Программа Multilab цифровой лаборатории "Архимед" обладает мощным аппаратом оцифровки и последующего анализа движения произвольного объекта, зафиксированного в процессе видеосъемки. Видеофильм, демонстрирующий плоское движение, можно с помощью этой программы превратить в источник количественных данных об этом движении. Для успешного использования модуля видеоанализа программы Multilab результат видеозаписи должен быть представлен файлом видео формата QuickTime (файлы *.mov или соответствующим образом закодированные файлы- *.avi).
 
Видеоанализ был использован автором в проектной работе с учениками 10-го класса. Работа проводилась в первом полугодии учебного года параллельно с изучением законов механики, для ее выполнения были организованы группы из 2 - 3 учеников. Каждая группа получила индивидуальное задание, включающее в себя несколько этапов. Для каждой группы был составлен график его выполнения.  
 
Этапы выполнения проектов:

• видеосъемка короткого фильма, демонстрирующего плоское движение (например, движение по наклонной плоскости, движение тела, брошенного под углом к горизонту, отскоки шариков из разного материала от гладкой поверхности и т. д.).

• Перевод отснятого цифровой видеокамерой материала в формат QuickTime на компьютере фирмы Apple с помощью программы iMovie или на компьютере PC с помощью программы QuickTime Pro. Особенность этих программ - они позволяют управлять параметрами выходного файла. Мы выбирали частоту кадров выходного файла 50 кадров в секунду. При покадровом просмотре видно, что одной секунде соответствует в этом режиме 25 пар одинаковых кадров. Выбор такой частоты кадров в секунду определялся объективными причинами. Стандартная цифровая видеокамера поочередно заполненяет четные и нечетные строки каждого кадра (чересстрочная развертка). Иными словами, камера сканирует регистрируемый объект 50 раз в секунду, изображение двух полукадров (четных и нечетных строк) накладываются друг на друга. При съемке художественного клипа это приводит к раздражающему раздваиванию изображения быстро движущегося объекта. В случае же учебного физического ролика появляется возможность повышения временного разрешения регистрации. На первом из одинаковых кадров при оцифровке метка ставится на первое по времени положение тела, сформированное одним набором строк, на втором кадре - на последующее положение, сформированное другим набором строк. Так, на рис. 5 белая метка стоит на нижнем из двух положений исследуемого объекта при движении его вниз по наклонной плоскости.

• Обработка полученного видеофайла в программе Multilab, собственно, оцифровка траектории, а затем математическая обработка графиков. В зависимости от поставленной в конкретном видеопроекте задачи процедура математической обработки была разной - дифференцирование зависимости координат от времени для получения информации о скорости и ускорении, получение траектории движения, аппроксимация полученных графиков полиномами разных степеней, сглаживание и т. д.

• Анализ полученных графиков и решение поставленной физической задачи.

• Составление отчета. Отчет требовалось представить в виде HTML-документа.

• Загрузка видеофайла. Открыть окно программы Multilab. Потом нажать кнопку с изображением синей видеокамеры на рабочей панели инструментов программы Multilab. В списке меню программы появится меню Видеоанализ. В этом меню выбрать пункт Открыть файл видео , после чего программа вам предложит выбрать видеофайл для обработки. Если формат выбранного вами файла окажется совместим с возможностями программы Multilab, то в центральной части экрана (окно видео на рис. 1) появится первый кадр видеоклипа, а справа поле для построения графика движения и поле таблицы для занесения результатов оцифровки траектории.

• Масштабирование. Для реализации заложенной в программе возможности при обработке получить истинный масштаб движения во время видеосъемки следует в кадре обязательно расположить линейку. Для задания масштаба при обработке выберите на панели инструментов Видеоанализа (под окном Видео) кнопку c изображением линейки. На экране появится диалоговое окно Масштаб (рис. 2). После этого щелкните поочередно по двум точкам на кадре, расстояние между которыми известно (например, две точки на линейке в кадре, соответствующие крупным делениям шкалы), и занесите истинное расстояние между этими точками в строку открывшегося диалогового окна (см. рис. 2).

• Удобное расположение и ориентацией осей системы координат. По умолчанию система координат располагается в левом нижнем углу кадра и оси ориентированы пареллельно сторонам кадра (см. рис. 1 и 2). Чтобы расположить систему координат в удобное для вас место, следует воспользоваться кнопками с изображением осей координат на панели инструментов Видеоанализа. После нажатия левой из них щелчок по точке, в которую вы хотите переместить начало координат, перенесет систему координат в эту точку (рис. 3). После нажатия правой кнопки щелчками мыши разверните оси удобным для вас образом. Например, в задаче изучения движения по наклонной плоскости удобно было одну из осей направить параллельно наклонной плоскости, что и сделано на рис. 4.

• Разметка видеоклипа (оцифровка траектории). Перед началом оцифровки обязательно выберите необходимый для оцифровки участок видеофильма. Для этого нажмите кнопку Воспроизведение и просмотрите видеосюжет (кнопки видеоплейера располагаются под окном видео). Кнопка В начало позволит вам вернуться к первому кадру файла. Кнопки Следующий кадр и Предыдущий кадр позволят вам найти кадр, с которого следует начинать оцифровку траектории движения тела. Если полезная информация видеофайла начинается не с первого кадра файла, то для быстрого поиска начального кадра оцифровки рекомендуется воспользоваться опцией в меню видеоанализа Пропуск кадров. В открывшемся диалоговом окне можно выбрать шаг, с которым просматриваются кадры файла, например, просматривать каждый десятый кадр (не забудьте при оцифровке отменить режим пропуска кадров!). По умолчанию программа настроена на покадровый просмотр видеофайла. Когда найден первый физически значимый кадр (на рис. 5 разметка начиналась только в момент времени около 10 с, т. е. почти на 500-м кадре!), начинается собственно работа по оцифровке траектории. Щелчок мыши на изображении объекта приводит к появлению в таблице данных новой записи: декартовых координат x и y точки, на которую происходил щелчок мыши, и текущего времени (определяется по номеру кадра и по числу кадров в секунду для данного фильма). В кадре на месте щелчка появляется метка (крестик, в нашем случае - белый). После этого на экран выводится следующий кадр для обработки. Одновременно данные отображаются на графиках x(t) и y(t), которые при покадровой обработке видеофильма постепенно дополняется новыми точками. После завершения оцифровки можно с помощью кнопок Следующий кадр и Предыдущий кадр просмотреть положение меток на всех кадрах и при необходимости внести корректировку в их положение. Вторая возможность просмотра оцифрованного материала - с помощью инструмента Курсор графика (кнопки инструментов графика располагаются под окном графиков). Нажмите кнопку Курсор на панели инструментов графика. На графике появится значок курсора, положением которого можно управлять мышью или клавишами управления курсора на клавиатуре. Одновременно с изменением положения курсора на графике меняется изображение в окне видео: в окно видео выводится именно тот кадр файла, которому соответствует текущее положение курсора на графике.

• Математическая обработка графиков движения. Чтобы было удобнее работать с графиком, после оцифровки траектории рекомендуется изменить вид рабочего окна программы Multilab. Если в дальнейшем планируется работа только с графиком, то в главном меню выберите пункт Вид, а в нем - команду Выбор вида. В открывшемся диалоговом окне оставьте выделенным только окно графиков. После этого график займет весь экран (см. рис. 6). Теперь можно выбрать часть данных для дальнейшей обработки (вырезать данные). Для этого используется операция два курсора, выводящая на экран два курсора. Если после этого выбрать в меню График пункт Отрезать, как это сделано на рис. 7, данные, расположенные между курсорами будут изображаться на весь экран. Сравните рис. 7 и 8. Данные, которые на рис. 7 располагались между курсорами, на следующем рисунке растянуты на весь экран. Эта же операция Два курсора позволяет указать программе область для последующей математической обработки. Например, на рис 8. Двумя курсорами выбрана область, для которой проводится аппроксимация полиномом второй степени и открыто соответствующее диалоговое окно меню Мастера анализа. Результаты аппроксимации приведены на рис. 9.

 
 

• Решение физической задачи. Видно (см. рис. 9), что полученный методом видеоанализа график движения тела вдоль наклонной плоскости представляет собой асимметричную кривую. Ассиметрия вызвана разным ускорением при движении тела вверх и вниз по наклонной плоскости. При движении вверх составляющая сила тяжести вдоль наклонной плоскости сонаправлена с силой трения, при движении вниз - противоположно направлено Это приводит к тому, что ускорение при движении тела вверх больше, чем при движении вниз. Анализ ситуации и результатов, а также расчет ускорений при движении вверх и вниз, приведен в отчете группы учеников, выполнявшей этот проект. В отчете по разности ускорений движения вверх и вниз определен коэффициент трения скольжения.

• Свободное падение.
• Маятник.
• Центральный удар.
• Нецентральный удар.
• Равномерное падение.
• Столкновение при падении.
• Центростемительное ускорение.