Λογισμικό ανάλυσης βίντεο Tracker

Η χρήση στο εργαστήριο Φ.Ε. των λογισμικών ανάλυσης βίντεο, απαιτεί κατ’ αρχάς την καταγραφή ενός φυσικού φαινομένου, μιας πραγματικής κατάστασης ή μιας εργαστηριακής άσκησης σε βίντεο. Στη συνέχεια πρέπει να γίνει βαθμονόμηση του βίντεο, να καθοριστεί δηλ. η κλίμακα αποστάσεων και η κλίμακα χρόνου. Η κλίμακα αποστάσεων καθορίζει την αναλογία μεταξύ των εικονοστοιχείων (pixels) στο βίντεο και των αποστάσεων στον πραγματικό κόσμο και για τη ρύθμισή της απαιτείται η γνώση των διαστάσεων ενός αντικειμένου ή η απόσταση μεταξύ δύο καθορισμένων σημείων που εμφανίζονται στο βίντεο. Η κλίμακα χρόνου καθορίζεται συνήθως αυτόματα με βάση την ταχύτητα των καρέ (frames per second) στο βίντεο. Υπάρχουν όμως και περιπτώσεις π.χ. ένα βίντεο αργής κίνησης που η κλίμακα χρόνου πρέπει να καθοριστεί χειροκίνητα. Τέλος το βίντεο ή μόνο ένα τμήμα του αναλύεται καρέ - καρέ και είτε αυτόματα είτε χειροκίνητα σημειώνονται στο βίντεο οι διαδοχικές θέσεις (ίχνη) των αντικειμένων που κάθε φορά μας ενδιαφέρουν. Κατ’ αυτό τον τρόπο το λογισμικό είναι σε θέση να συμπληρώσει ένα πίνακα με τα πειραματικά δεδομένα θέσης-χρόνου, να υπολογίσει την ταχύτητα και την επιτάχυνση στις διάφορες χρονικές στιγμές και να σχεδιάσει τις αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις. Τα πειραματικά αυτά δεδομένα, είτε με το ίδιο το λογισμικό είτε με άλλο π.χ. Excel ή ακόμη και χειροκίνητα, μπορούμε να τα επεξεργαστούμε περαιτέρω, ανάλογα με τον κάθε φορά στόχο της άσκησης και τις δυνατότητες του χρησιμοποιούμενου λογισμικού.

Τα λογισμικά ανάλυσης βίντεο μπορούν να συμπεριληφθούν στα διδακτικά εργαλεία της Φυσικής, αφού:

1. Η χρήση τους απλοποιεί την -σε πολλές περιπτώσεις- πολύπλοκη και χρονοβόρα διαδικασία του «στησίματος» της πειραματικής διάταξης και της λήψης των μετρήσεων αφήνοντας περισσότερο χρόνο σε δραστηριότητες σχετικές με την κατανόηση των διδασκομένων εννοιών. Βέβαια το «στήσιμο» μιας πειραματικής διάταξης και η λήψη μετρήσεων αποτελούν σημαντικό μέρος των δεξιοτήτων που πρέπει να αποκτήσουν οι μαθητές στο εργαστήριο, και συνεπώς πρέπει να υπάρχει ισορροπημένη χρήση των παραδοσιακών εργαστηριακών τεχνικών και των τεχνικών που σχετίζονται με την ανάλυση βίντεο.
2. Η δυνατότητα επανάληψης του υπό μελέτη φαινομένου μέσω διαδοχικών αναπαραγωγών του βίντεο και μάλιστα η δυνατότητα για «καρέ-καρέ» αναπαραγωγή του, συμβάλλει στη διεξοδικότερη μελέτη του φαινομένου και στην ακριβέστερη κατανόηση των λεπτομερειών του. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο ειδικά σε φαινόμενα που στη φύση εξελίσσονται πολύ γρήγορα π.χ. ελεύθερη πτώση από σχετικά μικρό ύψος. Καθοριστικής σημασίας στις περιπτώσεις αυτές είναι και η χρήση βίντεο που έχουν ληφθεί με ειδικές υψηλής ταχύτητας κάμερες (και συνεπώς κατά την αναπαραγωγή τους δημιουργούν την αίσθηση της «αργής κίνησης»).
3. Σε περιπτώσεις δισδιάστατων κινήσεων π.χ. πλάγια βολή ή κινήσεων στις οποίες συμμετέχουν δύο ή περισσότερα σώματα π.χ. πλάγια κρούση, οι παραδοσιακές εργαστηριακές τεχνικές είναι εξαιρετικά δύσκολο ή και αδύνατο να χρησιμοποιηθούν. Με την ανάλυση βίντεο, δεδομένα και για τους δύο άξονες της κίνησης μπορούν να ληφθούν, αλλά και δύο ή ακόμη περισσοτέρων σωμάτων η κίνηση μπορεί να μελετηθεί στο ίδιο πείραμα.
4. Η μέθοδος ανάλυσης βίντεο έχει πολύ μικρότερο οικονομικό κόστος σε σχέση με άλλα διδακτικά εργαλεία, αφού αρκετά λογισμικά ανάλυσης βίντεο διατίθενται ελεύθερα από τους δημιουργούς τους, ενώ στο διαδίκτυο μπορεί να βρεθεί μεγάλος αριθμός ελεύθερων για χρήση βίντεο που είναι κατάλληλα για ανάλυση. Ακόμη και στην περίπτωση που αποφασιστεί να χρησιμοποιηθούν βίντεο φτιαγμένα από τους ίδιους τους μαθητές, δεν απαιτείται κάποιος ιδιαίτερος εξοπλισμός, αφού η λήψη -τουλάχιστον των σχετικά αργά εξελισσόμενων φαινομένων- μπορεί να γίνει και με την κάμερα ενός κινητού τηλεφώνου. Συνεπώς, κάθε μαθητής που διαθέτει προσωπικό υπολογιστή μπορεί να έχει εγκατεστημένο το λογισμικό ανάλυσης βίντεο, έχοντας έτσι τη δυνατότητα να μαθαίνει στο δικό του χώρο και χρόνο.
5. Η μέθοδος της ανάλυσης βίντεο δίνει τη δυνατότητα της ενεργού συμμετοχής των μαθητών τόσο στο σχεδιασμό, όσο και στην εκτέλεση του πειράματος. Μπορούν για παράδειγμα οι ίδιοι οι μαθητές να βιντεοσκοπήσουν μια δραστηριότητά τους π.χ. το χτύπημα μιας μπάλας και να αναλύσουν αργότερα το βίντεο στο εργαστήριο ή στο σπίτι τους, υπολογίζοντας χαρακτηριστικά της κίνησης π.χ. την ταχύτητα με την οποία εκτοξεύτηκε η μπάλα μετά το χτύπημα. Έχουμε κατ’ αυτό τον τρόπο τη δυνατότητα να ενεργοποιήσουμε τους μαθητές, ώστε να ανακαλύψουν την επιστήμη μέσα στις καθημερινές τους δραστηριότητες.
6. Η χρήση λογισμικών ανάλυσης βίντεο και ιδιαίτερα η δυνατότητα της καρέ-καρέ παρακολούθησης της κίνησης ενός αντικειμένου και ο ταυτόχρονος σχεδιασμός της γραφικής παράστασης της θέσης του σε συνάρτηση με το χρόνο βοηθάει τους μαθητές να δημιουργήσουν τη νοητική σύνδεση μεταξύ κίνησης και γραφικής παράστασης. Σημαντικές παρανοήσεις των μαθητών σε σχέση με τις γραφικές παραστάσεις, όπως ότι μια γραφική παράσταση αποτελεί μια κατά κάποιο τρόπο φωτογραφική αναπαράσταση της κίνησης, ή παρανοήσεις σχετικά με την κλίση της γραφικής παράστασης είναι κατ’ αυτό τον τρόπο ευκολότερο να καταπολεμηθούν.
7. Αρκετά λογισμικά ανάλυσης βίντεο διαθέτουν δυνατότητες μοντελοποίησης. Δηλαδή καθορίζοντας τις δυνάμεις που δρουν σε κάποιο υλικό σημείο και τις αρχικές συνθήκες, το λογισμικό έχει τη δυνατότητα να «επισυνάψει» στα διάφορα καρέ του βίντεο το ίχνος του υλικού σημείου-μοντέλου καθιστώντας έτσι απλούστατη τη σύγκριση θεωρητικού μοντέλου - πραγματικής κατάστασης.
8.  Ιδιαίτερα χρήσιμη είναι η δυνατότητα προσδιορισμού του κέντρου μάζας ενός συστήματος αποτελούμενου από δύο ή περισσότερα υλικά σημεία, δυνατότητα που πολλά από τα λογισμικά ανάλυσης βίντεο διαθέτουν. Μάλιστα κάποια από αυτά τα λογισμικά χρησιμοποιώντας βιοκινητικές μεθόδους έχουν τη δυνατότητα προσδιορισμού του κέντρου μάζας ενός αθλητή ή μιας αθλήτριας.
9. Με τη δυνατότητα προσδιορισμού της καμπύλης (ευθεία, παραβολή, εκθετική, κλπ.) που καλύτερα προσεγγίζει τα πειραματικά δεδομένα καθίσταται εξαιρετικά απλή η διαδικασία συσχέτισης και ανακάλυψης της μαθηματικής σχέσης που συνδέει τα διάφορα μεγέθη που εμπλέκονται στο υπό μελέτη φαινόμενο.

Ωστόσο, δεν πρέπει να παραλείψουμε να αναφέρουμε ένα σημαντικό μειονέκτημα των λογισμικών ανάλυσης βίντεο -που όμως αποτελεί και μειονέκτημα όλων των λογισμικών- και αφορά το χρόνο που πρέπει να διατεθεί για την εκμάθησή του.

                Μεταξύ των ελεύθερα διατιθέμενων λογισμικών ανάλυσης βίντεο, το πλέον διαδεδομένο και αυτό με τις περισσότερες δυνατότητες είναι το Tracker του Douglas Brown. Πρόκειται για μια εφαρμογή γραμμένη σε Java και βασισμένη στη συλλογή εργαλείων Open Source Physics. Διαθέτει πληθώρα χαρακτηριστικών που του επιτρέπουν να συναγωνίζεται ισότιμα αντίστοιχες εμπορικές εφαρμογές. Μπορεί να αναλύσει τρεις διαφορετικούς τύπους «βίντεο»:

·         Ψηφιακά αρχεία βίντεο (.mov, .avi, .mp4, .flv, .wmv, κλπ.)

·         Αρχεία κινούμενων εικόνων τύπου animated GIF (.gif)

·         Εικόνες ή σειρές εικόνων (.jpg, .png).

Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του είναι και η ψηφιακή βιβλιοθήκη που διαθέτει: μια συλλογή από online βίντεο ή άλλους πόρους έτοιμα προς χρήση. Επίσης πρέπει να αναφερθεί πως το πακέτο είναι εξελληνισμένο, αν και με κάποια μικροπροβλήματα ακόμη.

Το Tracker μπορεί να μεταφορτωθεί : 

• από την ιστοσελίδα http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/  του Douglas Brown, 
• από την ιστοσελίδα http://www.opensourcephysics.org/items/detail.cfm?ID=7365  του Open Source Physics. 

Διατίθενται τέσσερις διαφορετικοί «εγκαταστάτες» (installers): Για Windows, για Mac OS, για Linux 32bit και Linux 64bit.

Για τη σωστή ολοκλήρωση της εγκατάστασης απαιτείται να είναι ήδη εγκατεστημένη στον υπολογιστή  η Java, έκδοση 1.6 ή μεγαλύτερη.

Ο δημιουργός του Tracker κατά την εγκατάσταση προτείνει:

α. Αποδοχή της εγκατάστασης της μηχανής βίντεο Xuggle για μέγιστη λειτουργικότητα. Το Tracker μπορεί να λειτουργήσει και με τη μηχανή βίντεο QuickTime της Apple. Για τη χρήση της πρέπει μετά την εγκατάσταση της Java να εγκατασταθεί η έκδοση 7.0 (ή μεγαλύτερη) του QuickTime.

β. Αποδοχή των εξ ορισμού διαδρομών εγκατάστασης ώστε να μη δημιουργηθούν προβλήματα σε μελλοντικές αναβαθμίσεις.

Μετά την εγκατάσταση, μέσω του μενού «Επεξεργασία/Προτιμήσεις», ο χρήστης μπορεί να αλλάξει τις ρυθμίσεις εμφάνισης, εκτέλεσης, μηχανής βίντεο, κλπ. του Tracker.