用tracker分析物体运动视频的误区与对策建议

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 用 Tracker 分析物体运动视频的误区 与对策建议 摘 要：Tracker 作为一款分析物 体运动视频的开源软件，具体强大的数 学分析运算功能和物体运动建模功能， 近年来在我国物理教育教学研究领域得 到广泛应用。但它作为一项信息技术工 具，既有它的优势，也有它自身的局限。 本文通过实验验证指出使用 Tracker 软 件分析物体运动视频的相对误差主要来 源及其适用条件，并提出相关对策建议。 中国论文网 /9/view-13004255.htm 关键词：Tracker ；物理实验；视 频分析；误区；对策 中图分类号：G633.7 文献标识 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 码：A 文章编号：1003-6148（2017） 11-0033-3 1 引 言 Tracker 是一款用于物体运动视 频的分析处理的开源软件，由美国卡布 里洛大学（Cabrillo College）的道格拉 斯布朗（Douglas Brown）教授开发 并维护，当前该软件最新版本为 Tracker 4.10.0（下称“Tracker”） 。1 利 用 Tracker 分析物体运动视频可迅速得 出视频中物体运动的多种运动学物理量， 其一般步骤为：准备实验器材、为实验 过程录制视频、用 Tracker 分析实验视 频、得出各项运动参数，整个应用过程 具有追踪高效、模拟准确、方便快捷的 优势。此外，Tracker 强大的数学分析 运算功能和物体运动建模功能，在近年 来我国物理教育教学研究领域得到广泛 应用，例如用 Tracker 分析物体运动的 速度与加速度2、角速度3 、抛体运 动与简谐运动4、动量守恒5 、验证 机械能守恒6-7等。毋庸置疑，Tracker -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 物体运动视频分析是当今信息技术与物 理教学有效整合的一个典型范例。 2 Tracker 物体运动视频分析的误 区 既然 Tracker 的功能如此强大， 有人提出利用 Tracker 对空中飞鸟、飞 机飞行的视频分析测定其飞行速度大小， 是否可行呢？理论上讲没有问题，但是 在实际操作中要实现上述问题则具有相 当大的难度。究其原因，先不妨从 Tracker 物理实验视频影像分析的误区 谈起。 Tracker 作为一种通过影像分析 物体运动参数的工具，有许多传统实验 不可比拟的优势。但在用 Tracker 进行 物理实验视频分析的过程中，我们可能 在这些方面容易忽略：（1）随意拍摄 物体运动视频，忽略画面的晃动与移动； （2）选取非静态物体为定标参照物 （定标参照物，是 Tracker 赋值数据时 的基本相对参考物，只有定标参照物选 取准确时，测得的数据才符合实际） ； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 （3）定标参照物与实验运动物体不在 同一平面内。上述几方面作为 Tracker 视频分析的重要环节，它们将对分析结 果产生显著的影响。尤其是定标参照物 与实验运动物体处于非同一平面，是 Tracker 对所拍摄视频分析时相对误差 的主要来源，下文将验证说明这一点。 3 Tracker 分析误差验证的物体运 动视频准备 为了检验定标参照物与实验运动 物体不在同一平面内时 Tracker 的分析 误差及其产生的条件，笔者设计利用数 字化实验系统中机械能守恒定律演示器 进行实验，通过光电门传感器和计算机 结合实测最低点摆锤速度的大小，同时 用数码相机对实验装置中摆锤的运动录 制视频，然后用 Tracker 对录制的物体 运动视频进行分析，得出摆锤在最低点 运动速度的大小。最后，将二者的实测 值和分析结果进行对比，从而探讨运用 Tracker 分析物体运动视频的相对误差 的主要来源及其适用条件。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 为获得本次 Tracker 的分析误差 验证的物理运动视频，其制备步骤如下： （1）时副敬问笛樗 需的实 验器材（表 1 所示） ，并按实验原理图 （图 1 所示）连接好各实验装置，选取 适当位置放置数码相机，以能拍摄下整 个实验场景为宜。 （2）将 DISLab 机械能守恒定 律演示器的摆锤置于 A 处，使演示器的 光电门传感器的感光孔位于演示器 D 处 （演示器刻度盘最低端） ；（3）打开计 算机中的 DISLab 6.8 软件中“ 研究机械 能守恒”主题界面，依次点击“ 清零”和 “开始记录”；（3）开启数码相机视频 录制功能，开始录制实验视频。然后释 放机械能守恒定律演示器的摆锤，当摆 锤划过 D 处时计算机会记录下一个数值， 即为摆锤在 D 点运动速度的大小，选取 多次测量该点运动速度大小的平均值作 为实测值。本实验中摆锤在最低端运动 速度大小，由 DISLab 多次测量的实测 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 值为 1.572 m/s。 4 用 Tracker 分析物体运动视频 及其相对误差验证 利用 Tracker 对录制的机械能守 恒定律的视频进行分析。打开 Tracker 软件，选择主菜单的“ 视频 导入” 按钮， 将视频加载，通过“ 视频剪辑设定 ”当摆 锤位于竖直位置最高处，设定为研究视 频的起始帧，并按下列基本步骤进行分 析： （1）设定参考坐标。选择“轨 迹坐标轴” ，建立直角坐标系；（ 2） 选择定标参照物，进行参考尺寸的定标。 选择 Tracker 软件菜单栏定标工具对长 度定标，以实验场景中预先设置好的 50 cm 白色纸带长度作为参考尺寸进行定 标，设定为 0.5 m，从而使 Tracker 能够 还原研究对象的实际运动参数；（3） 选择研究对象。本实验的研究对象是 DISLab 机械能守恒演示器的摆锤，选 择“轨迹新建 质点” 按钮，创建质点 “Mass A”代表摆锤；（4）进行轨迹控 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 制。按住 Shift + Ctrl，Tracker 软件界面 出现一个圆圈，通过这个圆圈标示出本 实验选择的研究对象摆锤，在后面 的视频播放帧中 Tracker 软件可以自动 追踪摆锤的运动过程；（6）Tracker 软 件自动描绘出摆锤速度-时间图像，该 图像明确显示出摆锤在释放后，由高向 低的运动过程中，速度大小逐渐增大； 在最低点时速度大小达最大值，而后在 上升的过程中速度大小逐渐减小； （7）分别选择三个铁架台上 50 cm 长 度的白色纸带为定标参照物，重复上述 过程，分别记录用 Tracker 分析的最低 端摆锤的运动速度大小，得到各组对比 数值及其相对误差，如表 2 所示。 据表 2 显示，当定标参照物与物 体运动处于同一平面时（即定标物与物 体运动平面距离为零） ，Tracker 视频分 析结果的相对误差不超过 1%；定标物 与物体运动平面的垂直距离增大时， Tracker 对物体运动视频分析结果的相 对误差也会随之增大；当该距离超过一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 定程度时，Tracker 视频分析结果的相 对误差甚至可达到 70%以上，此时 Tracker 视频分析结果的准确性将受到 严重影响。 5 总结与建议 Tracker 对物体运动视频分析结 果的相对误差，会随定标物与物体运动 平面的垂直距离增大而增大。其原因在 于，Tracker 是一种二维视频影像分析 软件。物体实际所处空间是三维的，而 拍摄的视频画面是二维的影像，立体空 间物体在二维的影像中会产生投影压缩 效应。例如，上述实验中定标参照物白 色纸带的长度都是 50 cm，但我们发现， 在拍摄的视频中，沿相机镜头的轴向方 向上，纸带离物体运动平面越远，其长 度在视频画面中显得越小，由此用 Tracker 进行视频分析相对误差则越大。 在用 Tracker 对物体运动视频分 析时，若要测定物体运动的各项实际的 运动，定标参照物的选取显得尤 为重要。通过上述对比实验告诉我们， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 定标参照物与物体运动在同一平面内， 且视频拍摄镜头的轴线与物体运动平面 垂直时，Tracker 分析误差可以降到最 低。这就意味着，我们在使用 Tracker 需要注意以下几方面：（1）选择用 Tracker 对物体运动视频分析之前，需 要严格在物体运动平面（水平或竖直平 面）内选取静态物作为定标参照物； （2）Tracker 对宏观、低速的物体运动 视频分析效果较好，对于微观的、高速 的物体运动，则不易跟踪分析；（3） 对拍摄视频的相机镜头本身不宜运动、 晃动，以免出现运动视频画面的跳跃、 抖动、移动，不利 Tracker 对视频画面 中运动物体的追踪分析；（4）对于物 体的周期性往复运动，则要求其运动周 期至少大于视频拍摄的帧率采样时间， 方便 Tracker 对该运动物体的连续追踪 分析。 此外，所拍摄的物体运动视频中 运动物体与背景的对比度明显、画面清 晰也将有助于提高 Tracker 分析结果的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 准确度。 再回到上文提出的问题：利用 Tracker 对空中飞鸟、飞机飞行的视频 分析测定其飞行速度大小，最大困难是 在于寻找与其飞行运动平面内的已知长 度的定标参照物，因此，看似简单的问 题就变得“理论上可行，实际上难办” 了。 最后