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  • Videoanalyse von Bewegungen mit VIANA

    • Prinzip der Videoanalyse von Bewegungen

      Die Videoanalyse von Bewegungen ermöglicht die berührungslose Messung der Orts- und Zeitkoordinaten von bewegten Objekten. Die Position (x- und y- Koordinate) des bewegten Objekts relativ zu einem gewählten zweidimensionalen Koordinatensystem wird dazu in jedem Einzelbild gespeichert. Aus diesen Zeit- und Ortsinformationen können dann der Ort sowie die Geschwindigkeit des Objekts in Richtung der x- bzw. y-Achse des Koordinatensystems ermittelt und graphisch dargestellt werden.

      Wir nutzen zur Aufnahme und Aufbereitung der Daten die App VIANA bzw. VIANA2 der FU Berlin und zur weiteren Analyse der Daten alternativ die Apps Vernier Graphical Analysis GW (iPadOS), Numbers (iPadOS oder MacOS) oder LibreOffice (Windows, MacOS, Linux).

    • 1. Vorbereitung der Videoaufnahme

      Um geeignete Messdaten zu erhalten, sollte die Videoaufnahme entsprechend den folgenden Punkten vorbereitet werden:

      • Das Objekt sollte gegen den Hintergrund gut erkennbar sein.

      • Der Hintergrund sollte möglichst einfarbig und ohne Übergänge / Kanten sein.

      • Der Bildausschnitt sollte so gewählt werden, dass Start und Ende der Bewegung vollständig im Bild sind.

      • Das iPad sollte möglichst parallel zur gefilmten Ebene ausgerichtet werden.

      • Der Maßstab sollte sich in der gefilmten Ebene befinden.

      • Auf das Objekt sollte stets scharf gestellt werden. Dazu vor Beginn der Aufnahme einmal auf das Objekt auf dem Bildschirm tippen.

       

      VIANA kann auch Videos aufbereiten, die bereits als Datei auf dem iPad gespeichert sind. Für deren Aufnahme gelten selbstverständlich die gleichen Voraussetzungen.

    • 2. Aufnahme des Videos direkt in VIANA

      • Öffne die App VIANA, indem Du auf das Symbol tippst.

      • Tippe auf das Symbol .

      • Stelle die Shutter-Zeit so gering wie möglich ein und regel dann die Helligkeit so lange nach, bis das Objekt gut gegen den Hintergrund erkennbar ist.

         

      • Tippe auf um das Auswahlmenü zur Einstellung der Frames per second (Anzahl der aufgenommenen Bilder pro Sekunde) zu öffnen. Für langsame Bewegungen kannst du wenige, für schnelle Bewegungen solltest du mehr Frames per second wählen.

      • Tippe auf um die Aufnahme zu starten und wieder zu beenden.

      • Gib deinem Projekt einen beliebigen Namen und tippe auf „Projekt anlegen“.

      • In der neusten iPadOS-Version können Projekte zur Zeit in VIANA leider nicht mehr gelöscht werden. Möchte man die Daten löschen, muss die App neu installiert werden.
    • 3. Vorbereitung der Datenerfassung
       

      Schneide das Video so, dass nur Anfang und Ende der Bewegung zu sehen ist.

      Lege den Maßstab fest (Achte auf eine Eingabe in m).

      Lege das Koordinatensystem fest, indem du den Koordinatenursprung und den Endpunkt der x-Achse verschiebst. Die y-Achse bleibt stets in einem rechten Winkel zur x-Achse.

    • 4. Datenerfassung
      4.1. Manuelle Erfassung 

      • Tippe auf „Manuelle Erfassung“.

      • Markiere das Objekt mit dem Fadenkreuz. Nutze die Lupe am rechten oberen Rand.

      • Tippe auf eine beliebige Stelle des Bildschirms. Dadurch wird die Position des Objekts gespeichert und das nächste Frame (das nächste Bild) angezeigt und das Objekt kann erneut markiert werden.

      • Um die Postion des Objekts nicht auf allen Bildern markieren zu müssen, kann man auch manuell vorspulen, indem der Schieberegler nach rechts bewegt wird. Die Nummer des aktuell angezeigten Bildes wird rechts angezeigt.

       
      4.2. Bewegungserkennung über den Hell-Dunkel-Kontrast 

      • Tippe auf „Bewegungserkennung“.

      • Markiere das Objekt mit dem Fadenkreuz. Nutze die Lupe am rechten oberen Rand.

      • Tippe auf eine beliebige Stelle des Bildschirms. An der erzeugten Punktspur kann man erkennen, ob die Position des Objekts richtig von der App verfolgt wird.

      • Die 'Bewegungserkennung über den Hell-Dunkel-Kontrast' arbeitet in der Regel zuverlässiger als die 'Bewegungserkennung über den Farbkontrast'.
      4.3. Bewegungserkennung über den Farb-Kontrast

      • Tippe auf „Farberkennung“.

      • Markiere das Objekt mit dem Fadenkreuz. Nutze die Lupe am rechten oberen Rand.

      • Tippe auf eine beliebige Stelle des Bildschirms. An der erzeugten Punktspur kann man erkennen, ob die Position des Objekts richtig von der App verfolgt wird.

      4.4. Löschen einer Punktspur

      Um eine Punktspur zu löschen, tippe hier auf „-“.

    • 5. Diagrammerstellung

      • Tippe auf. Das erste angezeigte Diagramm ist das x-y-Diagramm. Durch eine „Wischbewegung“ nach links kannst du dir die Diagramme für die einzelnen Raumrichtungen (entlang der x- bzw. der y-Achse) darstellen lassen. Das obere Diagramm ist stets das Zeit-Ort-Diagramm, das untere das Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm.

    • 6. Datenexport

      Um die Messdaten weiter zu untersuchen, können die Messdaten exportiert werden.

      6.1. Datenexport in die App „Graphical Analysis GW“ oder die App „Numbers“

      • Tippe auf .

      • Tippe auf „CSV-Datei mit anderer App öffnen … “

      • Tippe auf oder auf .

      6.2. Datenexport in eine Tabellenkalkulation z.B. "Numbers" oder "LibreOffice" unter einem anderen Betriebssystem

      • Tippe auf .

      • Tippe auf „CSV-Datei mit anderer App öffnen … “

      • Tippe auf „In Dateien sichern“.

      • Speichere die Datei ab und „transferiere“ die Datei z.B. über "moodle" zu dem Rechner, auf dem sich die Tabellenkalkulation befindet.
    • Erklärvideo zur Benutzung von VIANA (Sebastian Becker)
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      Sobald das hier eingebettete Video abgespielt wird, erhält YouTube als externer Anbieter diese Daten von Ihnen übermittelt.

      Quelle: YouTube / ksEa4wLsAoc

    • Erklärvideo zur Benutzung von VIANA (Matthias Schöne)
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      Quelle: YouTube / HxnHPoD6Ouo

    • Erklärvideo zur Benutzung von VIANA (Ulrich Schütz)
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    • Erklärvideo zur Benutzung von VIANA (Olaf Zelesnik)
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    • 7.1. Datenauswertung mit der App "Graphical Analysis"

      Nach dem Export der Messwerte in die App "Graphical Analysis" bietet sich dir folgendes Bild:

      • Wähle rechts oben als Anzeige "1 Diagramm".

      • Wähle als Größe auf der Rechtsachse "Zeit (in s)".

      • Wähle als Größe auf der Hochachse "Objekt 1 ...". Du solltest nun das Zeit-Ort- oder das Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm der Bewegung sehen.

      Messdaten sind immer mit Messfehlern behaftet. Um auf physikalische Gesetzmäßigkeiten schließen zu können, müssen daher mathematische
      Funktionen bestimmt werden, deren Graph bestmöglich an die Messdaten angepasst ist (Ausgleichskurve). Die App "Graphical Analysis" kann dies automatisch für verschiedene, auswählbare Funktionstypen durchführen.

      • Tippe auf .

      • Tippe auf „Näherungsgleichung anwenden“.

      • Wähle den passenden Funktionstyp aus. Die Ausgleichskurve wird entsprechend dem gewählten Funktionstyp erstellt, die zugehörige Funktionsgleichung mit den Funktionsparametern wird angezeigt. Je kleiner der RMSE-Wert (RMSE steht für Root Mean Square Error und ist ein Maß zur Beurteilung der Regressionsgüte. Der Wert berechnet sich aus der Quadratwurzel der mittleren Fehlerquadratsumme), desto besser passt die Funktion zu den Messdaten.

    • 7.2 Datenauswertung mit "Numbers"
      Erklärvideo zur Datenauswertung mit "Numbers" (Matthias Schöne)
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    • 7.3 Datenauswertung mit "LibreOffice"
      Erklärvideo zur Datenauswertung mit "LibreOffice" (Matthias Schöne)
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