視頻與數據聯動系統在物理實驗評價中的應用──以RLC串聯電路實驗為例

劉朝輝，吳先球

(華南師范大學 a.物理與電信工程學院;b.物理學科基礎課實驗教學示范中心，廣東 廣州 510006)

大學物理實驗課程是理工類大學生進入大學必修的一門課程，該課程所講授的基本概念、基本理論和基本方法是構成學生科學素養的重要組成部分，對培養大學生的物理領域知識和科學精神具有啟蒙和塑造作用. 目前對學生實驗的考核與評價通常是根據實驗報告、期末的筆試測驗和教師對學生的實驗操作觀察. 這種評價難以全面客觀地評價學生實驗過程，導致學生只關注實驗的理論和結論，忽視實驗過程. 物理實驗過程全局評價是促進學生實驗學習的理想評價方式，但是實驗過程繁雜，進行實驗的學生眾多，難以對實驗過程進行全面客觀地記錄與評價，隨著技術進步，本文設計大學物理實驗過程的視頻與數據同步記錄系統，通過對數據記錄的分析和可視化顯示，實現對整個實驗過程的全局呈現，并根據實驗數據變化實現實驗細節的數據波形和實驗視頻的聯動檢索，為大學物理實驗評價提供全面、客觀的評價依據，提高實驗評價的效率和科學性.

1 視頻與數據同步采集系統設計與實現

1.1 系統設計

視頻與數據聯動采集系統應用于大學物理實驗評價，視頻和實驗數據記錄為實驗評價提供評價依據，必須全面、精確、完整. 系統通過實驗數據分析對實驗操作進行過程性評價，通過數據變化點和實驗關鍵點檢索實驗細節的視頻和數據波形，提高評價效率.

系統硬件不僅要滿足實驗評價對視頻清晰度和數據精確完整度的要求，也要考慮成本、實施便捷，同時盡量不干擾學生做實驗. 系統設計結構見圖1，主要包括3部分：網絡數據采集器、網絡攝像頭、數據與視頻記錄分析計算機. 系統前端包含數據采集和視頻采集2個模塊，實驗數據的采集通過網絡數據采集卡完成，大學物理實驗主要包含力學、熱學、光學、電學實驗[2]，實驗所涉及的物理量通過相關的力、熱、光、電傳感器轉換為可采集的電壓信號后傳輸到網絡數據采集卡進行數據采集和數據傳輸[3]. 實驗視頻采集通過網絡攝像頭完成. 考慮到成本和本系統在教學中的具體實施，采集到的實驗視頻和實驗數據都采用同一IEEE 802.3 兼容的以太網傳輸，計算機接收到實驗視頻和實驗數據后進行數據記錄與分析.

圖1 視頻與數據聯動采集系統結構

1.2 系統實現

1.2.1 網絡數據采集卡的設計與實現

示波器是物理實驗常用設備，實驗過程中的一些關鍵物理量可以通過示波器來觀察. 示波器顯示的關鍵物理量變化貫穿整個實驗，學生的實驗操作過程可以通過關鍵物理量的變化和趨勢體現出來，通過對示波器顯示數據波形的分析，可以對學生的認知領域和操作領域的實驗能力進行評價，示波器顯示的數據可以做為實驗的主要評價依據.

實驗數據記錄系統要滿足透明、兼容、實時、可靠、低成本5個條件. 透明是指數據記錄系統對于學生是透明的，不應該影響學生的實驗操作或者為學生實驗帶來額外的操作負擔. 兼容是指數據采集卡應該從數據采集通道數量、采樣精度、采樣速度方面都達到普通物理實驗需要，技術指標能夠滿足完整、實時、可靠地采集實驗數據的需要. 同時，系統穩定和低成本是現實推廣需要.

基于以上要求，采用意法半導體出品的高性能、低成本、低功耗ARM Cortex-M內核芯片STM32F103RBT6做為網絡數據采集卡核心[4]，采用MicroChip公司SPI總線的ENC28J60以太網絡芯片，使用專為8 bit和16 bit的嵌入式微控制器設計的微型TCP/IP協議棧-uIP協議棧與計算機進行TCP通信[5]，采集到的實驗數據傳輸到計算機進行處理. 網絡數據采集系統的設計框架如圖2所示.

圖2 網絡數據采集卡結構

1.2.2 視頻記錄系統設計與實現

實驗視頻記錄是實驗考核重要的依據，實驗儀器的操作、實驗現場現象、操作者的操作熟練程度等實驗評價相關動作和現象都要通過視頻來體現，實驗評價者需要對關鍵的實驗操作動作和實驗現象進行分析，視頻記錄的清晰度要達到評價要求，同時要兼顧視頻傳輸帶寬和視頻存儲的系統要求，為方便視頻錄制，攝像頭應具備視頻屬性設置和云臺控制功能. 本系統采用聯視威PNP T系列網絡攝像頭，該攝像頭具有廣角3.6 mm鏡頭，支持640×480分辨率，自帶云臺，具有低照度補光功能，網絡攝像頭帶軟件開發包，滿足實驗視頻記錄要求.

視頻與數據記錄軟件采用虛擬儀器軟件LabVIEW2013編寫. LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發，具有類似于C和Basic開發環境，但是LabVIEW使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產生的程序采用框圖形式，有強大的數據處理功能，可充分發揮計算機的數據處理能力，利用軟件即是儀器的思想設計功能強大的儀器. 軟件內置大量諸如波形顯示、數字表頭、數字信號處理、波形分析、硬件讀寫等子程序和控件[6]，以這些成熟的子程序和控件為基礎，可以在短時間內開發出界面友好，性能優良的虛擬儀器. 針對不同的物理實驗，無需對硬件進行大規模修改，只要進行相關控件和程序的增加或修改就可完成不同物理量的采集和分析. 軟件以ActiveX方式調用攝像頭的軟件開發包，開發包建立在數據通訊和視頻處理軟件上層，提供調用接口，利用攝像頭開發包的指令集，無需進行底層編程就可以完成云臺控制、視頻屬性設置、錄像等功能. 該視頻記錄系統錄制的視頻格式為AVI格式，10M以太網可以流暢傳輸，30 min的實驗操作過程占用存儲空間300 M左右，滿足實驗評價要求，成本較低實施便捷.

視頻與數據記錄系統界面如圖3所示，可在計算機端通過軟件遠程調整網絡攝像頭云臺和視頻錄制參量，根據不同物理實驗調節數據采集卡采樣率. 為監控實驗過程的錄制，對實時采集到的實驗數據通過軟件界面下方的虛擬示波器顯示[7]，該示波器與真實的示波器功能和調節方法一致,顯示的數據和實驗現場同步.

1.2.3 實驗視頻與數據分析軟件設計

軟件要完成的任務有2個：第一是對全局實驗數據變化趨勢的可視化呈現，分析和挖掘出實驗關鍵數據點，便于評價實驗原理、實驗設計、實驗操作的合理性. 第二是根據實驗關鍵數據檢索相關實驗視頻和具體實驗數據，顯示關鍵的實驗細節視頻和實驗數據波形，這是提高實驗評價效率的關鍵.

圖3 視頻與數據記錄系統界面

對全局實驗數據變化趨勢的可視化呈現、分析和挖掘通過LabVIEW完成. 實驗數據以LabVIEW的Waveform數據格式存儲，該格式可記錄多通道數據的絕對時間、采樣率、幅度值. 軟件對存儲的各通道的數據進行讀取，并按照相關實驗物理量的定標進行幅值轉換，根據數據記錄起始時間、采樣率和采樣點數實現實驗物理量數據還原，通過LabVIEW的Waveform Graph顯示控件顯示數據波形. 對于不同的物理實驗，進行數據的進一步分析，可以為實驗評價提供更為直觀有效的參考依據. 視頻與數據記錄分析界面如圖4所示，界面的下半部分4個物理量軸顯示的是實驗過程全局物理量變化趨勢，分為信號頻率軸、直流電壓軸、電壓幅度軸、按鍵軸4個以實驗時間索引的主軸. 界面上半部分顯示的是物理量軸上游標所在時刻對應的具體實驗視頻和實驗數據波形. 頻率軸、直流軸、幅度軸整體數據變化趨勢可以反映出學生實驗操作過程的操作行為導致的實驗響應，按鍵軸記錄學生在每次完成自己設計的實驗步驟后按下的按鍵，和學生實驗報告的記錄相對應. 可視化數據變化趨勢圖中以實驗物理量數值做為縱軸，實驗時間做為橫軸，橫軸上設有可以自由拖動的游標，當游標移動到不同數據點時，在界面上方顯示游標所在時刻的實時實驗視頻和數據波形.

對于實驗評價者，利用實驗全局的物理量變化趨勢圖像可以對學生實驗過程整體操作的合理性做出判斷，對于實驗細節，從頭至尾完整地觀看整個實驗過程記錄進行實驗評價的效率很低，也難以甄選有效實驗數據和實驗視頻做為實驗評價依據，對于人數眾多的大學物理實驗評價更顯得不切實際. 根據實驗關鍵數據檢索相關實驗細節視頻和具體實驗數據，對實驗關鍵點進行評價是提高實驗評價效率的關鍵.

視頻記錄和數據記錄是2個獨立的系統，視頻數據以AVI格式存儲，以時間做為檢索量. 實驗數據以Waveform數據格式存儲，記錄了實驗數據的絕對時間、采樣率，也可以通過時間進行數據檢索. 通過時間值可以將視頻和數據記錄聯動起來. 實驗評價者在數據變化趨勢圖像上拖動游標時，系統查找到游標位置對應的實驗時間，時間是數據記錄和視頻記錄共有的索引值，利用該時間值反向檢索對應時刻的實驗視頻和具體數據波形，進行讀取后顯示出該時刻實時視頻和數據波形. 視頻與數據聯動檢索的工作流程如圖5所示. 具體應用時，實驗評價者結合具體實驗原理，在峰峰值、直流、頻率、階段碼4條軸上找到和實驗評價相關的實驗關鍵點和跳變點，將游標移動到相應位置，軟件界面上半部分就會聯動顯示出對應時刻的具體實驗操作視頻和數據波形，便于評價者進行深入實驗評價.

圖4 視頻與數據記錄分析界面

圖5 視頻與數據聯動檢索流程

2 視頻與數據聯動采集系統的應用

RLC串聯電路的幅頻特性實驗是大學物理實驗課程中比較典型的實驗，本文選取該實驗作為應用實例. 該實驗中最為關鍵的變量是信號源頻率和電路中電阻R兩端的電壓信號幅度，當RLC串聯電路諧振時，電路中電阻R兩端的電壓達到最大，正確的電路應該體現出和理論相符的諧振曲線[9]. 信號頻率、信號電壓和按鍵值的可視化呈現可為實驗提供有效評價依據.

實驗儀器包含信號源、電阻、電感、電容、示波器、電壓表，其中最為關鍵的信號源頻率變化和RLC電路響應都通過示波器顯示，實驗前將數據采集卡的模擬輸入接口通過信號三通連接器并聯于實驗中所用示波器的2個輸入通道端，其他儀器不需做任何改動. 這樣可在不影響學生實驗的情況下，同步記錄學生實驗操作過程. 本文以某學生實驗視頻與數據的記錄進行討論分析.

2.1 操作過程的可視化呈現與評價

RLC串聯電路的幅頻特性實驗的自變量是信號源的頻率，因變量是電阻R兩端的電壓. 數據采集卡采集到的2路信號是電路中電阻R兩端的電壓信號和信號源輸出信號，學生的實驗數據變化趨勢如圖6所示，通過圖6上方的滑塊可以瀏覽全局數據變化趨勢，通過游標可以定位實驗數據關鍵點. 針對本實驗，信號源頻率變化可以反映學生調節信號源的過程，電阻R兩端電壓幅度值可以反映實驗電路的響應. 這些有效的實驗判斷依據可以評價學生的電路設計、實驗步驟和操作過程是否正確合理，頻率變化范圍和變化方向是否合理. 此外結合學生自己的書面實驗記錄、階段碼記錄可以判斷學生的實驗設計和實驗過程的準確性和合理性，整個操作過程是否與實驗設計和實驗記錄相符.

實驗數據波形和階段碼的跳變點反映出學生進行了儀器調節操作，通過拖動頻率、電壓、直流、電壓峰峰值4條全局物理量記錄軸的游標，可以迅速定位并顯示數據跳變時刻具體的視頻和數據波形，結合具體實驗原理可以對具體的實驗設計、實驗設備操作、實驗結果進行評價，達到對實驗進行客觀全面的過程性評價的目的.

圖6 實驗數據變化趨勢圖像

2.2 實驗自變量和因變量關系的可視化呈現與評價

RLC串聯電路實驗中信號頻率與電路中的電阻R兩端的電壓這2個自變量與因變量的關系可以體現電路的幅頻響應，是快速直觀評價實驗過程的重要依據，針對本實驗，利用LabVIEW的XY Plot功能將頻率變化和電壓變化描繪圖像，圖7為信號源頻率與電阻R兩端電壓的關系圖.

圖7 電阻R兩端電壓與信號源頻率的關系圖

根據實驗操作者的記錄和系統呈現的電阻R兩端電壓與信號源頻率的關系圖，不僅能判斷實驗報告記錄的結果是否正確，也能判斷實驗過程是否合理及電路設計是否正確、是否和理論值相符. 設計正確、操作完整的實驗過程應該體現出正確的RLC電路的諧振曲線. 從圖7可以看出，數據電阻R兩端的電壓在1 750 Hz附近達到諧振電壓最大值，可以結合電路中電感和電容的參量推算出理論值，判斷實驗操作者設計的RLC電路是否正確，電路的連接和工作狀況是否和理論相符.

2.3 全局快速回放自變量和因變量的變化過程

實驗操作者會根據實驗進程中遇到的問題重復實驗和修正實驗計劃，靜態的全局趨勢圖不足以直觀地反映實驗者的動態操作過程. 利用LabVIEW的3D Graph中的3D comet繪圖功能，將自變量和因變量按記錄序列順序依次逐個顯示，快速回放整個自變量和因變量的變化過程,這個過程和實驗操作者的實際操作流程對應，通過觀察快速數據回放，可以評價實驗操作者的基本操作技能、實驗方法和實驗計劃貫徹情況. 也可以評價實驗過程中遇到的困難和周折、實驗操作者的應變與糾錯能力、實驗全局的合理性，實現實驗評價內容的多元化.

3 結束語

根據大學物理實驗過程評價要求，設計完成實驗視頻與數據聯動采集系統，利用實驗數據和實驗視頻的同步采集和數據分析，為大學物理實驗評價提供客觀、全面、科學的評價依據. 通過對數據記錄的分析和可視化，實現對整個實驗過程的全局呈現，并根據實驗數據變化和實驗關鍵點檢索實驗細節視頻和實驗數據，為實驗評價提供客觀依據，提高實驗評價效率和科學性.