Videoměření - pohyb kyvadla

Videoměření je elegantní způsob, jak přinést experiment přímo na obrazovku. Stačí digitální kamera a volně šiřitelné aplikace a můžete vytvořit vlastní videoexperiment. Já zde přikládám svůj vlastní pokus - Pohyb dvou nestejně dlouhých (a hmotných) kyvadel a také několik poznámek pro ty, kteří by chtěli videoměření také vyzkoušet.

Videopořad z tohoto videoměření (předesílám že neučím fyziku, šlo spíše o pokus technický)

To dobré

Videoměření umožňuje "provádět" měření přímo ve třídě. Mnoho fyzikálních experimentů, které by jinak zabraly příliš mnoho času nebo by je z prostorových důvodů nebylo možné do třídy vůbec přenést, se tak může stát součástí výuky. Spočívá to v tom, že natočíte nějaký děj. Video otevřete ve speciálním programu a postupně, snímek za snímkem, označujete polohu sledovaného bodu (v mé ukázce koncového bodu ramene kyvadla). Pokud známe měřítko (v mém případě vím, jak dlouhá je lego kostka) a časový interval mezi snímky, není pro program problém nejen zobrazit trajektorii bodu, ale také jeho rychlost a další parametry. Nejlépe se pracuje s pohybem - odražený míč, volný pád, šikmý vrh, pohyb po křivce, pohyb ruky při chůzi... Práce s programem není složitá, ačkoli poněkud zdlouhavá. Nakonec máte k dispozici grafy a tabulky k dalšímu zpracování.

To méně dobré

Problém nastává, pokud je pohyb příliš rychlý. Původně jsem chtěl zpracovat trajektorii bodu na joju - ale běžná kamera snímá pouze 30 snímků za vteřinu. Takováto snímková frekvence nemá šanci žádný rychlejší pohyb zachytit. Ani současné kamery disponující 60 snímky/s na podobný pohyb nestačí. Šanci máme až se 120 Hz kamerou, která je ale obvykle velmi drahá (ačkoli touto funkcí disponuje už i například GoPro Hero 3+ Black edition, jejíž cena jen lehce přesahuje 10 tisíc korun). Dalším problémem je rozmazání snímku. I pokud je pohyb dostatečně pomalý a rovnoměrný na to, aby jej naše kamera zaznamenala, výsledné políčko filmu bude pravděpodobně velmi rozmazané (viz obrázek). Místo kýženého bodu uvidíme několikacentimetrovou šmouhu - automatické označování v programu pak nemá šanci a i člověk má dost velký problém určit, kde bod označit. Díky tomu může docházet k nezanedbatelným nepřesnostem. Dalším omezením je skutečnost, že snímaný pohyb musí probíhat v rovině kolmé ke kameře. Jakmile by se bod pohyboval i v ose z, program by s tím nedokázal pracovat a vzdálenosti přepočítal zcela chyně. Zde tedy narážíme, pokud bychom chtěli videoměřením zpracovat přírodní pohyby - padající list, pohyb zvířete a pod.

Řešením je blesk

Při videoměření vlastně poskládáme jednotlivé snímky filmu do jednoho, čímž vznikne trajektorie bodu. Při známé snímkové frekvenci a měřítku pak již spočítáme vše potřebné. Jako vášnivého fotografa mě napadlo, jestli něco podobného nelze udělat i pohou fotografií a celý složitý proces s videem obejít a vyhnout se tak problémům s rozmazaným bodem, nízkou snímkovou frekvencí a podobně. V umělecké fotografii se již dlouho využívá techniky "strobo", kdy se pohybující se objekt osvětluje pomocí mnoha krátkých záblesků blesku. Počet záblesků, intensita a především jejich frekvence se dá na těchto blescích nastavit. Získáme tak snímek, na kterém jsou rovnou zaznamenány polohy námi sledovaného bodu. Můžeme pak dopočítat všechny veličiny stejně jako ve videoměření. Navíc bude každá poloha na snímku krásně ostrá, protože délka jednotlivých záblesků je velmi krátká. I tato technika má svá omezení: lze ji použít pouze u takového pohybu, kde můžeme zpětně z fotografie určit, jak se bod pohyboval;  není tedy vhodná pro pohyb nahodilý či kruhový, kde nepoznáme, v kolikáté "otočce" již bod je (je nutné umět body "očíslovat").

Snímek kyvadla v pohybu - ačkoli byl koncový bod kontrastní, je špatně zřetelný

Letící míč snímaný pomocí jediné fotografie a stroboskopického blesku  

 

Závěrem

Vidoeměření je zajímavá alternativa k přímému experimentu, ale prozatím má mnohá technická omezení. Většina experimentů, která je možno bez problémů videoměřením zpracovat, je také možno ve třídě přímo předvést - a naopak: to, co by bylo úžasné žákům zpřítomnit pomocí videoměření, protože by to jinak nebylo realizovatelné, naráží na technické nedostatky současných videokamer. Přesto se domnívám, že je tato metoda užitečná, především s ohledem na budoucí vývoji digitálního záznamu videa. Je pravděpodobné, že již během několika málo let budou "vysokofrekvenční" kamery běžně dostupné. A s rozšířením stereovideografie pak odpadne i omezení pohybu v  jedné rovině.

Několik praktických tipů pro videoměřiče

• Používejte na kameře (fotoaparátu) nejvyšší možnou snímkovou frekvenci a co nejvyšší kvalitu komprese.
• Pokud je to možné na kameře nastavit, používejte co nejnižší clonové čílso (f-stop, aperture).
• Bod snímejte pokud možno proti jednolitému pozadí. Pokud bude snímaný bod označen např. flourescnční barvou (např. zvýrazňovací voskovkou) a při natáčení bude scéna osvícena, ulehčíte si práci při následném zpracování. Pokud bude bod a pozadí dostatečně kontrastní, může fungovat i automatické označování bodu a nebudete se muset proklikávat celým videozáznamem (v mém případě 400 snímků).
• Videoměřte za dobrého světla, pokud je to nutné, použijte i světlo umělé. Zkrátíte tak dobu expozice jednotlivých snímků a zamezíte tak jejich rozmazání

Odkazy

Programy pro zpracování videoměření: Avistep, Tracker
Návod na tvorbu videoměření na stránkách Katedry didaktiky fyziky MFF UK.