Viana - eine App, die bewegt
Videoanalysen von Bewegungen sind weit verbreitet, etwa in der Sportwissenschaft, im Unterricht oder im Studium. Eine App für iPads ist Viana.
Smartphones und Tablet-PCs verfügen über integrierte Digitalkameras, mit denen Videos von Bewegungsvorgängen (im Labor oder in der Alltagswelt) in hervorragender Qualität aufgenommen werden können. Bei feststehender Kamera und einer bekannten Länge eines Gegenstandes im Video können damit der Ort in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt und daraus weitere kinematische und dynamische Größen berechnet werden.
Die iOS-App Viana ist kostenlos im App-Store erhältlich, derzeit allerdings nur für iPads. Damit können Hochgeschwindigkeits-Videos von bis zu 120 Bildern pro Sekunde (frames per second, fps) aufgenommen werden. Diese ermöglichen sogar die Analyse von Bewegungen, die für das menschliche Auge zu schnell sind.
Viana bietet folgende Funktionen:
•Aufnahme von Videos mit einer Aufnahmerate von 30, 60 oder 120 fps,
•Import aufgenommener Videos und integrierter Beispielvideos,
•Manuelle und automatische Objektverfolgung (Motion Tracking) mit Lupenfunktion zur genaueren Objektmarkierung,
•Verfolgung mehrerer Objekte in einem Video,
•Freie Positionierung des Koordinatensystems,
•Automatische Erstellung von Zeit-Ort- und Zeit-Geschwindigkeit-Diagrammen (zweidimensional und in Richtung der Koordinatenachsen),
•Export der Messdaten als CSV-Datei zur weiteren Analyse.
Nach dem Öffnen der App zeigt der Hauptbildschirm eine Liste aller Videos, die integrierten Beispielvideos und die gespeicherten Videoanalyse-Projekte an. Ein Projekt beinhaltet das aufgenommene Video, die Messdaten sowie alle erstellten Diagramme. Durch Antippen der „REC“-Schaltfläche kann ein neues Video aufgenommen werden.
Vor Beginn der Videoaufnahme wird zunächst die Aufnahmerate (30, 60 oder 120 fps) festgelegt. Anschließend werden Shutter-Zeit und Helligkeit so eingestellt, dass das zu verfolgende Objekt einen ausreichenden Kontrast zum Hintergrund aufweist. Nach Beendigung der Aufnahme kann ein Name ausgewählt werden, unter dem das Projekt in der App gespeichert werden soll.
Der Hauptbildschirm mit einer Liste aller Videos
Am unteren Bildschirmrand befinden sich die Schaltflächen zur Videoanalyse. Über die Schaltfläche „Details“ lassen sich einzelne Frames ansteuern sowie Start- und Endbild der Analyse festlegen. Eine Referenzlänge zur Skalierung des Videos wird über die Schaltfläche „Maßstab“ markiert, indem eine Strecke bekannter Länge durch zwei Fadenkreuze markiert und deren (reale) Länge eingegeben wird. Über die Schaltfläche „Koordinatensystem“ positioniert man das Koordinatensystem. Dieses kann zu jeder Zeit im Analyseprozess neu positioniert werden.
Zur Objektverfolgung stehen drei Optionen zur Verfügung. Bei der manuellen Erfassung markiert der Bediener die Position des Objekts in jedem Einzelbild mit einem Fadenkreuz. Durch Antippen lässt sich die Position speichern, und das Video springt ein Bild weiter. Mit einem Schieberegler können aber auch manuell die Einzelbilder ausgewählt werden, in denen die Position erfasst werden soll (wenn beispielsweise nur jedes zehnte Bild zur Analyse verwendet werden soll). Bei der zweiten Möglichkeit der Objektverfolgung, der Farberkennung, erkennt die App die Position des Objekts automatisch anhand des Farbkontrasts. Bei der Bewegungserkennung wird die Position des Objekts automatisch mit einer Analyse des Hell-Dunkel-Kontrasts bestimmt.
Die generierten Messdaten lassen sich über die Schaltfläche „Diagramme“ grafisch darstellen. Zunächst wird das x-y-Diagramm angezeigt, durch Wischbewegungen lassen sich zudem t-x- und darunter das t-vx-Diagramm sowie das t-y- und darunter das t-vy-Diagramm anzeigen.
Über die Schaltfläche „Export“ lassen sich die Messdaten als CSV-Datei zur weiteren Analyse (beispielsweise einer Regressionsanalyse) exportieren. Dazu kann eine weitere App auf demselben mobilen Endgerät oder eine entsprechende Software auf einem Desktop-PC genutzt werden.
Sebastian Becker, Pascal Klein, Jochen Kuhn, TU Kaiserslautern; Thomas Wilhelm, Uni Frankfurt
Der umfangreichere Originalartikel, der ein interessantes Anwendungsbeispiel demonstriert, ist in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen. Sie finden ihn bis Ende 2018 hier zum freien Download.
