VidAnToo

Über VidAnToo

Erfassung und Auswertung einer fallenden Plastillinkugel in Glycerin als Beispiel zur Bestimmung der Viskosität. Man kann im oberen Diagramm die ROI samt Mittelwert und Ausgleichsgerade sehen, deren Steigung die Geschwindigkeit ist. (Die ROI ist hier etwas zu groß gewählt, damit man die Ausgleichsgerade gut sehen kann.)

Ein Auto mit Federantrieb beschleunigt und rollt aus. Im Auswertungsfenster sieht man die v(t)-Ausgleichsgerade für die erste Phase, deren Steigung die Beschleung ist. Die Datenpunkte wurden per Tastatursteuerung bearbeitet, die Ableitungsglättung ist abgeschaltet.

Zeitstreifenbild dieser Bewegung. Das Bild kann auch gedreht und automatisch mit einem Koordinatensystem versehen werden.

Die Objekterfassung selbst erfolgt jedoch manuell, d.h. durch Anklicken des Objektes in den Einzelbildern mit einem Fadenkreuz-Cursor.

Wichtigste Features von VidAnToo:

• NEU: Zeitstreifenbild. Aus jedem Einzelbild wird ein Streifenbereich unter-/nebeneinander kopiert, um so den Verlauf der Bewegung in einem einzigen Bild darzustellen; mit einblendbarem Koordinatensystem und ein paar einfachen Bildbearbeitungsoptionen. Gut geeignet zur Einführung und Veranschaulichung von s(t)-Diagrammen. Beispiel für ein Arbeitsblatt.
• + bis zu drei Objekte erfassbar
• + Region of Interest (ROI) - statistische Auswertung eines auswählbaren Bereichs mit
  • Minimal-, Maximalwert und Spannweite für beide Achsen
  • Mittelwert und Standardabweichung
  • Fläche unter der Kurve
  • Ausgleichsgerade (lineare Anpassungsfunktion) mit Steigung, Achsenabschnitt und Korrelationskoeffizient
  • quadratische Anpassungsfunktion, allgemein und für gleichmäßig beschleunigte Bewegung
• + zwei Glättungsverfahren
• + kann mit lückenhaften Daten umgehen
• + automatische Erkennung der Bildfrequenz (nicht immer)
• + Punktespur im Bild
• + Feinsteuerung bei der Objekterfassung mit der Tastatur (WASD+Space)
• - Nur manuelle Erfassung
• + für private Nutzung und öffentliche Schulen kostenlos

Geplante Features der nächsten Versionen:

• Überspringen von Einzelbildern
• manuelle Anpassung der Kurvenparameter

Download

Um die vielen verschiedenen AVI-Formate lesen zu können, empfehle ich den DirectShow-Codec ffdShow. In dessen VFW-Konfiguration (Start -> Programme -> ffdshow -> VFW Konfiguration, "Decoder"-Reiter, links oben "Codecs"-Seite) kann man hier eine Windows-Unterstützung für etliche Videoformate aktivieren. Üblicherweise sollte man dort "MJPEG" auf libavcodec setzen: Screenshot

• Neu: Zeitstreifenbilder

• Quadratische Anpassungsfunktionen ergänzt; Kurvenanpassung etwas übersichtlicher gestaltet.

Lizenz

• VidAnToo ist für die persönliche, private Nutzung kostenlos.
• Es darf in öffentlichen Schulen im Unterricht kostenlos genutzt werden, sowie auch von den Schülern dieser Schulen zuhause zu Unterrichtszwecken. Auch die Weitergabe zu diesen Zwecken ist erlaubt. Stellen Sie jedoch die Dateien nicht öffentlich zum Download bereit (sondern nur im Intranet oder für eine geschlossene Benutzergruppe).
• Jede andere Nutzung (darunter insbesondere auch die kommerzielle Nutzung oder Verbreitung) bedarf der ausdrücklichen Genehmigung des Autors. Fragen Sie einfach nach.
• Jegliche Haftung ist ausgeschlossen.

Digitale Videoanalyse

Um einen Bewegungsablauf zu erfassen, misst man üblicherweise Zeiten und Positionen eines Objekts; bei einem Hundert-Meter-Lauf beispielsweise bei Anfang und Ende, um so die Durchschnittsgeschwindigkeit zu ermitteln. Manchmal (vor allem, wenn man solche Bewegungsabläufe verstehen will) möchte man jedoch genauere Aussagen über den Bewegungsverlauf zu erhalten: Welche Maximalgeschwindigkeit erreicht der Läufer? Wann? Welche Bahn beschreibt ein geworfener Ball? Wie wird ein Auto schneller? Oder wie (und wie schnell) ändert sich seine Geschwindigkeit beim Bremsen? Wie sieht die Bewegung einer fallenden Eisenkugel im Vergleich zu einem Tischtennisball aus? Wie schwingt ein Pendel? Dazu ist es nötig, mehr Messdaten zu erfassen als nur an Anfang und Ende. Mehrere Stoppuhren oder Lichtschranken helfen hier weiter.

Es gibt aber auch eine technisch einfachere Möglichkeit, Bewegungsverläufe in vielen Messdaten zu erfassen: Man macht einfach ein Video von dem sich bewegenden Objekt, und auf jedem Bild kann man die Position des Objekts erkennen. Hat man das Video, kann man in jedem Bild die Position des Objektes bestimmen, anhand eines Vergleichsmaßstabs in Meter umrechnen und die Daten in einer Tabelle oder einem Diagramm darstellen. Je nach Bildrate der Kamera hat man damit 20-30 Messwerte, aus denen sich ein schönes s(t)-Diagramm ergibt. Es gibt mittlerweile sogar erschwingliche (~200E) Digitalkameras, die mehrere hundert Bilder pro Sekunde machen und so auch eine Analyse sehr schneller Bewegungen erlauben.

Programme zur digitalen Videoanalyse (darunter auch VidAnToo) vereinfachen diese Schritte (die prinzipiell auch 'manuell' durchgeführt werden können):

1. Man lädt die Video-Datei,
2. legt den Maßstab (Kalibrierung) und den Ursprung fest,
3. legt den relevanten Abschnitt des Videos fest
4. und markiert die Position des Objekts in jedem Bild (manche Programme erledigen dies automatisch).

Prinzipbedingt sind die errechneten Daten für Geschwindigkeit und Beschleunigung mit starkem Rauschen versehen: Klickt man bei der Objekterfassung mal ein, zwei Pixel daneben (und so genau kann man das Objekt oft gar nicht erkennen), sieht man das im Verlauf der s(t)-Kurve kaum. Die Geschwindigkeit wird aber aus den Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern berechnet. Beträgt diese beispielsweise nur 8 Pixel, so macht ein 'Messfehler' von 2 Pixeln schon 2/8 = 25% aus. Die so berechneten Werte weisen also eine hohe Streuung auf. Wenn aus diesen schon stark verrauschten Daten dann auf die gleiche Weise noch die Beschleunigung berechnet wird, so ist deren Streuung erheblich und oft größer als der eigentliche Wert der Beschleunigung. Um eine brauchbare Darstellung zu erhalten, sind Glättungsverfahren (wie gleitender Mittelwert) hilfreich.