CC BY
2
УДК 372.853 DOI: 10.31862/2218-8711-2024-3-243-254
ББК 74.262.23
ВИДЕОАНАЛИЗ В ЖИЗНИ И ОБРАЗОВАНИИ1
VIDEO ANALYSIS IN LIFE AND EDUCATION
Петрова Елена Борисовна
Профессор кафедры физики космоса - базовой кафедры ИНАСАН, Московский педагогический государственный университет, доктор педагогических наук, доцент E-mail: [email protected]
Petrova Elena B.
Professor at the Department of Space Physics - the basic Department of Institute for Astronomy of RAS, Moscow Pedagogical State University, ScD in Education, Associate Professor
E-mail: [email protected]
Чулкова Галина Меркурьевна
Профессор кафедры общей и экспериментальной физики, Московский педагогический государственный университет; профессор, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», доктор физико-математических наук, доцент E-mail: [email protected]
Chulkova Galina M.
Professor at the Department of General and Experimental Physics, Moscow Pedagogical State University; Professor at the National Research University Higher School of Economics; ScD in Physics and Mathematics, Associate Professor E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье представлен краткий исторический экскурс в развитие видеоанализа. Представлены самые разные направления развития этой проблемы, обусловленные необходимостью людей различных профессий анализировать и совершенствовать технику перемещения в пространстве. Сделан акцент
Abstract. The article presents a brief historical insight on the development of video analysis. A variety of directions in the development of this problem are presented due to the need for people of various professions to analyze and improve the technique of moving in space.
1 Работа подготовлена в рамках проекта «Новая физика»: Научно-методическое обоснование обновления содержания программ по физике основного и среднего общего образования и подготовки педагогов-физиков к его реализации, 122081200114-0.
Ф 1 Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License The content is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
© Петрова Е. Б., Чулкова Г. М., 2024
на том, что приход новых средств фиксации процесса движения кардинально изменил возможности исследователей. Этот процесс позволил не только детально его анализировать, но и совершенствовать, более правильно строить последовательность движений, исключать те из них, которые могут привести к травме исполнителей или спортсменов. Кроме того, новые технологии позволяют внедрить видеоанализ и в процесс обучения, сделать его более интересным, поставить перед учениками новые увлекательные задачи, решение которых может быть сделано разными путями. Использование подобных инструментов в обучении физике делает экспериментальные задания привлекательными для школьников, а их выполнение требует более глубокого осмысления физических законов. В статье приведен пример такого задания.
The emphasis is placed on the fact that the advent of new means of recording the movement process has radically changed the capabilities of researchers. This process allowed one not only to analyze it in detail, but also to improve it, to build a sequence of movements more correctly, to exclude those that could lead to injury to performers or athletes. In addition, new technologies make it possible to introduce video analysis into the learning process, make it more interesting, and set students new exciting tasks the solution of which can be done in different ways. The use of such tools in teaching physics makes experimental tasks attractive to schoolchildren, and their implementation requires a deeper understanding of physical laws. The article provides an example of such a task.
Ключевые слова: видеоанализ, инновационные технологии в образовании, стробоскопический метод.
Keywords: video analysis, innovative technologies in education, a stroboscopic method.
Для цитирования: Петрова Е. Б., Чулкова Г. М. Видеоанализ в жизни и образовании // Проблемы современного образования. 2024. № 3. С. 243-254. DOI: 10.31862/2218-8711-2024-3-243-254.
Cite as: Petrova E. B., Chulkova G. M. Video analysis in life and education. Problemy sovremennogo obrazovaniya. 2024, No. 3, pp. 243-254. DOI: 10.31862/2218-87112024-3-243-254.
Введение
«Вся видимая Вселенная - это Движение», - заявил Рудольф фон Лабан.
Начиная изучать физику, мы даем ее определение как науки, которая изучает движение материальных объектов. Действительно, это так. Мы изучаем движение объектов, различных по размеру (от мега до нанообъектов), движущихся с различной скоростью (существенно меньшей или близкой к скорости света). В любом случае, чтобы изучать характеристики движения, необходимо его каким-то образом регистрировать. Это пытались делать люди с давних пор (первыми такими попытками являлись наскальные рисунки), но у них не всегда были средства, которые могли бы помочь им в решении поставленных задач.
Причем это пытались делать не только ученые, но и специалисты, работающие в других областях. Дело в том, что анализ движения может помочь в решении самых разных задач. Так, Рудольф фон Лабан занимался им для описания движений в танце. Его система не единственная, были и другие, но система фон Лабана оказалась наиболее удобной и поэтому заняла ведущее место в мире: «При проверке систем в новой технологии, то есть в расшифровке через компьютерные программы, записи, сделанные в других системах, давали плоские фигуры, и только в системе Лабана фигура обрела объем» [1, с. 7].
В современном большом спорте видеоанализ используется для фиксации и отработки движений с целью минимизации затрат энергии и выбора наилучших траекторий для установления новых рекордов. Физикам же эта технология необходима для детального изучения процессов, сопровождающих движение (например, взаимодействие с веществом).
Краткий обзор проблемы регистрации движения
С тех пор, как люди начали совершать ряд гармоничных движений в танце, для их повторения требовалась какая-то система записи. Ее разработка велась примерно с XVI в., по крайней мере, таковая была впервые документально зарегистрирована. Это была буквенная система. Не очень удобная, но пригодная для использования. Она применялась в разных странах.
Но в XIX в. возник новый вид искусства - балет. Авторы классических балетных постановок остро нуждались в более точной фиксации движения, которые должны были учитывать не только последовательность фигур, но и многое другое. Теперь требуется не только фиксация, но анализ движений, учитывающий в том числе и анатомические особенности строения тела человека. Такие системы были предложены в России Альбертом Цорном и Владимиром Степановым. Они были основаны на серьезном изучении анатомии человека [1, с. 8].
В. Степанов для записи балетного танца использовал так называемую «нотно-линейную» систему и ввел термин «хореографическая партитура». Но этот способ не прижился и наибольшее распространение получил принцип записи Р. Фон Лабана. Мы не будем вдаваться в тонкости записи движения в этой системе, а укажем лишь на то, что в ней движение человека рассматривается в сферическом пространстве и существует возможность учитывать продолжительность того или иного движения исполнителя. На наш взгляд, именно это и является важным. Именно этот учет положения тела человека в пространстве-времени - основных категориях движения в физике - и является залогом ее успешности и мирового признания [2, с. 3-4].
Из мира искусства вернемся к проблемам физики, которая и представляет для нас наибольший интерес. Разумеется, полноценное изучение и анализ движения объектов стало возможно лишь тогда, когда появились соответствующие инструменты для этого. К таковым мы относим фотографию и киносъемку.
Вспомним, что первое устойчивое фотографическое изображение было получено в 1822 г. французским изобретателем Ж. Н. Ньепсом. Это изобретение имело чрезвычайно важное значение для человечества. Оно позволяло фиксировать самые разные исторические события. Но оно же дало и существенный толчок в развитии науки, так как позволило астрономам, например, фиксировать объекты, увиденные ими в телескоп, которые раньше они должны были зарисовывать (рис. 1). Процесс фотографирования в те годы был очень трудоемким и занимал много времени, поэтому фиксировать движение он точно не помогал.
Рис. 1. Зарисовки Луны из рабочей тетради Галилея. 1609 г., Центральная Национальная
библиотека, Флоренция
Однако история развития науки и техники показывает, что появление любого нового прибора или метода стимулирует ученых и изобретателей к их дальнейшему совершенствованию. Появляются задачи, для решения которых требуется новый креативный подход. Причем эти задачи первоначально не всегда бывают научными. Так было и с фиксацией движения. Одним из пионеров новой идеи был фотограф
Эдвард Мейбридж. Он должен был помочь в разрешении спора, заключавшегося в установлении техники бега лошади. Мейбридж специализировался на съемке бегущих животных и разработал для этого специальную систему.
Поскольку дело происходило в 1877 г., то в те времена фотоаппарат мог использовать только одну фотопластинку и делать единственный кадр. Поэтому фотографу нужно было использовать несколько камер, установленных на определенных расстояниях. Каждая из них срабатывала в тот момент, когда лошадь задевала специальные нити, протянутые поперек беговой дорожки. Это приводило к срабатыванию затвора камеры. Последовательность сделанных кадров и могла стать иллюстрацией движения животного (рис. 2). Метод, предложенный Э. Мейбриджем, в дальнейшем стал использоваться и в спорте. Но его заслугой стало и введение нового термина, который сейчас знают практически все пользователи смартфонов - fps (англ. frames per second) [3, c. 63].
Рис. 2. «Лошадь в движении» (воспроизводится по [2])
Следующим существенным шагом стало использование в 1937 г. Гарольдом Эд-жертоном метода, предложенного Г. Мили. Мили был первым фотографом, который стал использовать стробоскопическую съемку. Созданные Эджертоном аппараты для регистрации быстрых процессов позволяли фактически анализировать движения, которые происходили слишком быстро или были слишком сложны. Его камеры на одном снимке фиксировали последовательность этапов движения. Наиболее известной его работой стала «Капля молока» (этот снимок сделан в 1957 г. и был включен в список самых выдающихся фотографий) (рис. 3).
Рис. 3. Капля молока (источник: https://kulturologia.ru/blogs/281013/19127/)
В настоящее время техника скоростной видеосъемки продолжает совершенствоваться: появились данные о том, что японские ученые достигли скорости 4,4 трлн кадров в секунду, что позволяет «визуализировать дискретные процессы переноса тепла и течение химических реакций» [3, с. 68]. Нас в данном случае интересует, правда, не столько скорость съемки, сколько возможность использования ее для анализа физики движения. Обратимся к использованию этого метода в спорте.
Видеосъемка для анализа движения
В последнее время все чаще и чаще возникают допинговые скандалы. Возникает вопрос, с чем это связано? Неужели без допингов современные спортсмены не могут поставить новых рекордов? Очень возможно, что мы достигли предела возможностей человека и усилить физическую активность и выносливость на время спортивных соревнований можно только с помощью приема специальных препаратов.
Но, как оказалось, наука может предложить другие способы. Для этого необходим детальный и тщательный анализ движения спортсмена. В качестве примера приведем технику прыжков в высоту через планку. Начиная с XIX в. она несколько раз менялась. Каждый раз это было связано с тем, что достичь лучшего результата уже было невозможно.
Последним достижением стал стиль прыжка фосбери-флоп, предложенный Ричардом Фосбери. С помощью этого способа ему удалось получить золотую медаль на Летних Олимпийских играх в Мексике в 1968 г. Анализ движения спортсмена, использующего этот стиль, показывает, что достижение новых рекордов стало возможным только с помощью грамотного использования законов физики.
Суть новой техники заключается в следующем (рис. 4): спортсмен разбегается по широкой дуге для того, чтобы в процессе отталкивания создать вращающий момент для разворота тела спиной к планке. Затем он последовательно переносит через планку все части тела, принимая форму лука. Разбег не по прямой, а по дуге имеет здесь ключевое значение. Тело, движущееся с определенной скоростью, взаимодействует с опорой при помощи ноги, выставленной вперед. В результате условная линия, соединяющая центр масс тела спортсмена с точкой опоры, оказывается отклоненной от вертикали на некоторый угол. Поэтому, даже не выполняя далее никаких действий, спортсмен изменяет направление своего движения, приобретая вертикальную скорость. При этом центр масс спортсмена находится примерно на 20 см ниже планки [4, с. 21].
Рис. 4. Техника прыжка фосбери-флоп
Приведенный выше пример показывает, что новые рекорды во многом зависят от технологий анализа движения спортсмена. В настоящее время существуют специальные программы для моделирования новых двигательных действий и оценка возможности их выполнения. Так, например, компьютерная программа, моделирующая полетную фазу при выполнении гимнастических упражнений, позволяет на основе данных ведущих спортсменов мира задать основные биомеханические характеристики движения, после этого оценить, возможно ли в принципе его выполнить (рис. 5).
о Видеорегистрация (например, комплекс «Видеоанализ движений». Мытищи, «Центр авиакосмической медицины» Россия)
Рис. 5. Автоматизированные измерительные методики видеорегистрации Использование видеоанализа на уроках физики
Видеоанализ сравнительно недавно стал и одним из инструментов учителя физики, тем не менее уже появились примеры его использования в работе с учащимися [5-11]. Это действительно мощный инструмент для исследования в самых разных областях, в том числе и в образовании. Явным преимуществом видеоанализа является безопасность этого способа анализа движущихся объектов. Объекты исследования могут быть обнаружены как в профессионально снятых фильмах (в том числе и художественных), так и в кратких роликах, сделанных самими учащимися. Многообразны и современные инструменты как съемки таких материалов, так и их обработки.
Приведем пример из фильма BBC «Причудливые способы движения». Задачей авторов фильма являлась демонстрация траектории движущегося животного. Поэтому после кадров со съемкой движения галаго - небольшого примата, живущего в Африке, - приведен кадр, на котором наложено несколько кадров и легко прослеживается траектория полета животного (рис. 6).
Существуют и более простые варианты анализа движущихся объектов. Например, цифровой инструмент «1С:Измеритель». Он предназначен в том числе и для обработки видеофрагментов. С его помощью можно выбирать и отмечать объекты, устанавливать систему координат и привязывать ее к определенному объекту, автоматически формировать таблицу с их координатами, расстояниями между ними, а также фиксировать необходимые углы. Этот инструмент не предполагает специальной предварительной подготовки пользователя и размещен на сайте «Единая Коллекция цифровых образовательных ресурсов» (http://school-collection.edu.ru/).
\ i^hb Vv
Рис. 6. Прыжок галаго
Авторы активно используют эти средства в своем преподавании. Однако всегда хочется внести в любую деятельность - и собственную, и учащихся какие-то новые элементы, которые могут показать школьникам возможность использования инновационных средств даже для самого простого и доступного эксперимента.
Обобщив все сказанное выше, опишем задание, которое полезно для анализа перемещения в пространстве и посильно и доступно учащимся.
Итак, для эксперимента учащимся требуется смартфон с возможностью съемки в режиме стробоскопа (это прямая отсылка к освоению ими функции смартфона fps), светодиоды разного цвета, зажимы типа «крокодил», легкий источник питания (батарейка), провода.
Кратко остановимся на описании режима стробоскопа. В смартфоне есть функция изменения количества кадров в единицу времени, выводящихся на экран устройства при выполнении тех или иных действий, например при фотографии. Приведем характерные значения этой величины. 30 fps -подобная частота кадров часто ассоциируется с телевизионной съемкой. Ее используют в прямых трансляциях на телевидении и съемке спортивных событий.
Видео получается более плавным, но менее кинематографичным. Для ускоренной съемки применяют частоту 50/60 fps. Она позволяет реализовать эффект замедленного движения. Другим распространенным названием этой разновидности съемки является рапид или slow motion. Для отображения быстропротекающих зрелищных моментов, например взрывов в боевиках, используют 120 fps. Эта частота позволяет создать эффект плавного замедленного движения.
\ _А
А*
\ К
I т \
Ч\
Как показывает опыт фотографа Эдварда Мейбриджа, упоминавшегося нами выше, видео - это, по сути, ряд последовательно снятых фотографий, которые быстро сменяют друг друга. Камера захватывает определенное количество изображений за секунду, собирает их воедино, и наш мозг распознает эту последовательность как движение.
Следует предупредить учащихся, чтобы они не путали частоту кадров с частотой обновления экрана смартфона. Второй показатель связан не с возможностями камеры, а с особенностями функционирования дисплея и показывает, насколько быстро экран обрабатывает изображение. Частота таких обновлений измеряется в герцах (Гц).
В описываемом эксперименте учащимся предлагается собрать все элементы цепи последовательно и добиться того, чтобы все диоды загорелись. Затем, используя крокодилы, каждый диод прикрепляется в точках тела, которые нас будут интересовать. Для проверки методики измерения можно взять более простой объект -колесо. Один диод закрепить в его центре, другой - на ободе. Затем подготовиться к съемке ролика, то есть подобрать режим вывода количества кадров на экран смартфона. Далее привести колесо в движение. С первой попытки, скорее всего, сделать хороший ролик не удастся, поэтому следует проводить съемку при разных значениях fps. Из нескольких вариантов выбирается наиболее подходящее значение fps.
На полученном ролике будут видны траектории движения выбранных точек. Они будут разного цвета, что удобно для дальнейшей обработки. После этого можно переходить к исследованию движения более сложных объектов. Например, рассмотреть особенности движения человека в процессе ходьбы, бега и прыжков. Для этого нужно закрепить с помощью крокодилов на одежде светодиоды: в районе колена, голеностопного и тазобедренного суставов. Затем снять фильм и провести анализ получившегося видео. Дифференцировать движение каждой точки просто, поскольку они отличаются цветом.
Что может дать такой анализ? По результатам расчетов можно узнать, какую работу совершает человек при том или ином виде движения. Например, известно, что некоторые люди имеют «подпрыгивающую» походку. Это означает, что человек при ходьбе совершает большую работу и сильнее устает.
Заключение
В современных реалиях перед преподавателями поставлена задача обновления содержания курса физики на основе системы экспериментальных заданий и обновления оборудования для их проведения в школе. Такие экспериментальные задания позволят учащимся осваивать физические основы современных технологий, и на этом увлекательном материале сформируется интерес школьников к инженерным профессиям, способность грамотно, полезно, безопасно действовать в неопределенной ситуации будущего.
Список литературы
1. Вихрева Н. А. Запись танца. Элементарные основы записи движений по системе Рудольфа Лабана. Labanotation / под ред. Энн Хатчинсон Гэст. М.: Голос-Пресс, 2006. 192 с.
2. Усачёв Ю. Ю., Бугаёв А. В. Специфика техники Рудольфа фон Лабана в системе современного танца // С.-Петербургский образоват. вестн. 2019. № 1-2 (29-30). С. 82-85.
3. Петров В. Н., Лепов В. В. Высокоскоростная фотография: история создания и применение // Наука и техника в Якутии. 2017. № 1 (32). С. 63-70.
4. Егоров А. Т. Механизм рекуперации в прыжке в высоту способом фосбери-флоп // Педагогико-психологические и медико-биологические проблемы физической культуры и спорта. 2012. № 1 (22). С. 21-27.
5. Филиппова И. Я. Видеоанализ своими руками // Физика для школьников. 2014. № 4. С. 48-59.
6. Филиппова И. Я., Ермолаева Е., Багонька Т. Исследование упругих нелобовых соударений двух тел равной массы с применением видеоанализа // Физика для школьников. 2015. № 3. С. 48-50.
7. Ротов А. Ю., Филиппова И. Я. Исследование соударения тел разной массы с применением видеоанализа // Физика для школьников. 2011. № 3. С. 29-33.
8. Филиппова И. Я. Видео как инструмент современного учителя физики // Видеонаука. 2016. № 1 (1). С. 41-45.
9. Филиппова И. Я. Видео как инструмент современного учителя физики. Ч. 1 -как проводить видеоанализ // Видеонаука. 2016. № 4 (4). С. 20-28.
10. Филиппова И. Я. Видео как инструмент современного учителя физики. Ч. 2 - примеры использования видеоанализа // Видеонаука. 2017. № 1 (5). С. 15-21.
11. Филиппова И. Я. Видеозадачи как метод организации занятий при дистанционном обучении // Видеонаука. 2022. № 1 (23). С. 4-8.
References
1. Vikhreva N. A. Zapis tantsa. Elementarnye osnovy zapisi dvizheniy po sisteme Rudolfa Labana. Labanotation. Ed. by Ann Hutchinson Guest. Moscow: Golos-Press, 2006. 192 p.
2. Usachev Yu. Yu., Bugaev A. V. Spetsifika tekhniki Rudolfa fon Labana v sisteme sovremennogo tantsa. S.-Peterburgskiy obrazovat. vestn. 2019, No. 1-2 (29-30), pp. 82-85.
3. Petrov V. N., Lepov V. V. Vysokoskorostnaya fotografiya: istoriya sozdaniya i primenenie. Nauka i tekhnika v Yakutii. 2017, No. 1 (32), pp. 63-70.
4. Egorov A. T. Mekhanizm rekuperatsii v pryzhke v vysotu sposobom fosberi-flop. Pedagogiko-psikhologicheskie i mediko-biologicheskie problemy fizicheskoy kultury i sporta. 2012, No. 1 (22), pp. 21-27.
5. Filippova I. Ya. Videoanaliz svoimi rukami. Fizika dlya shkolnikov. 2014, No. 4, pp. 48-59.
6. Filippova I. Ya., Ermolaeva E., Bagonka T. Issledovanie uprugikh nelobovykh soudareniy dvukh tel ravnoy massy s primeneniem videoanaliza. Fizika dlya shkolnikov. 2015, No. 3, pp. 48-50.
7. Rotov A. Yu., Filippova I. Ya. Issledovanie soudareniya tel raznoy massy s primeneniem videoanaliza. Fizika dlya shkolnikov. 2011, No. 3, pp. 29-33.
8. Filippova I. Ya. Video kak instrument sovremennogo uchitelya fiziki. Videonauka. 2016, No. 1 (1), pp. 41-45.
9. Filippova I. Ya. Video kak instrument sovremennogo uchitelya fiziki. Part 1 - kak provodit videoanaliz. Videonauka. 2016, No. 4 (4), pp. 20-28.
10. Filippova I. Ya. Video kak instrument sovremennogo uchitelya fiziki. Part 2 - primery ispolzovaniya videoanaliza. Videonauka. 2017, No. 1 (5), pp. 15-21.
11. Filippova I. Ya. Videozadachi kak metod organizatsii zanyatiy pri distantsionnom obuchenii. Videonauka. 2022, No. 1 (23), pp. 4-8.
Интернет-журнал «Проблемы современного образования» 2024, № 3
Статья поступила в редакцию 06.10.2023 The article was received on 06.10.2023
