王太軍

摘 要：Tracker作為一款分析物體運動視頻的開源軟件，具體強大的數(shù)學分析運算功能和物體運動建模功能，近年來在我國物理教育教學研究領域得到廣泛應用。但它作為一項信息技術工具，既有它的優(yōu)勢，也有它自身的局限。本文通過實驗驗證指出使用Tracker軟件分析物體運動視頻的相對誤差主要來源及其適用條件，并提出相關對策建議。

關鍵詞：Tracker；物理實驗；視頻分析；誤區(qū)；對策

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）11-0033-3

1 引 言

Tracker是一款用于物體運動視頻的分析處理的開源軟件，由美國卡布里洛大學（Cabrillo College）的道格拉斯·布朗（Douglas Brown）教授開發(fā)并維護，當前該軟件最新版本為Tracker 4.10.0（下稱“Tracker”）。[1]利用Tracker分析物體運動視頻可迅速得出視頻中物體運動的多種運動學物理量，其一般步驟為：準備實驗器材、為實驗過程錄制視頻、用Tracker分析實驗視頻、得出各項運動參數(shù)，整個應用過程具有追蹤高效、模擬準確、方便快捷的優(yōu)勢。此外，Tracker強大的數(shù)學分析運算功能和物體運動建模功能，在近年來我國物理教育教學研究領域得到廣泛應用，例如用Tracker分析物體運動的速度與加速度[2]、角速度[3]、拋體運動與簡諧運動[4]、動量守恒[5]、驗證機械能守恒[6-7]等。毋庸置疑，Tracker物體運動視頻分析是當今信息技術與物理教學有效整合的一個典型范例。

2 Tracker物體運動視頻分析的誤區(qū)

既然Tracker的功能如此強大，有人提出利用Tracker對空中飛鳥、飛機飛行的視頻分析測定其飛行速度大小，是否可行呢？理論上講沒有問題，但是在實際操作中要實現(xiàn)上述問題則具有相當大的難度。究其原因，先不妨從Tracker物理實驗視頻影像分析的誤區(qū)談起。

Tracker作為一種通過影像分析物體運動參數(shù)的工具，有許多傳統(tǒng)實驗不可比擬的優(yōu)勢。但在用Tracker進行物理實驗視頻分析的過程中，我們可能在這些方面容易忽略：（1）隨意拍攝物體運動視頻，忽略畫面的晃動與移動；（2）選取非靜態(tài)物體為定標參照物（定標參照物，是Tracker賦值數(shù)據(jù)時的基本相對參考物，只有定標參照物選取準確時，測得的數(shù)據(jù)才符合實際）；（3）定標參照物與實驗運動物體不在同一平面內。上述幾方面作為Tracker視頻分析的重要環(huán)節(jié)，它們將對分析結果產生顯著的影響。尤其是定標參照物與實驗運動物體處于非同一平面，是Tracker對所拍攝視頻分析時相對誤差的主要來源，下文將驗證說明這一點。

3 Tracker分析誤差驗證的物體運動視頻準備

為了檢驗定標參照物與實驗運動物體不在同一平面內時Tracker的分析誤差及其產生的條件，筆者設計利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)中機械能守恒定律演示器進行實驗，通過光電門傳感器和計算機結合實測最低點擺錘速度的大小，同時用數(shù)碼相機對實驗裝置中擺錘的運動錄制視頻，然后用Tracker對錄制的物體運動視頻進行分析，得出擺錘在最低點運動速度的大小。最后，將二者的實測值和分析結果進行對比，從而探討運用Tracker分析物體運動視頻的相對誤差的主要來源及其適用條件。

為獲得本次Tracker的分析誤差驗證的物理運動視頻，其制備步驟如下：

（1）準備本次實驗所需的實驗器材（表1所示），并按實驗原理圖（圖1所示）連接好各實驗裝置，選取適當位置放置數(shù)碼相機，以能拍攝下整個實驗場景為宜。

（2）將DISLab 機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）打開計算機中的DISLab 6.8軟件中“研究機械能守恒”主題界面，依次點擊“清零”和“開始記錄”；（3）開啟數(shù)碼相機視頻錄制功能，開始錄制實驗視頻。然后釋放機械能守恒定律演示器的擺錘，當擺錘劃過D處時計算機會記錄下一個數(shù)值，即為擺錘在D點運動速度的大小，選取多次測量該點運動速度大小的平均值作為實測值。本實驗中擺錘在最低端運動速度大小，由DISLab多次測量的實測值為1.572 m/s。

4 用Tracker分析物體運動視頻及其相對誤差驗證

利用Tracker對錄制的機械能守恒定律的視頻進行分析。打開Tracker軟件，選擇主菜單的“視頻—導入”按鈕，將視頻加載，通過“視頻剪輯設定”當擺錘位于豎直位置最高處，設定為研究視頻的起始幀，并按下列基本步驟進行分析：

（1）設定參考坐標。選擇“軌跡—坐標軸”，建立直角坐標系；（2）選擇定標參照物，進行參考尺寸的定標。選擇Tracker軟件菜單欄定標工具對長度定標，以實驗場景中預先設置好的50 cm白色紙帶長度作為參考尺寸進行定標，設定為0.5 m，從而使Tracker能夠還原研究對象的實際運動參數(shù)；（3）選擇研究對象。本實驗的研究對象是DISLab機械能守恒演示器的擺錘，選擇“軌跡—新建—質點”按鈕，創(chuàng)建質點“Mass A”代表擺錘；（4）進行軌跡控制。按住Shift + Ctrl，Tracker軟件界面出現(xiàn)一個圓圈，通過這個圓圈標示出本實驗選擇的研究對象——擺錘，在后面的視頻播放幀中Tracker軟件可以自動追蹤擺錘的運動過程；（6）Tracker軟件自動描繪出擺錘速度-時間圖像，該圖像明確顯示出擺錘在釋放后，由高向低的運動過程中，速度大小逐漸增大；在最低點時速度大小達最大值，而后在上升的過程中速度大小逐漸減小；（7）分別選擇三個鐵架臺上50 cm長度的白色紙帶為定標參照物，重復上述過程，分別記錄用Tracker分析的最低端擺錘的運動速度大小，得到各組對比數(shù)值及其相對誤差，如表2所示。

據(jù)表2顯示，當定標參照物與物體運動處于同一平面時（即定標物與物體運動平面距離為零），Tracker視頻分析結果的相對誤差不超過1%；定標物與物體運動平面的垂直距離增大時，Tracker 對物體運動視頻分析結果的相對誤差也會隨之增大；當該距離超過一定程度時，Tracker視頻分析結果的相對誤差甚至可達到70%以上，此時Tracker視頻分析結果的準確性將受到嚴重影響。endprint

5 總結與建議

Tracker 對物體運動視頻分析結果的相對誤差，會隨定標物與物體運動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產生投影壓縮效應。例如，上述實驗中定標參照物白色紙帶的長度都是50 cm，但我們發(fā)現(xiàn)，在拍攝的視頻中，沿相機鏡頭的軸向方向上，紙帶離物體運動平面越遠，其長度在視頻畫面中顯得越小，由此用Tracker進行視頻分析相對誤差則越大。

在用Tracker對物體運動視頻分析時，若要測定物體運動的各項實際的運動參數(shù)，定標參照物的選取顯得尤為重要。通過上述對比實驗告訴我們，定標參照物與物體運動在同一平面內，且視頻拍攝鏡頭的軸線與物體運動平面垂直時，Tracker分析誤差可以降到最低。這就意味著，我們在使用Tracker需要注意以下幾方面：（1）選擇用Tracker對物體運動視頻分析之前，需要嚴格在物體運動平面（水平或豎直平面）內選取靜態(tài)物作為定標參照物；（2）Tracker對宏觀、低速的物體運動視頻分析效果較好，對于微觀的、高速的物體運動，則不易跟蹤分析；（3）對拍攝視頻的相機鏡頭本身不宜運動、晃動，以免出現(xiàn)運動視頻畫面的跳躍、抖動、移動，不利Tracker對視頻畫面中運動物體的追蹤分析；（4）對于物體的周期性往復運動，則要求其運動周期至少大于視頻拍攝的幀率采樣時間，方便Tracker對該運動物體的連續(xù)追蹤分析。

此外，所拍攝的物體運動視頻中運動物體與背景的對比度明顯、畫面清晰也將有助于提高Tracker分析結果的準確度。

再回到上文提出的問題：利用Tracker對空中飛鳥、飛機飛行的視頻分析測定其飛行速度大小，最大困難是在于尋找與其飛行運動平面內的已知長度的定標參照物，因此，看似簡單的問題就變得“理論上可行，實際上難辦”了。

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

參考文獻：

[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開源視頻分析和建模軟件Tracker研究拋體運動實驗[J].大學物理，2012（07）：34-36+60.

[3]賈昱，程敏熙，安盟，等.基于視頻分析軟件Tracker測量剛體轉動慣量[J].物理實驗，2014（05）：33-35+39.

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

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

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

（欄目編輯 李富強）endprint