用Tracker分析物体运动视频的误区与对策建议

王太军

摘 要：Tracker作为一款分析物体运动视频的开源软件，具体强大的数学分析运算功能和物体运动建模功能，近年来在我国物理教育教学研究领域得到广泛应用。但它作为一项信息技术工具，既有它的优势，也有它自身的局限。本文通过实验验证指出使用Tracker软件分析物体运动视频的相对误差主要来源及其适用条件，并提出相关对策建议。

关键词：Tracker；物理实验；视频分析；误区；对策

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0033-3

1 引 言

Tracker是一款用于物体运动视频的分析处理的开源软件，由美国卡布里洛大学（Cabrillo College）的道格拉斯·布朗（Douglas Brown）教授开发并维护，当前该软件最新版本为Tracker 4.10.0（下称“Tracker”）。[1]利用Tracker分析物体运动视频可迅速得出视频中物体运动的多种运动学物理量，其一般步骤为：准备实验器材、为实验过程录制视频、用Tracker分析实验视频、得出各项运动参数，整个应用过程具有追踪高效、模拟准确、方便快捷的优势。此外，Tracker强大的数学分析运算功能和物体运动建模功能，在近年来我国物理教育教学研究领域得到广泛应用，例如用Tracker分析物体运动的速度与加速度[2]、角速度[3]、抛体运动与简谐运动[4]、动量守恒[5]、验证机械能守恒[6-7]等。毋庸置疑，Tracker物体运动视频分析是当今信息技术与物理教学有效整合的一个典型范例。

2 Tracker物体运动视频分析的误区

既然Tracker的功能如此强大，有人提出利用Tracker对空中飞鸟、飞机飞行的视频分析测定其飞行速度大小，是否可行呢？理论上讲没有问题，但是在实际操作中要实现上述问题则具有相当大的难度。究其原因，先不妨从Tracker物理实验视频影像分析的误区谈起。

Tracker作为一种通过影像分析物体运动参数的工具，有许多传统实验不可比拟的优势。但在用Tracker进行物理实验视频分析的过程中，我们可能在这些方面容易忽略：（1）随意拍摄物体运动视频，忽略画面的晃动与移动；（2）选取非静态物体为定标参照物（定标参照物，是Tracker赋值数据时的基本相对参考物，只有定标参照物选取准确时，测得的数据才符合实际）；（3）定标参照物与实验运动物体不在同一平面内。上述几方面作为Tracker视频分析的重要环节，它们将对分析结果产生显著的影响。尤其是定标参照物与实验运动物体处于非同一平面，是Tracker对所拍摄视频分析时相对误差的主要来源，下文将验证说明这一点。

3 Tracker分析误差验证的物体运动视频准备

为了检验定标参照物与实验运动物体不在同一平面内时Tracker的分析误差及其产生的条件，笔者设计利用数字化实验系统中机械能守恒定律演示器进行实验，通过光电门传感器和计算机结合实测最低点摆锤速度的大小，同时用数码相机对实验装置中摆锤的运动录制视频，然后用Tracker对录制的物体运动视频进行分析，得出摆锤在最低点运动速度的大小。最后，将二者的实测值和分析结果进行对比，从而探讨运用Tracker分析物体运动视频的相对误差的主要来源及其适用条件。

为获得本次Tracker的分析误差验证的物理运动视频，其制备步骤如下：

（1）準备本次实验所需的实验器材（表1所示），并按实验原理图（图1所示）连接好各实验装置，选取适当位置放置数码相机，以能拍摄下整个实验场景为宜。

（2）将DISLab 机械能守恒定律演示器的摆锤置于A处，使演示器的光电门传感器的感光孔位于演示器D处（演示器刻度盘最低端）；（3）打开计算机中的DISLab 6.8软件中“研究机械能守恒”主题界面，依次点击“清零”和“开始记录”；（3）开启数码相机视频录制功能，开始录制实验视频。然后释放机械能守恒定律演示器的摆锤，当摆锤划过D处时计算机会记录下一个数值，即为摆锤在D点运动速度的大小，选取多次测量该点运动速度大小的平均值作为实测值。本实验中摆锤在最低端运动速度大小，由DISLab多次测量的实测值为1.572 m/s。

4 用Tracker分析物体运动视频及其相对误差验证

利用Tracker对录制的机械能守恒定律的视频进行分析。打开Tracker软件，选择主菜单的“视频—导入”按钮，将视频加载，通过“视频剪辑设定”当摆锤位于竖直位置最高处，设定为研究视频的起始帧，并按下列基本步骤进行分析：

（1）设定参考坐标。选择“轨迹—坐标轴”，建立直角坐标系；（2）选择定标参照物，进行参考尺寸的定标。选择Tracker软件菜单栏定标工具对长度定标，以实验场景中预先设置好的50 cm白色纸带长度作为参考尺寸进行定标，设定为0.5 m，从而使Tracker能够还原研究对象的实际运动参数；（3）选择研究对象。本实验的研究对象是DISLab机械能守恒演示器的摆锤，选择“轨迹—新建—质点”按钮，创建质点“Mass A”代表摆锤；（4）进行轨迹控制。按住Shift + Ctrl，Tracker软件界面出现一个圆圈，通过这个圆圈标示出本实验选择的研究对象——摆锤，在后面的视频播放帧中Tracker软件可以自动追踪摆锤的运动过程；（6）Tracker软件自动描绘出摆锤速度-时间图像，该图像明确显示出摆锤在释放后，由高向低的运动过程中，速度大小逐渐增大；在最低点时速度大小达最大值，而后在上升的过程中速度大小逐渐减小；（7）分别选择三个铁架台上50 cm长度的白色纸带为定标参照物，重复上述过程，分别记录用Tracker分析的最低端摆锤的运动速度大小，得到各组对比数值及其相对误差，如表2所示。

据表2显示，当定标参照物与物体运动处于同一平面时（即定标物与物体运动平面距离为零），Tracker视频分析结果的相对误差不超过1%；定标物与物体运动平面的垂直距离增大时，Tracker 对物体运动视频分析结果的相对误差也会随之增大；当该距离超过一定程度时，Tracker视频分析结果的相对误差甚至可达到70%以上，此时Tracker视频分析结果的准确性将受到严重影响。endprint

5 总结与建议

Tracker 对物体运动视频分析结果的相对误差，会随定标物与物体运动平面的垂直距离增大而增大。其原因在于，Tracker是一种二维视频影像分析软件。物体实际所处空间是三维的，而拍摄的视频画面是二维的影像，立体空间物体在二维的影像中会产生投影压缩效应。例如，上述实验中定标参照物白色纸带的长度都是50 cm，但我们发现，在拍摄的视频中，沿相机镜头的轴向方向上，纸带离物体运动平面越远，其长度在视频画面中显得越小，由此用Tracker进行视频分析相对误差则越大。

在用Tracker对物体运动视频分析时，若要测定物体运动的各项实际的运动參数，定标参照物的选取显得尤为重要。通过上述对比实验告诉我们，定标参照物与物体运动在同一平面内，且视频拍摄镜头的轴线与物体运动平面垂直时，Tracker分析误差可以降到最低。这就意味着，我们在使用Tracker需要注意以下几方面：（1）选择用Tracker对物体运动视频分析之前，需要严格在物体运动平面（水平或竖直平面）内选取静态物作为定标参照物；（2）Tracker对宏观、低速的物体运动视频分析效果较好，对于微观的、高速的物体运动，则不易跟踪分析；（3）对拍摄视频的相机镜头本身不宜运动、晃动，以免出现运动视频画面的跳跃、抖动、移动，不利Tracker对视频画面中运动物体的追踪分析；（4）对于物体的周期性往复运动，则要求其运动周期至少大于视频拍摄的帧率采样时间，方便Tracker对该运动物体的连续追踪分析。

此外，所拍摄的物体运动视频中运动物体与背景的对比度明显、画面清晰也将有助于提高Tracker分析结果的准确度。

再回到上文提出的问题：利用Tracker对空中飞鸟、飞机飞行的视频分析测定其飞行速度大小，最大困难是在于寻找与其飞行运动平面内的已知长度的定标参照物，因此，看似简单的问题就变得“理论上可行，实际上难办”了。

最后值得一提的是，Tracker作为一项信息技术工具，我们既要知道它的优势，也要知道它的局限，才能使其更好地服务于物理教学。本文指出的使用Tracker分析物体运动视频的误区及其适用条件，一方面期望能为Tracker的使用者提供相关参考，另一方面期待Tracker的开发者可以将其建设得更完美，助推信息技术与物理教学的高效融合。

参考文献：

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

[2]丁晓彬，董晨钟.基于2D开源视频分析和建模软件Tracker研究抛体运动实验[J].大学物理，2012（07）：34-36+60.

[3]贾昱，程敏熙，安盟，等.基于视频分析软件Tracker测量刚体转动惯量[J].物理实验，2014（05）：33-35+39.

[4]吴志山.让真实定量、定格——Tracker软件在物理学中的应用[J].物理教师，2012，33（7）：52-54.

[5]赵鲁宁，贾莹.基于Tracker软件的动量守恒定律的探究性教学策略[J].物理教师，2017，38（8）：61-64.

[6]吴宏伟.利用弹簧振子验证机械能守恒定律[J].物理教学探讨，2017，35（08）：74-75.

（栏目编辑 李富强）endprint