FyzWeb  články
Rychloběžné video ve škole2011-03-02 

Série článků nazvaná 1200 fyzikálních snímků za sekundu se zabývá použitím levné rychloběžné kamery v hodinách fyziky a experimenty, které jsou pro natočení vhodné a zajímavé. V tomto prvním dílu se podíváme na možnosti dostupné kamery, její omezení a zmíníme programy vhodné ke zpracování natočeného videa a měření v něm.

Možnost zaznamenat videozáznam zpomaleně nám dává šanci studovat rychlé fyzikální děje, jako jsou hoření, výbuchy, mechanické procesy jako je odtržení kapky, a podobně. Před velmi nedávnou dobou byla taková měření velmi nákladnou záležitostí, ale pokles cen digitální techniky snížil cenu kamery natolik, že je dnes relativně běžně dostupná.

Všechny klipy popisované v tomto seriálu byly vytvořeny s digitálním fotoaparátem Casio Exilim EX-F1, který mimo jiné nabízí možnost natáčet rychloběžné video s frekvencí 1200 FPS (snímků za sekundu) v rozlišení 336×96 bodů. (Kalibrace – analýza nahrávky displeje se stopkami ukazuje frekvenci 1194 FPS.) Videa natočená fotoaparátem jsou standardně přehrávána při rychlosti 30 FPS, tedy 40× zpomaleně. Použitý model již v době psaní tohoto textu na trhu není, prodávají se ale jeho nástupci Exilim EX-FH25 a Exilim EX-FH20 pracující s frekvencí 1000 FPS a rozlišením 224×64 bodů. I tyto přístroje pro většinu měření vyhovují, navíc jejich cena klesla již pod 10 000 Kč, čímž se ještě více blíží školním možnostem.

Věci, které nezachytíme

Ne všechny děje, které bychom rádi natočili, se s dostupnou technikou skutečně natočit dají. Problém představují příliš rychlé děje (limituje nás frekvence snímání), příliš malé objekty, nebo děje, které je problém udržet „na jednom místě“ (omezení dané malým rozlišením videa). Není tak například možné zachytit diabolku vystřelenou ze vzduchovky, protože za dobu mezi dvěma snímky urazí dráhu přibližně 5–10 cm a přitom je jen 5 mm velká. Stejně tak není možné zachytit například předávání hybnosti na rázostroji. Náraz a impulz se mezi koulemi předávají příliš rychle (např. v oceli je rychlost zvuku 5000 m·s-1), takže na jednom snímku se ještě krajní koule blíží k ostatním a na druhém už koule na opačné straně rázostroj opouští.

Podobně se nepodaří zpomaleně zobrazit šíření výboje mezi vývody Ruhmkorffova induktoru, nicméně v klipu zůstanou alespoň zachycené snímky cesty výboje. Pokud navíc do prostoru výboje vložíme hořící špejli, můžeme pozorovat, že průchod výboje má na plamen zřetelný vliv.

Kvalita obrazu

Rychloběžné video v podání fotoaparátu CASIO Exilim má oproti běžnému videu svá specifika. Jedná se především o vysokou náročnost na osvětlení scény, dále pak i vysoký šum v obrazu i při dobrém osvětlení. Zatímco šum nám při fyzikálním měření příliš nevadí, osvětlení je velmi limitující. Scénu totiž není možné osvítit libovolným běžným zdrojem, protože jak žárovka, tak zářivka vydává světlo kolísavého jasu s frekvencí 100 Hz. To je frekvence nízká v porovnání se snímací frekvencí 1200 Hz, takže ve výsledném klipu je pak zřetelné blikání obrazu 12× za sekundu.

Vhodným a dostupným osvětlením je proto halogenová žárovka napájená ze školního akumulátoru.  Dalším vhodným zdrojem by měla být také tzv. úsporná žárovka, ve které je díky kmitavému obvodu frekvence blikání cca 40 kHz, tuto možnost jsme ale neotestovali. Ideálním zdrojem osvětlení je pak jednoznačně přímé sluneční světlo.

Vzhledem k tomu, že rychloběžná kamera přímo vyzývá k tomu, aby byly natočeny děje jako hoření či exploze, je často také nutné natáčet potmě či při minimálním osvětlení, kdy funguje automatické ostření špatně, proto je vhodné přepnout kameru do manuálního režimu, zaostřit za světla a pak zhasnout a experimenty potmě natočit.

Následně je pak možné upravit natočené klipy zvýšením jasu a případně i změnou kontrastu, čímž lze dosáhnout toho, že ve výsledku je vidět jak hořící plyn, tak okolí. Daní za zjasnění je zvýšení šumu v obraze, které ale pro účely měření nevadí.

Jak kalibrovat obraz

Každé měření s videokamerou vyžaduje kalibraci, mají-li z něj vycházet hodnoty veličin ve skutečných jednotkách, ne jen v pixelech, nebo veličiny poměrné. Všechny programy pro videoanalýzu jsou k tomuto účelu samozřejmě vybaveny nástrojem pro označení nějaké délky v obrazu a následně všechny velikosti přepočítávají podle zadané délky. Je proto vhodné si do scény, kterou natáčíme, umístit měřítko, nebo si změřit některý ze snímaných objektů, přičemž samozřejmě platí, že měření je tím přesnější, čím delší kalibrační měřítko/objekt je. Pokud používáme měřítko, je důležité, aby se nacházelo ve stejné rovině, jako je snímaný děj, a tato rovina byla rovnoběžná s rovinou čočky videokamery, jinak dojde ke zkreslení rozměrů. Například dvaceticentimetrová tyč, kterou umístíme v záběru padajícího míčku těsně za tento míček, řekněme 5 cm za jeho střed, způsobí při snímání ze vzdálenosti 0,5 m chybu 10%. Abychom dosáhli dobrých výsledků, je třeba ji umístit vedle středu míčku.

Software a jeho použití

Videoklipy stažené z kamery mají formát mov (Apple Quicktime). Tento formát lze přehrát na libovolném počítači Apple, které ale nejsou vzhledem k ceně běžným vybavením v českých školách. Lze je ale také na počítačích s OS Windows s instalovaným Quicktime Playerem. Z důvodů uvedených níže není vhodné použít jinak mnohem příjemnější Quicktime Alternative.

Protože z kamery získáme klipy, které jsou příliš dlouhé, je třeba z nich zajímavé scény vystříhat. Navíc, naproti běžnému videu je běžné, že natáčíme v poloze vodorovné i svislé a proto musíme záznam z kamery otočit. K běžným operacím s videem můžeme použít mnoho programů, nevýhodou většiny z nich ale je, že video dekódují, provedou transformace a znovu zakódují. Vzhledem k malému počtu pixelů v obrazu a vysoké kompresi používané kamerou to znamená buď výraznou ztrátu kvality, nebo nárůst velikosti souborů. Optimálním je proto nástroj, který provede ořez a rotaci videa bez dekomprese, například MPEG Streamclip, který byl použit při úpravě všech klipů v tomto seriálu. Rotace provedená programem MPEG Streamclip může ale na počítači s Windows být ignorována, pokud není nainstalován plný Quicktime Player, ale jen některá z jeho alternativ. MPEG Streamclip nám také umožní, je-li to potřeba, upravit parametry obrazu, jako jeho světlost, barevnost či kontrast, takový zásah ovšem již rekompresi videa vyžaduje.

Také pro videoanalýzu, tedy měření v natočeném videoklipu, kalibraci obrazu, automatickou detekci polohy apod., můžeme použít celou řadu programů. Donedávna byly nejvhodnějšími kandidáty programy Viana a Avistep, především proto, že jsou k použití zdarma. Bohužel, jednak oba zvládnou načíst pouze video ve formátu avi, a navíc vývoj obou se již dávno zastavil, takže je velmi pravděpodobné, že se do nich nepodaří nahrát většinu klipů vytvořených na počítačích dnes. Relativní novinkou je nástroj pro videoanalýzu Tracker, který umí nejen načíst videa jak avi, tak mov, ale také měnit mnoho parametrů měření, které bylo ve starších programech nutné dodatečně dopočítávat (např. umístění os různoběžných se stranami videoklipu, změnu FPS videa, skoky po několika snímcích, intuitivní automatickou detekci pohybu apod.).

Použitá videa ke stažení

 

Další již zvěřejněné díly seriálu

 

Autory seriálu jsou RNDr. Jan Koupil a RNDr. Vladimír Vícha.


zpět na přehled článků