dostaneme se k němu postupně při jednotlivých krocích postupu. Jak je vidět, všechno se motá kolem digitálního rozhraní. Pokud je váš počítač nemá, není třeba ale házet flintu do žita, pouze se připravit na to, že zachycení videa může být složitější.
Krok první: Natáčení
Základem všeho je samozřejmě experiment, který chceme analyzovat. Protože nikdo učený z nebe nespadl, je dobré se připravit na to, že hned první natáčení se nemusí vydařit. Uveďme si pár bodů, na které je vhodné při práci myslet:Věci by měly být viditelné – video, které natočíte, bude mít velmi pravděpodobně rozlišení 720x576 pixelů, což není nijak mnoho. Protože budeme chtít z obrazu odečítat polohu či jiné údaje, musí být objekty rozlišitelné. Správnou míru naleznete samozřejmě nejlépe experimentováním. Podobně je také důležité, aby se odlišovaly barvou. Budeme-li například natáčet pohyb válečku na nakloněné rovině, měly by mít váleček, rovina a pozadí různé barvy.
Pokud jste s kamerou blízko experimentu, je v obraze patrné zklenutí pole – rovné linie se viditelně zakřivují a tak by nám mohly znemožnit měření. Je proto dobré jít s kamerou dál od experimentu a nastavit vyšší zoom. Pozor ale na zoom digitální, s ním je třeba pracovat velmi opatrně, protože se jedná už jen o extrapolaci, která zvýší chybu měření. Navíc podobnou funkci nám nabídne i program pro videoměření, takže digitální zoom doporučuji na kameře vypnout.
Do obrazu si dejte měřítko, nebo raději dvě, jedno ve svislém a druhé ve vodorovném směru. Pomocí měřítek zkalibrujeme později obraz videokamery do reálných rozměrů. Je také obvykle vhodné, pokud má stativ kamery vodováhu, vyrovnat její polohu do vodorovné roviny. Měřítka by měla být co nejblíže roviny obrazu, aby nedocházelo ke zkreslení jejich velikosti v obraze. Vhodným měřítkem je například tyčka známé délky, vzdálenost prken na ohradě, která tvoří pozadí, přímka na tabuli, prostě jakákoli „definovaná“ vzdálenost.
Experiment proveďte a natočte několikrát, je velmi pravděpodobné, že některá nahrávka nebude použitelná, ale zjistíte to až ve fázi jejího vyhodnocení, kdy je obvykle experiment sklizen a kamera zabalena.
Na kameře by měla být nahrána vždy chvilka před začátkem i po skončení. Vyvarujeme se tak problémů s chybějícím začátkem experimentu (kamery mívají dlouhou prodlevu mezi stisknutím tlačítka a skutečným startem nahrávání) a navíc budou výsledné klipy lépe vypadat při jejich případné prezentaci.
Krok druhý: zachycení videa do počítače
Pohyblivé obrázky z kamery musíme nyní dostat do počítače, abychom je pak mohli analyzovat. Na internetu či v odborné hantýrce se tomuto kroku říká zachytávání videa (anglicky capturing) nebo také nesprávně – a hojně – „digitalizace videa“.
Nejjednodušším a nejběžnějším způsobem, jak zachytit videozáznam z kamery, je použití programu Windows Movie Maker, který je součástí Windows XP. Pokud nemáte Windows XP, pak použijte program, který byl přibalen u vaší kamery (dnes se prakticky každá kamera dodává se zachytávacím / střihovým softwarem).
Windows Movie Maker sice umí i stříhat video, my ale po něm budeme chtít právě a pouze zachytávání. Připojíme kameru, spustíme program a v levém panelu zvolíme položku 1. Digitalizovat z videozařízení (i když se o žádnou digitalizaci nejedná, obraz už máme digitálně zaznamenán a nyní jej potřebujeme pouze stáhnout do počítače). Zachytáváním nás provází průvodce ve stylu Microsoftu. Nastavíme tedy, kam chceme zachycené video uložit a hlavně jako formát souboru zvolíme „Formát digitálního zařízeni (DV-AVI)“ – tak zajistíme, že se žádné video nebude přepočítávat, pouze se stáhne z kamery.
Po skončení průvodce se nám otevře okno, ve kterém celkem intuitivně nastavíme pásku v kameře na počátek nahrávky a zvolíme „spustit digitalizaci“. Po skončení digitalizaci zastavíme a program ukončíme.
Tím máme video uloženo v počítači ve formátu avi souboru, který vyhovuje programům pro videoanalýzu.
Krok třetí, nepovinný: střih
Všechny programy pro videoanalýzu nám umožňují označit začátek a konec oblasti, ve které chceme měřit. Pokud bychom ale chtěli klipy archivovat, například pro pozdější prezentaci, vracení se k nim atd., je lepší již nyní nahrané soubory nastříhat na kratší, obsahující pouze experiment. K tomu použijeme program VirtualDub.
Po spuštění VirtualDubu otevřeme náš soubor zachyceného videa (File > Open File). Pokud se soubor otevře, je vše v pořádku, pokud ne, musíme do systému doinstalovat tzv. DV kodek (viz níže).
Posuvníkem na spodní liště vybereme první snímek a nastavíme začátek střihu (Edit > Set selection start nebo klávesa Home) a stejně tak konec střihu (Edit > Set selection end nebo klávesa End).
Nyní nastavíme parametry exportu. Protože nechceme v obraze nic přepočítávat (komprese videa by nám zbytečně „poškodila“ obraz a navíc by trvala dlouho), zaškrtneme přímé kopírování dat videa (Video > Direct stream copy). Pokud nemá zvuk pro experiment význam, zbavíme se ho (Audio > No sound), jinak jej opět přímo zkopírujeme (Audio > Direct stream copy).
Krok čtvrtý: odečtení dat
V počítači máme stažené a sestřižené soubory s videem, nic nám tedy nebrání přistoupit k hlavnímu kroku videoanalýzy – odečtení dat. Myšlenka postupu je velmi jednoduchá, je třeba zkalibrovat obraz a poté v každém snímku odečíst polohu měřeného bodu nebo bodů.
Použijeme k tomu některý z programů pro videoanalýzu přímo určených, na internetu jich najdeme celou řadu. Protože naším cílem je použít programy, které jsou ke stažení legálně zdarma, budou nám vyhovovat především AviStep a VIANA. AviStep je původně ve francouzštině, VIANA v němčině, nicméně oba programy byly alespoň částečně amatérsky přeloženy do češtiny. Počeštěné verze programů můžete stáhnout z internetových stránek http://kdf.mff.cuni.cz/~koupil , přičemž čeština programu VIANA se stále vyvíjí. Hlavním (mnou pozorovaným) rozdílem mezi oběma programy je, že VIANA umí přímo exportovat data do MS Excelu a dovoluje také provést automatickou analýzu, zatímco AviStep dokáže najednou monitorovat i dva nebo tři body a soubory videa je v něm možné zvětšovat a zmenšovat proti původní velikosti.
Samotné měření je velice intuitivní, levým tlačítkem myši uživatel klikne na aktuální polohu sledovaného bodu (bodů) a pravým klikne (v případě VIANA) nebo automaticky se přesune na další snímek. Po skončení měření se přesune do kategorie vyhodnocení, kde se zobrazí tabulky a grafy, které jsou k dispozici a také (s to především) možnost exportovat data do MS Excelu (v případě Viany) a nebo do schránky (AviStep). A na řadě je nyní …
Krok pátý a nejdůležitější: analýza
Tady opouštíme pole návodu a přichází na scénu fyzika. Programy pro videoanalýzu nám daly data, a záleží na konkrétním problému a zvoleném postupu, co s nimi uděláme … jestli je budeme interpretovat jako grafy, ukazovat na nich koncepty jako numerická derivace a integrace, nebo třeba určovat moment setrvačnosti valícího se válce.
Nápady, triky, řešení problémů
Instalace DV kodeku
Může se stát, že VirtualDub nebo VIANA (záleží, kterého se pokusíte použít první) ohlásí chybu při načítání souboru avi. Text chybového hlášení se může lišit podle operačního systému a programu, nicméně zhruba říká, že soubor nelze interpretovat, protože v počítači chybí příslušný dekompresor. V tom případě je třeba na počítač nainstalovat tzv. DV kodek (kodek je zkratka ze slovního spojení kodérdekodér).
Na internetu je volně k dispozici DV codec od Panasonicu. Stáhněte si jej z adresy uvedené v odkazech a soubor zip rozbalte do libovolného dočasného adresáře. Poté klepněte pravým tlačítkem myši na soubor panadv.inf a z kontextového menu zvolte nainstalovat. Objeví se průvodce jako při instalaci hardware, nedbejte na jeho varování, že ovladače nebyly certifikovány Microsoftem, a potvrďte instalaci. Poté, co instalace doběhne, by již mělo být možné video otevřít.
Poznámka: Vzhledem ke způsobu, jakým se ve Windows interpretuje video, je možné, že k této chybě dojde i v případě, že počítač v běžném přehrávači video přehraje.
Nemám digitální kameru/rozhraní v počítači
V případě, že nemáte digitální videokameru, bude se postup lišit pouze v druhém kroku – při zachytávání video. K zachycení videa bude zapotřebí mít v počítači nainstalovánu zachytávací kartu (je to vlastně AD převodník) a zachytávací software. Za běžné situace by měl jako zachytávací software stačit Windows Movie Maker, takže prakticky jediným rozdílem bude připojení do počítače a to, že z počítače nemáte možnost kameru ovládat (u FireWire to možné je). Pokud Windows Movie Maker nepomůže, je další instancí VirtualDub a jeho capture mód a nebo software dodávaný ke kameře.
Pokud máte digitální videokameru, ale nemáte digitální rozhraní v PC, pak je možné buď zakoupit do PC FireWire řadič (lze buď samostatně) nebo analogovou zachytávací kartu a využít toho, že téměř každá digitální kamera poskytuje i analogový výstup. Druhá možnost je dražší i méně kvalitní (kamera převádí digitální obraz na analogový a vzápětí PC obráceně), její jedinou, pro někoho však nezanedbatelnou výhodou je, že tak získáte do PC video vstup, za pomocí kterého můžete digitalizovat například starší VHS videokazety.
Vychází mi to moc
Velmi často zjistíme, že nám vychází příliš velká uražená dráha, rychlost nebo třeba tíhové zrychlení. Velmi pravděpodobnou příčinou takového problému je fakt, že měřítka nebyla přesně v rovině, ve které se odehrával sledovaný děj, typickým příkladem je volný pád míčku před tabulí, na které je namalováno měřítko. Pokud je totiž kamera od tabule vzdálena 4 m a míček padá 10 cm před tabulí, pak změříme, že míček urazil vzdálenost 1 m už ve chvíli, kdy reálná délka jeho trajektorie byla s = 3,9 / 4 m = 0.98 m, takže tíhové zrychlení nám bude vycházet g = 9,81·4 / 3,9 m s-2 = 10,06 m s-2. Řešením je buď mít vždy měřítko přesně v rovině obrazu, nebo, což je často schůdnější, zapsat si údaje o podmínkách měření (vzdálenost kamery a tabule, míčku a tabule apod.) a výsledná data „zmenšit“ ve správném poměru.
Měřítko není izotropní
Z nejrůznějších důvodů se může stát, že program pro videoanalýzu interpretuje obraz jinak, než jak byl natočen, takže dojde ke zkreslení měřítka ve vertikálním a horizontálním směru. Při normálním pohledu na film si toho nevšimneme, jakmile ale začneme měřit, zjistíme například, že kružnice nejsou kružnicemi, ale elipsami.
Nejčastější původ chyby je, že dle normy DV by ve videu obrazové body měly mít poměr stran 1:1,067, ale program pro videoanalýzu je zobrazuje jako čtvercové, objevují se ale i jiná zkreslení. Problém přímo v programu ani ve videu odstranit nemůžeme, můžeme ale opravit výsledná data – již při natáčení je proto dobré umístit do obrazu dvě kolmá měřítka. Poté v programu pro videoanalýzu zkalibrujeme obraz pomocí měřítka v jednom směr a změříme vzdálenost ve druhém směru (jako by se jednalo o pohyb ze začátku do konce měřítka mezi dvěma následujícími snímky) a porovnáme skutečný a změřený poměr velikostí obou měřítek. Pak stačí zjištěným poměrem vynásobit (vydělit) všechny hodnoty odečtených souřadnic x nebo y a data jsou opravená.
Pokud měříme se studenty, je dobré se nejprve zamyslet, kdy nám tento problém, pokud se vyskytuje, opravdu vadí, a kdy by jeho odstraňování napáchalo víc škody, než užitku. Většinou nemá změna měřítka vliv na výsledek experimentů s posuvným pohybem a problémy vzniknou teprve u otáčivých pohybů (kde těleso zdánlivě získává a ztrácí energii).
Co když mi 25 snímků za vteřinu nestačí?
Pokud natáčíte na videokameru v takzvaném prokládaném (interlaced) režimu, znamená to, že se sejme obraz nikoliv jedenkrát za 1/25 s, ale dvakrát za 1/50 s, přičemž v prvním průchodu zapíše do videosouboru liché řádky a poté sudé řádky. Tento způsob natáčení odpovídá běžnému televiznímu vysílání. Pro nás to ale znamená, že je možné úpravou videosouboru získat měření, ve kterém budeme mít polohu tělesa zachycenu po padesátině vteřiny. Stačí rozdělit snímky na sudé a liché řádky, zdvojnásobit jejich výšku a poté je správně narovnat za sebe. Bohužel je tento postup technicky komplikovaný a vyžadoval by více prostoru a tak se mu budu věnovat ve speciálním návodu.
Chci videa ukazovat, nejsou zbytečně velká?
Videa uložená v DV formátu jsou skutečně velká, je to ideální formát pro práci a editaci, ale pro účely ukazování a sdílení s kolegy je dobré je zkomprimovat, nejlépe do nějakého formátu typu MPEG-4 (DivX, Xvid apod.). V tomto návodu se s kompresí obrazu nepočítá, jednak proto, že každá komprese znamená ztrátu kvality, především ale proto, že komprese sama o sobě je časově velmi náročná a práce s komprimovaným videosouborem (např. posun o snímek tam či zpět atd.) by mohla být na pomalejším PC skutečně zdlouhavá.
Pokud se rozhodnete svá videa komprimovat, dělejte to jako poslední krok, tzn. zachyťte video ve formátu DV AVI a až při střihu ve VirtualDubu zvolte Edit > Full processing mode a vyberte v compression vhodný kodek.
A to je vše
Měření s videokamerou má svoje pro i proti. Hlavní nevýhodou je technická komplikovanost získávání dat (měření), výhodou to, že se snadno změří rychlé věci, ale i to, že studenti pracují s PC rádi. Svoje místo ve školním fyzikálním měření ale určitě má, nebo si je najde.
nahoru