陳霞

視頻記錄著真實(shí)的世界，對(duì)實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和分析是物理實(shí)驗(yàn)分析的一個(gè)重要方法。人教版高中物理必修1教科書的《伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究》這節(jié)中“做一做”初步介紹了數(shù)碼照相機(jī)視頻在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，下面就這一方法做一下具體探討。

● 視頻分析原理介紹

視頻記錄了兩個(gè)關(guān)鍵值，時(shí)間和所拍攝的空間。

時(shí)間與攝像機(jī)錄制時(shí)的幀率有關(guān)，以一般攝像機(jī)每秒錄制30幀為例，也就是每秒錄制30幅靜態(tài)畫面；靜態(tài)畫面記錄了物體的位置，如第二幀靜態(tài)畫面是攝像機(jī)在第0.033秒時(shí)拍攝的，畫面中物體的位置是第0.033秒時(shí)物體的位置?？臻g的大小可以用視頻中已知物體的大小來同比例換算。

每個(gè)幀的畫面上顯示了運(yùn)動(dòng)物體當(dāng)時(shí)的影像，如果在幀畫面上定義了坐標(biāo)系，就有該影像的位置數(shù)值，即坐標(biāo)數(shù)值。視頻分析軟件就是逐幀手動(dòng)或自動(dòng)標(biāo)記運(yùn)動(dòng)物體的位置，把所有的位置標(biāo)記疊加到最后一幀畫面，就能直觀地顯示物體運(yùn)動(dòng)的軌跡，且運(yùn)動(dòng)物體的位移數(shù)據(jù)可從視頻中已知物體的大小來同比例換算。

● 視頻分析的一般步驟

（1）導(dǎo)入所拍攝的視頻到軟件中，然后選取開始幀和結(jié)束幀，設(shè)置幀的步伐。例如，自由落體下落是從視頻的第5幀開始，那么第5幀就作為開始幀，然后每10幀分析當(dāng)時(shí)的落體的位置，這里每10幀就是幀的步伐。

（2）在幀的畫面上定義坐標(biāo)系，一般把物體運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)。如果攝像機(jī)拍攝的角度不是水平的，可以定義坐標(biāo)軸的偏轉(zhuǎn)角度來校正拍攝場景。

（3）定義比例標(biāo)尺，在幀畫面中找到已知長度的物體，用鼠標(biāo)標(biāo)記物體的頭和尾，然后填寫物體長度的實(shí)際尺寸數(shù)值。以比例標(biāo)尺來度量視頻中物體的尺寸和位移，視頻分析軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出物體的坐標(biāo)值。

（4）逐幀對(duì)畫面中運(yùn)動(dòng)物體形狀中心進(jìn)行標(biāo)記，移動(dòng)鼠標(biāo)到物體的形狀中心進(jìn)行軌跡標(biāo)記。對(duì)于高速移動(dòng)的物體，攝像機(jī)鏡頭快門打開到關(guān)閉拍攝一幅幀畫面需要幾毫秒，那么幀畫面中物體勢(shì)必有數(shù)個(gè)影子，這些影子的組合形狀的中心就是要標(biāo)記的位置。

（5）軟件根據(jù)物體形狀中心標(biāo)記能自動(dòng)計(jì)算出坐標(biāo)。這些數(shù)值可以導(dǎo)入到Excel表中，如第0.033秒X=0.2m，第0.066秒時(shí)X=0.6m，根據(jù)這些數(shù)值可以手工畫出速度圖或位移圖。

● 視頻實(shí)例分析

當(dāng)前視頻分析軟件有：VideoPoint，Measurement in Motion，Physics ToolKit，Vernier's Logger Pro，DataPoint，Tracker等，下面以Tracker軟件為例進(jìn)行視頻實(shí)例分析。

1.自由落體實(shí)驗(yàn)

（1）拍攝自由落體視頻。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：小球一只、作為度量標(biāo)尺的直尺一把、Casio EX-z1200照相機(jī)一臺(tái)或者其他普通攝像機(jī)。用照相機(jī)正面水平方向拍攝球的自由落體運(yùn)動(dòng)。

（2）用Tracker軟件打開該視頻文件進(jìn)行分析：選取要分析的起始和結(jié)束幀，定義小球自由落體的下落起點(diǎn)為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，找到圖中的直尺作為度量標(biāo)尺，用鼠標(biāo)定義頭尾，輸入頭尾的實(shí)際長度，逐幀標(biāo)記小球的質(zhì)心（Shift+鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊小球在各幀中的位置），得出視頻分析圖（如圖1），顯示的是自由落體運(yùn)動(dòng)的最后一幀，位置標(biāo)記顯示了小球的運(yùn)動(dòng)軌跡。Tracker根據(jù)視頻中小球的位置能自動(dòng)計(jì)算出坐標(biāo)，根據(jù)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)一步分析得出速度時(shí)間圖（如圖2），也可導(dǎo)出數(shù)據(jù)到Excel表，學(xué)生可以根據(jù)數(shù)據(jù)表手動(dòng)畫出位移圖和速度圖。

2.月球上的自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

從美國宇航局網(wǎng)站下載阿波羅15號(hào)宇宙飛船在月球上拍攝的鐵錘和羽毛自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)視頻。用Tracker軟件打開該視頻文件，視頻拍攝的角度不是水平的，定義視頻坐標(biāo)系水平偏轉(zhuǎn)6度進(jìn)行校正。設(shè)置幀的步伐為每3幀分析一次。視頻中標(biāo)尺為鐵錘的長度，根據(jù)美國宇航局公布的applo 15飛行日志文件，鐵錘長度是0.39米，用鐵錘作為視頻的標(biāo)尺。每3幀標(biāo)記一次鐵錘中心，得視頻分析圖（如圖3），軟件將自動(dòng)計(jì)算出鐵錘隨時(shí)間變化的位置坐標(biāo)，進(jìn)一步得出位移時(shí)間圖和速度時(shí)間圖（如圖4）。視頻分析結(jié)果驗(yàn)證了伽利略關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的結(jié)論，也可計(jì)算出月球的重力加速度大致是1.6米/秒2。

● 視頻分析的優(yōu)點(diǎn)

視頻能再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，給學(xué)生很直觀的體驗(yàn)。視頻分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單，只需一臺(tái)普通的數(shù)碼攝像機(jī)或照相機(jī)，能隨時(shí)拍攝身邊的物理現(xiàn)象用以分析，能提高學(xué)生的探究興趣?？商娲螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器和昂貴的頻閃照相機(jī)等設(shè)備，可以開展學(xué)校不能開展的實(shí)驗(yàn)。美妙的視頻加上視頻分析會(huì)使學(xué)生踏上快樂的科學(xué)探索之路。