VIANA - eine Kurzeinführung in das Programm.


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VIANA steht für Video Analyse und ist ein Freeware Programm zur Analyse und Auswertung von Bewegungsabläufen, die mit einer Videokamera aufgenommen wurden. Es wurde am Institut für Didaktik der Physik an der Uni Essen von Thomas Kersting in Zusammenarbeit mit einem Team der Uni Münster entwickelt.

Das Programm kann man hier herunterladen
http://didaktik.physik.uni-essen.de/viana/.
Auf dieser Seite finden Sie auch Tipps zur Nutzung des Programms und Hilfestellung bei Problemen.


0) Vorarbeiten

Manche Videokameras und Digitalkameras oder Handys im Videomodus liefern ihre Filme schon im Format ".avi" (audio video interlaced).
VIANA setzt dieses Format zwingend voraus.
Falls die Kamera ein anderes Format benützt, muss man den Film erst in das AVI-Format bringen.
Dazu kann man z.B. das kostenlose Programm VirtualDub verwenden, zu dem auf dem Landesbildungsserver ebenfalls eine Kurzanleitung erstellt wurde.

Als weiteres kostenloses Programm zur Konvertierung von Videoformaten eignet sich z.B. auch ..........

Darüber hinaus gibt es auch eine Vielzahl kommerzieller Videokonverter-Programme, die ebenfalls bestens geeignet sind.


1) Laden eines Filmes

Dieser Punkt ist völlig problemlos. Nachdem das Programm gestartet wurde, klickt man auf den großen Bedienknopf "Film laden" und wählt anschließend aus dem richtigen Verzeichnis in gewohnter Weise die zu bearbeitende Filmdatei aus.

Danach kann man den Film schon in einem kleinen Fenster sehen und auch abspielen.

Die Bedientasten (vgl. Bild rechts) sind selbsterklärend und von Videorekordern und CD bzw. DVD-Abspielgeräten bestens bekannt. In der Bedienleiste darunter kann man den Film auch Bild für Bild weiterschalten, bzw. (bei ungeschnittenen Filmen) den relevanten Bereich auswählen (blauer Balken). Der Anfangs- und Endreiter wird einfach mit der Maus verschoben. Der Klick auf das Fragezeichen gibt immer Hilfestellung.

Bedienfeld

2) Einstellen der Bildrate (Framerate)

Dieser Punkt ist enorm wichtig und sollte nicht vergessen werden!

Ein Videofilm ist nichts anderes als eine Abfolge von Einzelbildern (Frames), die in einem festen zeitlichen Abstand nacheinander von der Kamera aufgenommen wurden. Dies ist vergleichbar mit einem Stroboskop, das ebenfalls in festen zeitlichen Abständen Lichtblitze aussendet, bzw. den Stroboskopbildern, die Sie vielleicht noch aus älteren Physikbüchern kennen.

Macht die Viedokamera z.B. 30 Bilder je Sekunde, ist die Zeit zwischen zwei Bildern 1/30 Sekunde.
Die Zahl der Bilder je Sekunde bezeichnet man als Bildrate oder Framerate.

Durch die Angabe der Bildrate wird sozusagen die Zeitachse kalibriert. Hat die Kamera z.B. mit 30 Bildern je Sekunde aufgenommen und der Film besteht aus 60 Einzelbildern (Frames), dann ist damit klar, dass der im Film gezeigte Bewegungsablauf genau 2 Sekunden gedauert hat.

Die Bildrate wird im entsprechenden Feld eingegeben. Sie muss den Schülerinnen und Schülern bekannt gegeben werden. Wird hier eine falsche Bildrate eingegeben, so stimmt der zeitliche Bezug nicht und die Weg-Zeit bzw. Geschwindigkeits-Zeit-Zusammenhänge kommen (quantitativ) falsch heraus.

Einstellen der Bildrate - hier 25 Bilder je Sekunde

Was kann man aber tun, wenn man die Bildrate des Films nicht kennt?

Es gibt das kostenlose Programm Media Analyst 2.0 von Engelmann Media, mit dem man alle Parameter eines Films ermitteln kann. Man muss sich dort lediglich als Nutzer registrieren lassen und eine Seriennummer anfordern.
Mehr zu diesem Programm erfahren Sie hier.

Bevor man mit der eigentlichen Auswertung beginnt, muss der Film kalibriert werden.


3) Kalibrieren der Filmaufnahme.

In der Regel wird man die "manuelle Analyse" wählen.

Kalibrierung

Ein Bild besteht aus Bildpunkten (Pixel), bei einer Videoaufnahme z.B. 640 x 480 Bildpunkte.

Nun kann aber eine Kamera bei der Aufnahme ganz unterschiedliche Gegenstände aufgenommen haben:
Vielleicht wurde die Bewegung auf einer Fahrbahn im Physiksaal aufgezeichnet und die 1,0 m lange Fahrbahn ist bildfüllend, dann entsprechen die 640 Bildpunkte der Strecke 1,0 m.

Es könnte aber auch sein, dass das Anfahren eines Lokomotive an einem Bahnhof aus einiger Enrfernung gefilmt wurde und dass die 640 Bildpunkte einer Strecke von mehreren 100 m entsprechen.

Daher muss die Aufnahme zunächst kalibriert werden.
Dem Programm wird dabei mitgeteilt, wie es die Bildpunkte in reale Strecken umzurechnen hat.

Man klickt auf den Punkt "Kalibrieren". Im Bild sucht man sich eine Strecke, deren Länge man kennt.
Oft ist es auch sinnvoll einen Maßstab mit aufzunehmen. Es genügt aber auch, wenn man die Länge der Fahrbahn oder der Lokomotive kennt.

Mit der linken Maustaste wird der Startpunkt einer Strecke markiert. Ein zweiter (linker) Mausklick markiert den Endpunkt.
Danach erscheint ein Fenster, in das man die wirkliche Länge der gerade markierten Strecke (in m) eingibt.
Nach dem Klick auf "ok" kann das Programm nun die Pixel in Meter umrechnen.
Dies erkennt man, wenn man mit der Maus über das Bild fährt.

Mit dem Menüpunkt "Nullpunkt" kann man einen Bildpunkt zum Ursprung des Koordinatensystems erklären. Der Punkt wird einfach mit der Maus angeklickt.


4) Auswerten des Film

Nun kann die eigentliche Filmauswertung beginnen.

4.1) Markieren des Objektes

Man markiert dazu mit der linken Maustaste ("Fadenkreuz") einen markanten Punkt im bewegten Objekt, den man - auch bei unscharfen Aufnahmen - leicht verfolgen kann.

Ein Rechtsklick schaltet den Film ein Bild weiter und man kann den nächsten Bezugspunkt (Linksklick) markieren, usw.

4.2) Anzeigen der Zusammenhänge

Hat man genügend Punkte erfasst - so um die 20 sollten es nach Möglichkeit schon sein - kann die eigentliche Analyse beginnnen. Man klickt auf "Auswertung".

Nun öffnet sich ein Diagramm, das die räumliche (zweidimensionale) Lage der markierten Punkte zeigt (x-y).
Markiert man links in den Auswahlfeldern z.B. x-t, so wird die Lage der x-Koordinate der Bewegung in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt.
Man kann auch den y-t-Verlauf auswählen oder die Geschwindigkeitskomponenten vx und vy usw. zeitlich darstellen lassen.

4.3) Weitere Auswertung

Zur weiteren Auswertung kann man die Daten auch in die Zwischenablage legen oder als EXCEL-Datei exportieren. Probieren Sie diese Funktionalitäten einfach selber aus.
Diesen Modus beendet man einfach durch Klick auf "Exit"


5) Automatische Bildauswertung

In VIANA gibt es auch die Möglichkeit einen Film automatisch auswerten zu lassen. Dabei erspart man sich das Markieren der Bezugspunkte und das Weiterschalten der Bilder mit der Maus.

Bei der automatischen Auswertung wird ein Bildbereich verfolgt, der eine bestimmte Farbe hat. Diese Bezugsfarbe muss dem Programm mitgeteilt werden. Ein Zielgebiet und eine noch zu tolerierende Farbabweichung kann bestimmt werden.

Die automatische Bildauswertung funktioniert aber nur wirklich gut, wenn sich die Farbe des Bezugsobjektes im Laufe des Films (etwa durch ungleiche Ausleuchtung) nicht zu tark verändert.
An diese Dinge muss man schon bei der Filmaufnahme denken!

Meist sind die Filmaufnahmen nicht gut genug für eine automatische Auswertung, bzw. die geeignete Einstellung der entsprechenden Parameter dauert so lange, dass man es von Hand längst erledigt hat.


6) Erfahrungen mit dem Programm

Ich habe schon mehrfach mit Schülerinnen und Schülern mit VIANA gearbeitet und alle kamen damit schnell und gut zurecht.
Man muss den Schülern jedoch eine Anleitung zu dem Programm (in mündlicher oders schriftlicher Form) an die Hand geben, wenn sie quantitativ sinnvoll auswerten sollen.
Insbesondere auf die Einstellung der Bildrate (vgl. 2) und die Kalibrierung des Bildes (vgl. 3) muss man sie unbedingt explizit hinweisen.
Versäumt man dies, so kann man die erhaltenen Diagramme nur qualitativ - aber eben nicht quantitativ - besprechen und analysieren.


Grüninger, Landesbildungsserver