王太軍

摘 要：Tracker作為一款分析物體運(yùn)動(dòng)視頻的開(kāi)源軟件，具體強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析運(yùn)算功能和物體運(yùn)動(dòng)建模功能，近年來(lái)在我國(guó)物理教育教學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但它作為一項(xiàng)信息技術(shù)工具，既有它的優(yōu)勢(shì)，也有它自身的局限。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證指出使用Tracker軟件分析物體運(yùn)動(dòng)視頻的相對(duì)誤差主要來(lái)源及其適用條件，并提出相關(guān)對(duì)策建議。

關(guān)鍵詞：Tracker；物理實(shí)驗(yàn)；視頻分析；誤區(qū)；對(duì)策

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）11-0033-3

1 引 言

Tracker是一款用于物體運(yùn)動(dòng)視頻的分析處理的開(kāi)源軟件，由美國(guó)卡布里洛大學(xué)（Cabrillo College）的道格拉斯·布朗（Douglas Brown）教授開(kāi)發(fā)并維護(hù)，當(dāng)前該軟件最新版本為Tracker 4.10.0（下稱“Tracker”）。[1]利用Tracker分析物體運(yùn)動(dòng)視頻可迅速得出視頻中物體運(yùn)動(dòng)的多種運(yùn)動(dòng)學(xué)物理量，其一般步驟為：準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材、為實(shí)驗(yàn)過(guò)程錄制視頻、用Tracker分析實(shí)驗(yàn)視頻、得出各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，整個(gè)應(yīng)用過(guò)程具有追蹤高效、模擬準(zhǔn)確、方便快捷的優(yōu)勢(shì)。此外，Tracker強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析運(yùn)算功能和物體運(yùn)動(dòng)建模功能，在近年來(lái)我國(guó)物理教育教學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如用Tracker分析物體運(yùn)動(dòng)的速度與加速度[2]、角速度[3]、拋體運(yùn)動(dòng)與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)[4]、動(dòng)量守恒[5]、驗(yàn)證機(jī)械能守恒[6-7]等。毋庸置疑，Tracker物體運(yùn)動(dòng)視頻分析是當(dāng)今信息技術(shù)與物理教學(xué)有效整合的一個(gè)典型范例。

2 Tracker物體運(yùn)動(dòng)視頻分析的誤區(qū)

既然Tracker的功能如此強(qiáng)大，有人提出利用Tracker對(duì)空中飛鳥、飛機(jī)飛行的視頻分析測(cè)定其飛行速度大小，是否可行呢？理論上講沒(méi)有問(wèn)題，但是在實(shí)際操作中要實(shí)現(xiàn)上述問(wèn)題則具有相當(dāng)大的難度。究其原因，先不妨從Tracker物理實(shí)驗(yàn)視頻影像分析的誤區(qū)談起。

Tracker作為一種通過(guò)影像分析物體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的工具，有許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但在用Tracker進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)視頻分析的過(guò)程中，我們可能在這些方面容易忽略：（1）隨意拍攝物體運(yùn)動(dòng)視頻，忽略畫面的晃動(dòng)與移動(dòng)；（2）選取非靜態(tài)物體為定標(biāo)參照物（定標(biāo)參照物，是Tracker賦值數(shù)據(jù)時(shí)的基本相對(duì)參考物，只有定標(biāo)參照物選取準(zhǔn)確時(shí)，測(cè)得的數(shù)據(jù)才符合實(shí)際）；（3）定標(biāo)參照物與實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)物體不在同一平面內(nèi)。上述幾方面作為Tracker視頻分析的重要環(huán)節(jié)，它們將對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。尤其是定標(biāo)參照物與實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)物體處于非同一平面，是Tracker對(duì)所拍攝視頻分析時(shí)相對(duì)誤差的主要來(lái)源，下文將驗(yàn)證說(shuō)明這一點(diǎn)。

3 Tracker分析誤差驗(yàn)證的物體運(yùn)動(dòng)視頻準(zhǔn)備

為了檢驗(yàn)定標(biāo)參照物與實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)物體不在同一平面內(nèi)時(shí)Tracker的分析誤差及其產(chǎn)生的條件，筆者設(shè)計(jì)利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中機(jī)械能守恒定律演示器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)光電門傳感器和計(jì)算機(jī)結(jié)合實(shí)測(cè)最低點(diǎn)擺錘速度的大小，同時(shí)用數(shù)碼相機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中擺錘的運(yùn)動(dòng)錄制視頻，然后用Tracker對(duì)錄制的物體運(yùn)動(dòng)視頻進(jìn)行分析，得出擺錘在最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的大小。最后，將二者的實(shí)測(cè)值和分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而探討運(yùn)用Tracker分析物體運(yùn)動(dòng)視頻的相對(duì)誤差的主要來(lái)源及其適用條件。

為獲得本次Tracker的分析誤差驗(yàn)證的物理運(yùn)動(dòng)視頻，其制備步驟如下：

（1）準(zhǔn)備本次實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)器材（表1所示），并按實(shí)驗(yàn)原理圖（圖1所示）連接好各實(shí)驗(yàn)裝置，選取適當(dāng)位置放置數(shù)碼相機(jī)，以能拍攝下整個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為宜。

（2）將DISLab 機(jī)械能守恒定律演示器的擺錘置于A處，使演示器的光電門傳感器的感光孔位于演示器D處（演示器刻度盤最低端）；（3）打開(kāi)計(jì)算機(jī)中的DISLab 6.8軟件中“研究機(jī)械能守恒”主題界面，依次點(diǎn)擊“清零”和“開(kāi)始記錄”；（3）開(kāi)啟數(shù)碼相機(jī)視頻錄制功能，開(kāi)始錄制實(shí)驗(yàn)視頻。然后釋放機(jī)械能守恒定律演示器的擺錘，當(dāng)擺錘劃過(guò)D處時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)記錄下一個(gè)數(shù)值，即為擺錘在D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的大小，選取多次測(cè)量該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度大小的平均值作為實(shí)測(cè)值。本實(shí)驗(yàn)中擺錘在最低端運(yùn)動(dòng)速度大小，由DISLab多次測(cè)量的實(shí)測(cè)值為1.572 m/s。

4 用Tracker分析物體運(yùn)動(dòng)視頻及其相對(duì)誤差驗(yàn)證

利用Tracker對(duì)錄制的機(jī)械能守恒定律的視頻進(jìn)行分析。打開(kāi)Tracker軟件，選擇主菜單的“視頻—導(dǎo)入”按鈕，將視頻加載，通過(guò)“視頻剪輯設(shè)定”當(dāng)擺錘位于豎直位置最高處，設(shè)定為研究視頻的起始幀，并按下列基本步驟進(jìn)行分析：

（1）設(shè)定參考坐標(biāo)。選擇“軌跡—坐標(biāo)軸”，建立直角坐標(biāo)系；（2）選擇定標(biāo)參照物，進(jìn)行參考尺寸的定標(biāo)。選擇Tracker軟件菜單欄定標(biāo)工具對(duì)長(zhǎng)度定標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中預(yù)先設(shè)置好的50 cm白色紙帶長(zhǎng)度作為參考尺寸進(jìn)行定標(biāo)，設(shè)定為0.5 m，從而使Tracker能夠還原研究對(duì)象的實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)；（3）選擇研究對(duì)象。本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是DISLab機(jī)械能守恒演示器的擺錘，選擇“軌跡—新建—質(zhì)點(diǎn)”按鈕，創(chuàng)建質(zhì)點(diǎn)“Mass A”代表擺錘；（4）進(jìn)行軌跡控制。按住Shift + Ctrl，Tracker軟件界面出現(xiàn)一個(gè)圓圈，通過(guò)這個(gè)圓圈標(biāo)示出本實(shí)驗(yàn)選擇的研究對(duì)象——擺錘，在后面的視頻播放幀中Tracker軟件可以自動(dòng)追蹤擺錘的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；（6）Tracker軟件自動(dòng)描繪出擺錘速度-時(shí)間圖像，該圖像明確顯示出擺錘在釋放后，由高向低的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，速度大小逐漸增大；在最低點(diǎn)時(shí)速度大小達(dá)最大值，而后在上升的過(guò)程中速度大小逐漸減??；（7）分別選擇三個(gè)鐵架臺(tái)上50 cm長(zhǎng)度的白色紙帶為定標(biāo)參照物，重復(fù)上述過(guò)程，分別記錄用Tracker分析的最低端擺錘的運(yùn)動(dòng)速度大小，得到各組對(duì)比數(shù)值及其相對(duì)誤差，如表2所示。

據(jù)表2顯示，當(dāng)定標(biāo)參照物與物體運(yùn)動(dòng)處于同一平面時(shí)（即定標(biāo)物與物體運(yùn)動(dòng)平面距離為零），Tracker視頻分析結(jié)果的相對(duì)誤差不超過(guò)1%；定標(biāo)物與物體運(yùn)動(dòng)平面的垂直距離增大時(shí)，Tracker 對(duì)物體運(yùn)動(dòng)視頻分析結(jié)果的相對(duì)誤差也會(huì)隨之增大；當(dāng)該距離超過(guò)一定程度時(shí)，Tracker視頻分析結(jié)果的相對(duì)誤差甚至可達(dá)到70%以上，此時(shí)Tracker視頻分析結(jié)果的準(zhǔn)確性將受到嚴(yán)重影響。endprint

5 總結(jié)與建議

Tracker 對(duì)物體運(yùn)動(dòng)視頻分析結(jié)果的相對(duì)誤差，會(huì)隨定標(biāo)物與物體運(yùn)動(dòng)平面的垂直距離增大而增大。其原因在于，Tracker是一種二維視頻影像分析軟件。物體實(shí)際所處空間是三維的，而拍攝的視頻畫面是二維的影像，立體空間物體在二維的影像中會(huì)產(chǎn)生投影壓縮效應(yīng)。例如，上述實(shí)驗(yàn)中定標(biāo)參照物白色紙帶的長(zhǎng)度都是50 cm，但我們發(fā)現(xiàn)，在拍攝的視頻中，沿相機(jī)鏡頭的軸向方向上，紙帶離物體運(yùn)動(dòng)平面越遠(yuǎn)，其長(zhǎng)度在視頻畫面中顯得越小，由此用Tracker進(jìn)行視頻分析相對(duì)誤差則越大。

在用Tracker對(duì)物體運(yùn)動(dòng)視頻分析時(shí)，若要測(cè)定物體運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，定標(biāo)參照物的選取顯得尤為重要。通過(guò)上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)告訴我們，定標(biāo)參照物與物體運(yùn)動(dòng)在同一平面內(nèi)，且視頻拍攝鏡頭的軸線與物體運(yùn)動(dòng)平面垂直時(shí)，Tracker分析誤差可以降到最低。這就意味著，我們?cè)谑褂肨racker需要注意以下幾方面：（1）選擇用Tracker對(duì)物體運(yùn)動(dòng)視頻分析之前，需要嚴(yán)格在物體運(yùn)動(dòng)平面（水平或豎直平面）內(nèi)選取靜態(tài)物作為定標(biāo)參照物；（2）Tracker對(duì)宏觀、低速的物體運(yùn)動(dòng)視頻分析效果較好，對(duì)于微觀的、高速的物體運(yùn)動(dòng)，則不易跟蹤分析；（3）對(duì)拍攝視頻的相機(jī)鏡頭本身不宜運(yùn)動(dòng)、晃動(dòng)，以免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)視頻畫面的跳躍、抖動(dòng)、移動(dòng)，不利Tracker對(duì)視頻畫面中運(yùn)動(dòng)物體的追蹤分析；（4）對(duì)于物體的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則要求其運(yùn)動(dòng)周期至少大于視頻拍攝的幀率采樣時(shí)間，方便Tracker對(duì)該運(yùn)動(dòng)物體的連續(xù)追蹤分析。

此外，所拍攝的物體運(yùn)動(dòng)視頻中運(yùn)動(dòng)物體與背景的對(duì)比度明顯、畫面清晰也將有助于提高Tracker分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。

再回到上文提出的問(wèn)題：利用Tracker對(duì)空中飛鳥、飛機(jī)飛行的視頻分析測(cè)定其飛行速度大小，最大困難是在于尋找與其飛行運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)的已知長(zhǎng)度的定標(biāo)參照物，因此，看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題就變得“理論上可行，實(shí)際上難辦”了。

最后值得一提的是，Tracker作為一項(xiàng)信息技術(shù)工具，我們既要知道它的優(yōu)勢(shì)，也要知道它的局限，才能使其更好地服務(wù)于物理教學(xué)。本文指出的使用Tracker分析物體運(yùn)動(dòng)視頻的誤區(qū)及其適用條件，一方面期望能為Tracker的使用者提供相關(guān)參考，另一方面期待Tracker的開(kāi)發(fā)者可以將其建設(shè)得更完美，助推信息技術(shù)與物理教學(xué)的高效融合。

參考文獻(xiàn)：

[1]Douglas Brown. Tracker：Video Analysis and Modeling Tool[EB/OL].2017-08-30/2017-09-02，http：//www.cabrillo.edu/～dbrown/tracker/.

[2]丁曉彬，董晨鐘.基于2D開(kāi)源視頻分析和建模軟件Tracker研究拋體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)[J].大學(xué)物理，2012（07）：34-36+60.

[3]賈昱，程敏熙，安盟，等.基于視頻分析軟件Tracker測(cè)量剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014（05）：33-35+39.

[4]吳志山.讓真實(shí)定量、定格——Tracker軟件在物理學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教師，2012，33（7）：52-54.

[5]趙魯寧，賈瑩.基于Tracker軟件的動(dòng)量守恒定律的探究性教學(xué)策略[J].物理教師，2017，38（8）：61-64.

[6]吳宏偉.利用彈簧振子驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律[J].物理教學(xué)探討，2017，35（08）：74-75.

（欄目編輯 李富強(qiáng)）endprint