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, Pravidla, náměty a poznámky zde uvedené vychází z reálné zkušenosti s natáčením videoklipů pro videoměření se studenty i učiteli. 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 dostatek místa na pevném disku. Na jednu minutu surového videa ve formátu DV je třeba zhruba 170 MB diskového prostoru.
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:-
Zřetelné objekty. Objekty (děje) by měly být jasně zřetelné — video, které natočíme, bude mít velmi pravděpodobně rozlišení 720×576 pixelů, tedy stejně jako televizní obraz (v případě videokamery), nebo i méně (s fotoaparátem nebo mobilním telefonem). To je rozlišení vhodné ke sledování filmu nebo sportovního přenosu, ale například tištěný text je v televizním záběru obvykle velmi špatně čitelný.
Protože budeme chtít z obrazu odečítat polohu či jiné údaje, musí být objekty dobře rozlišitelné. Správnou míru nalezneme samozřejmě nejlépe experimentováním, obecně je ale vhodné, aby objekty byly dostatečně velké a aby se odlišovaly kontrastními barvami. Budeme-li například natáčet pohyb válečku na nakloněné rovině, měly by mít váleček, rovina a pozadí různé barvy.
Zkreslení obrazu. 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.
-
Kalibrace obrazu. Každé měření s videokamerou vyžaduje kalibraci, mají-li z něj vystupovat hodnoty veličin ve skutečných jednotkách, ne jen v pixelech, nebo veličiny poměrné. Všechny programy pro videoanalýzu jsou k tomuto účelu samozřejmě vybaveny nástrojem pro označení známé délky v obrazu a následně všechny velikosti přepočítávají podle udané délky. V obrazu je proto zapotřebí mít umístěno měřítko, nebo raději dvě, jedno ve svislém a druhé ve vodorovném směru.
Měřítkem nutně nemusí být pravítko s viditelnými centimetrovými dílky. Vhodným měřítkem je například i tyčka známé délky, vzdálenost prken na ohradě, která tvoří pozadí, přímka na tabuli, prostě jakákoli „definovaná“ vzdálenost. Velmi často jako měřítko poslouží přímo měřený objekt, např. délka nakloněné roviny, poloměr válce, který tvoří pozadí záběru apod., přičemž samozřejmě platí, že relativní chyba měření je tím menší, čím delší je kalibrační měřítko/objekt.
Pokud používáme měřítko, je důležité, aby se nacházelo ve stejné rovině, jako je snímaný děj, a tato rovina byla rovnoběžná s rovinou čočky videokamery, jinak dojde ke zkreslení rozměrů. Například dvaceticentimetrová tyč, kterou umístíme v záběru padajícího míčku těsně za tento míček, řekněme 5 cm za jeho střed, způsobí při snímání ze vzdálenosti 0,5 m chybu 10 %. Abychom dosáhli dobrých výsledků, je třeba tyč umístit vedle středu míčku.
Je také obvykle vhodné, pokud má stativ kamery vodováhu, vyrovnat její polohu do vodorovné roviny, nebo jiným způsobem zajistit, aby spodní a horní hrana obrazu byly vodorovné.
Opakování. 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.
Přesah. 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
Pokud pracujeme s fotoaparátem nebo harddiskovou videokamerou, můžeme tento krok přeskočit, namísto zachytávání videa po rozhraní FireWire pouze po datovém kabelu stáhneme do počítače soubor s videoklipem a pokračujeme k dalšímu kroku.
Pohyblivé obrázky z kamery musíme nyní dostat do počítače,aabychom je pak mohli analyzovat. Na internetu či v odborném slangu se tomuto procesu říká zachytávání videa (anglicky capturing) nebo také nesprávně „digitalizace videa“. Ve skutečnosti se o digitalizaci nejedná, neboť videozáznam je již od okamžiku snímání v kameře uložen v digitální formě a v ní je také do počítače po rozhraní FireWire odesílán. Jediným úkolem počítače je přenášený obraz zachytit a uložit do souboru na disku. Pokud bychom pracovali s analogovou VHS videokamerou, pak bychom v tomto kroku museli skutečně video digitalizovat za pomocí speciální karty v počítači.
Nejjednodušším a nejběžnějším způsobem, jak zachytit videozáznam z kamery na počítačích z rodiny Microsoft Windows, je použití programu Windows (Live) Movie Maker, který je součástí operačních systémů od verze Windows XP. Další možností je použít program, který byl přibalen u videokamery, protože dnes se prakticky každá kamera dodává s jednoduchým zachytávacím respektive 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 dokončení digitalizaci zastavíme a program ukončíme. Výsledkem postupu by měl být jeden nebo více videosouborů na harddisku počítače připravených k dalšímu zpracování.
Krok třetí, nepovinný: Střih
Všechny programy pro videoanalýzu nám umožňují označit na časové ose začátek a konec oblasti, ve které chceme měřit, teoreticky tedy nic stříhat nemusíme. Pokud bychom ale chtěli klipy archivovat, například pro pozdější prezentaci, vracet se k nim, měřit se studenty atd., je vhodné již nyní nahrané soubory nastříhat na kratší klipy obsahující pouze jeden experiment. Obvykle se snažíme nechat krátký čas (sekundu nebo několik sekund) před začátkem studovaného děje a naopak po něm, aby se divák stihl v klipu zorientovat, než začne vlastní pozorování. 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 starší programy AviStep, VIANA nebo (patrně nejlépe) Tracker.
AviStep je vytovřen ve francouzštině, VIANA v němčině, Tracker má anglické rozhraní. Hlavním (mnou pozorovaným) rozdílem mezi 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. Tracker má možnosti mnohem bohatší, dokáže přeškálovat obraz nezávisle v obou směrech, umístit souřadné osy šikmo vzhledem ke stranám obrazu, měřit i řadu bodů současně, exportovat data do systémové schránky a řadu dalších věcí včetně jednoduchého modelování.
Samotné měření je velice intuitivní, myší uživatel označí polohu sledovaného bodu v každém snímku a program (obvykle) přejde na další snímek automaticky. Po skončení měření se přesune do kategorie vyhodnocení, kde se zobrazí tabulky a grafy, které jsou k dispozici a také (a to především) možnost exportovat data do MS Excelu (v případě Viany) a nebo do schránky (AviStep, Tracker). A na řadě je nyní …
Krok pátý a nejdůležitější: Analýza
Teprve v tomto kroku opouštíme „mechanické“ postupy získávání dat a na scénu přichází vlastní fyzika. Programy pro videoanalýzu nám dodaly data, a záleží na konkrétním problému a zvoleném postupu, co s nimi uděláme, jestli je budeme interpretovat jako grafy, demonstrovat na nich koncepty jako je numerická derivace a integrace, nebo například určovat moment setrvačnosti valícího se válce. Ideálním nástrojem pro analýzu je tabulkový procesor typu MS Excel nebo OOo Calc, který dokáže rychle vypočítávat z dat výsledky podle vložených vzorců a tyto výsledky zobrazovat v podobě grafů. Studentům je navíc jeho použití obvykle dobře známé a nemusí ztrácet čas s učením se novému prostředí.
Nápady, triky, řešení problémů
Instalace DV kodeku
Může se stát, že program pro videoanalýzu 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. Instalace kodeku problém s načtením vyřeší.
Neočekávaně vysoké nebo nízké hodnoty
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 2 m a míček padá 20 cm před tabulí, pak změříme, že míček urazil vzdálenost 1 m už ve chvíli, kdy reálná délka jeho trajektorie byla s = 1·2,0 / 2,2 m = 0,91 m, takže tíhové zrychlení nám bude vycházet g = 9,8·2,2 / 2,0 m s-2 = 10,8 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 přeškálovat 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.
Nejčastějším ale ne jediným původem 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. Toto zkreslení se obvykle neprojeví při měření v jednom rozměru (volný pád, kmitání pružiny, rozjezd vozíku), pokud ale začneme měřit ve dvou rozměrech současně, zjistíme, že získaná data neodpovídají fyzikálním zákonům, především zákonům zachování.
Například při šikmém vrhu míčku se bude celková mechanická energie nejprve zdánlivě ztrácet s tím, jak se míček dostává do větší výšky, a pak zase narůstat při jeho klesání. Ztrátu energie vysvětlí nesprávný poměr mezi výškou a šířkou obrazu, který vede k tomu, že měříme u míčku nižší výšku, než ve které se ve skutečnosti nachází. Řešením je buďto přepočet videa tak, aby obrazové body byly čtvercové (což ale vede ke ztrátě ostrosti videa), použití programu pro videoanalýzu, který umožňuje do obrazu umístit dvě měřítka v navzájem nezávislých směrech, nebo dodatečná kalibrace změřených dat, tedy vynásobení nebo vydělení jedné souřadnice faktorem odpovídajícím poměru stran obrazového bodu videa (obvykle 1,067 pro PAL 4:3).
Ještě horší situace obvykle nastane, pokud natáčíme svislý děj a otočíme videokameru o 90° podobně jako běžně otáčíme fotoaparát. V takovém případě je třeba video v nějakém nástroji také otočit, přičemž buď musí dojít ke přepočtu bodů, tedy převzorkování a rekompresi, nebo se změní poměr stran obrazových bodů ve videozáznamu na převrácený, s čímž si programy pro videoanalýzu poradí ještě hůře, než v předchozím případě. S běžnou videokamerou proto není vůbec vhodné v otočené poloze natáčet, pokud si nejste jistí, že s vaším vybavením dokážete měřit bez zkreslení.
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 prto se mu budu věnuji 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, nicméně, pokud zvolíte paprametry komprese tak, aby v obrazu nebyly viditelné ztráty, ničemu neublížíte. Volba kodeku a nastavení parametrů jsou ale otázkou, která by si vyžádala mnohem větší prostor, než tento návod.
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 dokáže najít.
nahoru