Técnicas básicas de videoanálise

Autores(as) desta apostila de videoanálise: Karollyne M. de Lima; Lorenna da S. Ferreira, Ricardo B. L. Nascimento;

 

 

 Tutorial Básico de videoanálise:

VÍDEOANÁLISE PARA O ENSINO DE MECÂNICA

1. INTRODUÇÃO

 

Este tutorial versa sobre técnicas básicas para utilização de software para Vídeo-Análise como ferramenta para modelagem de fenômenos da mecânica. A Vídeo-Análise (VA) é uma forma de análise realizada a partir de vídeos digitais que estabelece relação direta entre modelo e fenômeno. O uso de modelagens computacionais é aplicável a uma abundância de situações no que tange o ensino de física. Pode, por exemplo, ser usado na geração de modelos e comparação gráfica de dados diretamente ou mesmo para construção de animações e simulações virtuais.  Em geral, é necessária uma ferramenta para obtenção e comparação de dados entre modelo e fenômeno. Para a vídeoanálise, ferramentas analíticas são sobrepostas às filmagens de forma a estabelecer um modelo computacional do fenômeno retratado. Desta forma é possível extrair variáveis físicas (cinemática e dinâmica) a partir desta modelagem do mundo.

Existem diversos softwares capazes de vídeoanálise, como as mais diversas funcionalidades. O interesse principal aqui é o seu uso para o ensino de Física. Para propósitos educacionais é interessante escolhermos softwares de fácil aprendizado, que disponha de manuais de uso e acesso facilitado. O software escolhido para uso foi o Tracker Video Analisys[1]. Foi criado em parceria com o Open Source Physics (OSP). A OSP[2] é uma grupo colaborativo de domínio mundial que contribui com a oferta de recursos gratuitos de modelagem computacional, em geral voltados para o ensino de física.  O Tracker se destaca a partir de algumas características: i) é um software livre de custos (open source), ii) permite customização de seu código-fonte por usuários habilitados, iii) possui múltipla compatibilidade com sistemas operacionais e por fim, iv) apresenta uma grande variedade de funções gráficas e analíticas que podem ser usadas diretamente em laboratórios e salas de aula.

O Tracker[3] realiza uma modelagem diretamente sobreposta aos vídeos (figura 1).  Foi projetado para ser utilizado em laboratórios de física do ensino superior e médio, assim como em palestras introdutórias. As modelagens computacionais compartilham a mesma linha temporal e mesmos eixos coordenados que os vídeos.  Estudantes podem testar modelagens experimentais diretamente a partir de inspeção visual, um processo que se torna instrutivo e lúdico, sem perda de rigor. Pode-se ainda se realizar análise a partir de tabelas e gráficos, que também ficam disponíveis após a modelagem.  O Tracker possui como principal característica o rastreamento de objetos a partir de um referencial programado pelo usuário. A posição, velocidade e aceleração são obtidas a partir de sobreposições dos gráficos aos vídeos.

Existe também uma variedade de outros softwares capazes de realizar tarefas parecidas de vídeoanálise. Em sua maioria são ferramentas pagas, dentre as quais podemos destacar:  Logger Pro (2016), Coach 6 (2016) VideoPoint (2016), WINanalyze Player (2016), Alberti’s Window Motion Visualizer (2016),  DartFish (2016) e  Kinovea (2016). Sendo este último da lista o que também é grátis. Todos estes softwares estão disponíveis para compra via internet[4].

O software Tracker está disponível para ser instalado no Windows, Linux e Mac OS X. O site ainda dispõe de demonstrações experimentais e vídeos. Um dos tantos pontos positivos do uso deste software é que ele está disponível em diversos idiomas, inclusive em português. É necessário que o dispositivo a ser utilizado tenha o executor Java instalado, para o correto funcionamento do aplicativo.

 

Figura 1: Acompanhamento gráfico e analítico, com o software Tracker, de um vídeo

com bola quicando sobre uma mesa. [Fonte: http://www.phy.ntnu.edu.tw]

 

• FUNCIONALIDADES E FERRAMENTAS

 

As funcionalidades são fornecidas pelo desenvolvedor[5] do Tracker.  Por se tratar de um software open source, também é possível adicionar funcionalidades diretamente em seu código fonte. Estas capacidades estão listadas abaixo:

 

RASTREAMENTO

• Rastreamento (Tracking) de objetos manuais e semi-automáticos. Posição, velocidade e aceleração se sobrepõe ao vídeo digital.
• Rastreamento de Centro de Massa.
• Vetores gráficos interativos e somas vetoriais.
• Perfis de cores RGB e regiões tempo-dependente.

MODELAGEM

• Construtor de modelos que cria modelos cinemáticos e dinâmicos de massas pontuais e sistemas de dois corpos.
• O modelo sobreposto automaticamente sincroniza e regula a escala do vídeo para comparação visual direta com o mundo real.
• Novo rastreamento de dados também mostra dados externos de modelos, incluindo simulações EjsS[6].

VÍDEO

• Engine de vídeos grátis do Xuggler[7].
• Gravação e manipulação de diversos formatos (mov/avi/flv/mp4/wmv etc) em Windows/OSX/Linux.
• Engine de vídeos QuickTime suportada em Windows e OSX.
• Filtros de vídeos, incluindo contraste/luminosidade, strobe, trilhas fantasmas, e filtros de desentrelaçamento (deinterlace).
• Filtros de perspectivas e correção de distorções quando objetos são fotografados em ângulo.
• Filtro de distorção radial para correção de filmagens em lentes esféricas.
• Exportação de vídeos, permite editar vídeos com ou sem os gráficos sobrepostos.
• Caixa de propriedades de vídeo, mostra informações como dimensões, caminho, taxa de quadros (fps), contagem de quadros, entre outros.

GERAÇÃO DE DADOS E ANÁLISE

• Sistema de coordenadas (escala, origem e rotação) fixos ou variável no tempo.
• Múltiplas opções de calibração: fita (tape), bastão (stick), pontos de calibração.
• Mudança facilitada de referenciais, como centro de massa ou outros.
• Medição de ângulos e distâncias de forma fácil.
• Ferramenta para encaixe de círculos.
• Definições de variáveis customizadas para gráficos e análises.
• Colunas de texto editáveis e comentários a partir de entrada manual.
• Análise de dados com poderosa ferramenta de ajuste de curvas.
• Exportação de dados brutos para texto.

RECURSOS DE LIVRARIA DIGITAL

• Navegador para a livraria digital OSP, para acesso a coleções de vídeos e recursos para o
• Uso de navegador DL para encontrar recursos como: autor, nomes, palavra-chave e metadados.
• Uso de navegador DL para criar, editar e compartilhar vídeos com as livrarias digitais.
• Uso do Tracker para exportar documentos gerados em .zip.

OUTROS

• Edição com recursos de refazer e desfazer em múltiplas etapas.
• Leitor para Html ou outras notas.
• Customização e preferências para, interface com usuário, engine de vídeos, linguagem, tamanho de fontes e outros.

 

2. INSTALAÇÃO DO TRACKER

O Tracker requer o JAVA 1.6 ou superior. Suporta o Quicktime 7 (Windows/Mac). Para instalar deve-se baixar e executar o instalador apropriado ao seu sistema operacional. O site também disponibiliza um vídeo tutorial passo-a-passo (em inglês). Há também um PDF em português como um guia suporte. Em seguida, será explicado o passo-a-passo para instalação do software. Para baixar o Tracker é só ir ao site: http://physlets.org/tracker/. Ao entrar no site é fácil realizar o download pois logo na parte superior da página existem as opções de download para o seu sistema operacional. Basta clicar e realizar o download. Após instalação, basta escolher o idioma.

Figura 2: Página inicial do desenvolvedor do Tracker

 

Caso já tenha o JAVA instalado no seu computador, a instalação do tracker ocorrerá sem problemas. Caso não tenha, como dito, será necessário instalá-lo. O link do JAVA também está na descrição do vídeo, basta entrar e efetuar o download  semi-automático para sua versão.

Figura 3: Página de instalação do JAVA.

 

Na barra superior da tela inicial do programa, temos a barra de menus. Logo abaixo existe uma barra de ferramentas, conforme a figura 4.

Figura 4: Tela inicial do Tracker.

 

É preciso importar o vídeo que será analisado. Para isso basta clicar no menu arquivo, encontrar o caminho do arquivo e importar o vídeo, conforme figura 5.

Figura 5: Menu para importação de arquivo de vídeo no Tracker.

 

Deverá abrir outra janela, onde você precisará determinar o caminho para o vídeo. Só precisa escolher o vídeo e clicar em abrir, como na figura 6.

Figura 6: Caminho de arquivo para importação de arquivo de vídeo no Tracker.

 

E o vídeo irá carregar (figura 7).

Figura 7: Vídeo em carregamento no Tracker.

 

2.1 VIDEO-AULA SOBRE INSTALAÇÃO E USO DO TRACKER

Uma vídeo-aula sobre a instalação e o funcionamento do Tracker está disponível no site: https://meuprofessordefisica.com/. A vídeo-aula foi produzida pelos autores deste tutorial e apresenta de forma didática o passo a passo completo para instalação do Tracker, importação de vídeo e manipulação das ferramentas do programa. O experimento escolhido para a vídeo-aula foi o de Queda Livre. A vídeo-análise proposta pela vídeo-aula apresenta as ferramentas básicas que o programa dispõe, desde o uso do bastão de calibração para acompanhamento da trajetória realizada pela bola em uso, até os dados tabelados e gráficos gerados pelo próprio programa. O passo a passo é semelhante ao item 4 desta apostila.

 

3. ELEMENTOS DE IMAGEM E VÍDEO

3.1 O SINAL DIGITAL

As imagens analógicas diferem das digitais analógicas nas características de seu sinal e nas capacidades de uso.  O formato analógico é composto por um sinal contínuo, que varia em função do tempo (sinal suave na figura). O sinal digital é caracterizado pela quantização (ou discretização) em seu sinal. A figura 8 caracteriza um exemplo entre sinal analógico (curva suave) e seu correspondente digital (curva quadricular).

Figura 8: Sinal digital versus analógico (Fonte: Reprodução:  Wikipédia)

 

Nas imagens digitais, a menor unidade dos sinais é denominada de Pixel (picture element). Assim um pixel é a menor unidade que compõe uma imagem. Este ponto pode ser colorido ou monocromático. São geralmente exibidos como um quadrado. As somas de vários destes pixels formam uma imagem.    

 

3.2 RESOLUÇÃO DE IMAGEM

A resolução de uma imagem, mede a quantidade de pixels que a compõe, portanto quanto maior a quantidade destes, maior é sua resolução (figura 9).  Neste caso observamos a imagem digital mais fiel à original. A resolução de câmeras fotográficas e câmeras de vídeo são expressas em geral de duas formas distintas: a partir de sua quantidade total de pixels, por exemplo: três milhões de pixels (3 MP, três megapixels), doze milhões de pixels (12MP, 12 megapixels) ou a partir de dois números, por exemplo: “640 por 480”, que representa a quantidade de pixels horizontal e vertical, respectivamente. Uma imagem exemplificada com 640 por 480 teria 307.000 pixels, que equivalem a 0.3 megapixels. A resolução atualmente considerada como HD (High Definition) apresentam valores de no mínimo 1920 por 1080 pixels. Estima-se que o olho humano seja capaz de construir imagens com valor aproximado de 576 megapixels de resolução total.

Figura 9: Imagens com crescentes resoluções. A primeira imagem da esquerda contem 1 pixel enquanto a última imagem, à direita, contem 100 pixels na horizontal e 100 na vertical.

 

3.3 CADÊNCIA, COMPRESSÃO E FORMATOS DE VÍDEOS

Um vídeo é formado por inúmeras imagens estáticas sendo projetadas, com determinada taxa, ao longo do tempo. Cada uma destas imagens é denominada quadro (frame, em inglês) e a quantidade de imagens projetadas por segundo é chamada cadência, medida em quadros por segundo (qps) ou frames por segundo (fps). Em geral, quanto mais quadros por segundo seu vídeo possuir, mais realista será a imagem. Vídeos normalmente trabalham com a mesma cadência da TV, que é algo em torno de 24 quadros por segundo. A imagem capturada/exibida em determinados fenômenos pode ser vital para a viabilização de sua modelagem computacional.

Os vídeos digitais também podem ser trabalhados para adquirirem um reduzido espaço de armazenamento. Este processo é chamado de compressão de vídeo[8]. A compressão de vídeo tem como objetivo reduzir a redundância de informações contidas nos arquivos, e desta forma torná-lo menor e menos exigente em seu processamento. Em geral, a compactação diminui o tamanho do vídeo, porém sua qualidade também é reduzida. Em geral esta diminuição da qualidade é balanceada de forma a ficar quase imperceptível ao olho humano. Assim, sua utilidade fica nítida uma vez que o arquivo atinge uma elevada redução de tamanho e também redução de processamento.

Há uma grande variedade de formatos para arquivos de vídeo. Dentre estes os mais comuns são:  /.avi /.wmv /.mov /.mpeg /.mkv /.mp4 /.flv etc. Cada um destes formatos apresenta uma compactação de vídeo e compatibilidade específica com outros softwares. Alguns destes exigem software específico para reproduzi-los. O Tracker apresenta compatibilidade com a maioria destes formatos.

 

4. EXEMPLOS E APLICAÇÕES

Devemos agora iniciar a vídeoanálise dos vídeos carregados. Após o carregamento do vídeo é necessário seguir alguns passos primordiais:

1. Ajustar sistema de eixos coordenados;
2. Ajustar a escala da modelagem no vídeo;
3. Marcar os objetos para rastreamento.

O primeiro deles é ajustar os eixos de coordenadas. Na barra de botões existe um botão com nome: mostrar/ocultar os eixos de coordenadas, basta clicar e aparecerá em sua tela os eixos de coordenadas. O posicionamento é intuitivo com o clicar do mouse (figura 10).

Figura 10: O sistema de coordenadas pode ser ajustado livremente na tela.

 

Para o próximo passo, ajustamos a escala da modelagem. É preciso aqui usar uma das ferramentas de medição de escala no Tracker, estas são:  Bastão de medição (usada para objetos que não alteram o seu tamanho), fita de medição (usada para objetos que alteram de tamanho) e pontos de calibração (estabelece dois pontos que servirão como sistema de coordenadas).

 

Figura 11: O bastão de calibração (modelagem) ajustado aos bastões (reais) na tela.

 

Figura 12: Rastreador sobreposto a imagem da bola.

 

No exemplo da figura 11, utilizamos a ferramenta: Bastão de medição para identificar os pequenos bastões de 10 cm colocados ao fundo da imagem. O valor em centímetros deve também ser ajustado no Tracker. Para usar o sistema de rastreamento de objetos no vídeo, utilizamos a ferramenta de marcação. Devemos clicar em Novo: Ponto de massa (por exemplo) e selecionar o objeto pontual a ser rastreado no vídeo, como na figura 12.

 

4.1 QUEDA LIVRE

O Movimento de queda livre é caracterizado pela atuação única da força da gravidade sobre o corpo. A queda livre pode ser caracterizada pelo abandono de um corpo ou do lançamento (para cima ou para baixo), muito embora o termo queda livre possa levar ao entendimento de movimento para baixo. Analisemos a situação de abandono de uma certa massa, a partir de determinada altura (aproximadamente 1 metro em nosso sistema de coordenada).

 

Figura 13: Abandono de um corpo pontual em queda livre.

 

y	t
100,072	0
98,986	0,033
92,737	0,067
87,67	0,133
81,183	0,167
74,997	0,2
67,03	0,233
57,899	0,267
47,498	0,3
35,869	0,333
23,259	0,367
9,848	0,4
-1,924	0,433

 

Tabela 1: Função da altura (y) versus o tempo (t) para o exemplo de queda livre.

 

Vy	t
–	0
-110, 023	0,033
–	0,067
–	0,133
-190,094	0,167
-212,304	0,2
-256,461	0,233
-292,969	0,267
-330,464	0,3
-363,588	0,333
-390,306	0,367
-377,755	0,4
–	0,433

 

Tabela 2: Velocidade vertical () em função do tempo (t).

Na figura 13 observamos a sobreposição gráfica imposta na modelagem computacional. A figura 14 mostra as componentes da velocidade vertical determinadas para o modelo de queda livre. A tabela 1 mostra os dados obtidos para a altura () em função o tempo ().  A tabela 2 mostra os dados obtidos para a velocidade vertical obtida (), também em função do tempo (). É possível notar na tabela 2 que alguns dados não foram obtidos devido a erros de interpolação na modelagem.

 

4.2 LANÇAMENTO OBLÍQUO

O lançamento oblíquo é, via de regra, caracterizado por um movimento de queda livre (cujo corpo é submetido apenas a força gravitacional). Porém, neste caso o corpo é arremessado com velocidade inicial não nulo em ambas as componentes horizontal e vertical do movimento. A figura 15 mostra o gráfico do lançamento inicial de uma massa.  A figura 16 mostra o rastreamento de toda a curva parabólica. A figura 17 mostra uma representação dos vetores velocidade em cada trecho da trajetória parabólica da massa em queda livre.

A figura 16 mostra os dados analíticos obtidos da modelagem computacional do Tracker. Foram incluídos dados de posição e velocidade em ambos os eixos coordenados. Com estes dados é possível analisar as curvas experimentais para cada uma das variáveis. É possível também exportar estes dados para planilhas ou outros softwares para análise destes dados. A partir destes dados pode-se calcular diretamente os erros experimentais ou mesmo checar a exatidão dos valores obtidos na modelagem, em comparação com os dados esperados pela teoria.

 

x	y	t	Vx	Vy
9,971	6,541	0	–	–
16,183	14,451	0,033	185,85	218,813
22,361	21,128	0,067	186,516	182,393
28,618	26,611	0,1	187,599	147,469
34,868	30,959	0,133	187,201	111,636
41,098	34,053	0,167	186,661	74,991
47,312	35,959	0,2	188,884	38,104
53,69	36,593	0,233	188,054	5,258
59,849	36,309	0,267	186,81	-30,353
66,144	34,57	0,3	189,279	-68,345
72,467	31,753	0,333	190,02	-103,951
78,812	27,64	0,367	189,944	-141,806
85,13	22,299	0,4	190,113	-178,848
91,486	15,717	0,433	190,783	-215,917
97,849	7,905	0,467	192,293	-252,785
104,306	-1,136	0,5	192,908	-290,614
110,71	-11,469	0,533	193,646	-328,349
117,216	-23,026	0,567	195,579	-365,903
123,748	-35,863	0,6	197,811	-405,162
130,403	-50,036	0,633	202,639	-446,77
137,258	-65,648	0,667	–	–

 

Tabela 3: Dados analíticos para posição e velocidade em ambos os eixos coordenados.

 

PARA SABER MAIS

 

OSP (2011) Open Source Physics, http://www.compadre.org/osp, acesso em Dezembro de  2015

Tracker (2016) http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker, acesso em Dezembro de  2015

Vídeos de Mecânica para vídeo-análise (7,3 MB): http://physlets.org/tracker/download/mechanics_videos.zip

Logger Pro (2016) http://www.vernier.com/products/software/lp, acesso em 10 janeiro 2016

Coach 6 (2016) http://cma-science.nl/english/software/coach6/coach6.html, acesso em 10 janeiro 2016

VideoPoint (2016) http://www.lsw.com/videopoint, acesso em 10 janeiro 2016

WINanalyze Player (2016) http://winanalyze.com/category/winanalyze/ , acesso em 10 janeiro 2016

Dartfish (2016) http://www.dartfish.com, acesso em 10 janeiro 2016

Kinovea (2016) http://www.kinovea.org, acesso em 10 janeiro 2016

 

IMAGENS:

 

Obtendo a melhor reta usando o método dos mínimos quadrados.

https://youtu.be/q6RXO226nvI

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