Für Lehrkräfte – StroboGraph

Moodle

In Moodle als Datei bereitstellen

Benötigt wird die ZIP-Datei mit der App (mit index.html auf oberster Ebene).

Im Kurs den Bearbeitungsmodus einschalten und „Material oder Aktivität anlegen“ → „Datei“ wählen.
Einen Namen vergeben, zum Beispiel „StroboGraph – Videoanalyse“.
Die ZIP-Datei in das Feld „Dateien auswählen“ ziehen.
Auf die hochgeladene ZIP-Datei klicken und „Entpacken“ wählen.
Die ZIP-Datei anschließend anklicken und „Löschen“ – sie wird nicht mehr gebraucht.
Auf index.html klicken und „Als Hauptdatei setzen“ wählen. Die Datei erscheint danach fett.
Unter „Darstellung“ → „Anzeige“ die Option „Öffnen“ oder „Im Popup-Fenster“ wählen.
„Speichern und anzeigen“ – die StroboGraph-Website öffnet sich. „App starten“ startet die App; sie geht beim ersten Antippen in den Vollbildmodus.

Nicht „Einbetten“ wählen

Eingebettet läuft StroboGraph in einem Rahmen innerhalb der Moodle-Seite. Dort sperrt der Browser die Kamera, und für Video und Diagramm ist zu wenig Platz.

Update: Neue ZIP-Datei auf dieselbe Weise hochladen, entpacken und die alten Dateien ersetzen. Die Projekte der Schülerinnen und Schüler bleiben erhalten.

Falls die Seite leer bleibt: Manche Moodle-Installationen verändern hochgeladene HTML-Dateien (Einstellung „Filter für hochgeladene Dateien“) oder liefern Skripte mit ungewöhnlichem Dateityp aus. Die Browser-Konsole (Taste F12) zeigt, welche Datei nicht geladen wurde – das klärt dann die Moodle-Administration.

Moodle-Lernpakete

Fit-Aufgaben als Lernpaket

Schülerinnen und Schüler stellen sich gegenseitig Fit-Aufgaben, die Punkte gehen ins Notenbuch. Wie das abläuft und wie man es einrichtet, steht auf der eigenen Seite Fit-Aufgaben; die Schritte für Lehrkräfte unter Für Lehrkräfte: einrichten.

Webserver

Auf einem eigenen Webserver

Die Dateien der App (Inhalt der ZIP-Datei) auf einen beliebigen Webserver kopieren, auch in einen Unterordner wie https://schule.de/physik/strobograph/. Es ist keine Einrichtung nötig.

HTTPS ist Pflicht. Nur über https:// erlauben Browser das Dekodieren einzelner Videobilder, die Kamera und die Offline-Nutzung.
Installierbar: In Chrome, Edge und Safari lässt sich StroboGraph „zum Startbildschirm hinzufügen“ und funktioniert danach auch ohne Internet.
Ohne Webserver: Direkt aus dem Ordner geöffnet (Doppelklick auf index.html) startet die App nur in Firefox. Chrome und Edge blockieren das aus Sicherheitsgründen. Zum Ausprobieren am eigenen Rechner genügt ein kleiner lokaler Server: im Ordner der App python3 -m http.server ausführen und http://localhost:8000 öffnen.
Keine laufenden Kosten: Videos werden nie hochgeladen, die Rechenarbeit macht jeweils der Browser.

Datenschutz

Daten bleiben auf dem Gerät

Videos, Messpunkte und Projekte werden im Speicher des Browsers auf dem jeweiligen Gerät abgelegt. Es gibt keine Anmeldung, kein Konto, keine Werbung und keine Statistik. Nur im Moodle-Lernpaket gehen Daten weiter, und nur in das eigene Moodle: eingereichte Fits und Ergebnisse sowie Projekte, die jemand selbst in der Moodle-Datenbank speichert.

Gemeinsam genutzte Rechner

Projekte bleiben im Browser des Geräts gespeichert – nicht pro Moodle-Konto. Nutzen mehrere Klassen denselben Rechner mit demselben Browserprofil, sieht die nächste Person die Projekte der vorherigen. Deshalb am Ende der Stunde: Ergebnisse als CSV oder .strobograph sichern und das Projekt löschen.

Videos

Gute Videos für die Analyse

Worauf achten	Warum
Stativ oder fest aufgelegtes Handy	Eine wackelnde Kamera bewegt das Koordinatensystem mit.
Maßstab in der Bewegungsebene	Sonst wird die Strecke durch die Perspektive falsch umgerechnet (siehe Beispiel).
Kamera senkrecht zur Bewegung	Schräge Aufnahmen verzerren die Strecken. Notfalls hilft die Perspektivkorrektur beim Kalibrieren (unter „Erweitert“), am einfachsten mit dem Kalibrierblatt.
Hohe Bildrate, viel Licht	Mehr Messpunkte und weniger Bewegungsunschärfe – die automatische Verfolgung wird zuverlässiger. Mit StroboGraph selbst aufgenommen, wird kurz belichtet und halb so hell aufgenommen; die App hellt die Bilder wieder auf.
Ruhiger Hintergrund, gut sichtbares Objekt	Das Objekt hebt sich ab und wird sicher wiedergefunden.

iPhone-Videos

iPhones speichern standardmäßig im HEVC-Format, das viele Browser unter Windows und Linux nicht lesen können. Abhilfe: einmalig unter Einstellungen → Kamera → Formate die Option „Maximale Kompatibilität“ wählen.

Kalibrierblatt

Kalibrierblatt zum Ausdrucken

Das Kalibrierblatt trägt in den Ecken vier große Marker, deren Mitten ein Rechteck bekannter Größe aufspannen: drei schwarze Quadrate und oben links ein Quadrat mit weißen Feldern, das Blattgröße und Ausrichtung verrät. Weil die Marker so groß sind, wird das Blatt auch aus großer Entfernung gefunden – in Full HD das A4-Blatt bis etwa 7 m, das A3-Blatt bis etwa 10 m. Die automatische Auswertung findet es und stellt damit die Perspektivkorrektur ein. Die grünen Ecken liegen dann auf den Markermitten und lassen sich noch verschieben. Der Ursprung bleibt, wo er ist (siehe Werkzeuge: Kalibrieren).

Kalibrierblatt zum Ausdrucken A4: Markermitten 20,5 × 12 cm, erkannt bis etwa 7 m · A3: 29 × 16,8 cm, bis etwa 10 m (Full HD).

Kalibrierblatt A4 Kalibrierblatt A3

Darauf achten

In Originalgröße drucken (100 %, nicht „An Seite anpassen“) und die Prüfstrecke auf dem Blatt nachmessen: Sie muss genau 10 cm lang sein. Das Blatt flach in die Bewegungsebene hängen – die Korrektur gilt nur in der Ebene des Blatts. Alle vier Marker müssen im Bild sein. Ältere ausgedruckte Blätter (vier gemusterte Marker) werden weiterhin erkannt, aber nur aus kürzerer Entfernung.

Kalibrierplatte

Kalibrierplatte aus dem 3D-Drucker

Statt des Papierblatts lässt sich eine feste Platte drucken, so groß wie das Druckbett eines Prusa MK4: 240 × 200 × 2 mm, vier Marker von 56 mm, deren Mitten 17 × 13 cm aufspannen. Sie bleibt eben, wellt sich nicht und wird in Full HD bis etwa 6 m erkannt. StroboGraph meldet sie als „MK4-Kalibrierblatt“. Aufhängen lässt sie sich am Loch oben in der Mitte; zum Hinstellen gibt es zwei L-Füße, die man unten auf die Kante steckt.

Kalibrierplatte MK4 Platte 240 × 200 mm, Markermitten 17 × 13 cm · zwei Füße zum Aufstecken.

Platte (3MF) Füße (3MF) Platte (STL) Füße (STL)

Drucken

Die Platte liegt mit der Rückseite auf dem Bett, weiß gedruckt; die schwarzen Teile stehen 0,4 mm erhaben. Schichthöhe 0,2 mm, Farbwechsel von Weiß auf Schwarz bei 2,2 mm – in der 3MF-Datei für PrusaSlicer schon eingetragen, sonst im Schichtregler bei 2,20 mm „+“ (M600) setzen. Die Platte füllt das Bett fast ganz aus; ein sauberes, gut haftendes Bett hält sie eben. Danach ein Lineal nachmessen: oben und unten von 0 bis 9 genau 9 cm, links und rechts von 0 bis 5 genau 5 cm. Die Füße werden liegend gedruckt, ohne Stützen. Ihr Schlitz ist um 8° nach hinten geneigt, damit die Platte nicht nach vorne kippt. Vorne greifen sie nur 2,5 mm über die Unterkante, so bleiben die Marker frei. Für andere Drucker lassen sich die Maße in tools/calibration_plate_model.py ändern – die Marker müssen dann aber zu den Maßen in der App passen.

Kalibrierschild: dünn, Bild eingebrannt

Dieselben Marker auf einer Platte aus nur fünf Schichten (0,9 mm) mit runden Ecken und Loch zum Aufhängen, in den Farben der App: Marker, StroboGraph-Symbol und Schrift in Tinte, die Lineale, „Graph“ und die Punkte im Symbol in Senfgelb, die Platte in Sand. Gedruckt wird es mit der Bildseite nach unten wie die Wagenmarke für den Physor-Wagen, aber mit drei Farben: In der ersten Schicht entsteht zuerst das Dunkle (Extruder 1, Schwarz oder ein sehr dunkles Blau, damit die Marker sicher erkannt werden), dann das Gelbe (Extruder 2), nach dem letzten Werkzeugwechsel wird die Platte in Beige oder Weiß darübergedruckt (Extruder 3). Dafür im Drucker einen dritten Extruder anlegen, sonst dieselben Einstellungen und derselbe Werkzeugwechsel-G-Code wie dort beschrieben. StroboGraph erkennt es als MK4-Kalibrierblatt. Zum Hinstellen gibt es eigene L-Füße, ebenfalls 8° nach hinten geneigt. Eine federnde Lippe mit Noppe klemmt das Schild fest, so kommen die Füße beim Hochheben mit. Sie greifen 12 mm hoch über die Unterkante und gehören deshalb zwischen die unteren Marker, nicht darunter.

Kalibrierschild (3MF) Füße fürs Schild (3MF) Füße fürs Schild (STL)

Wagenmarke

Wagenmarke für Fahrbahnwagen

Die Wagenmarke ist ein Streifen von 18 × 3,8 cm mit vier Quadraten von 26 mm in einer Reihe, jedes ganz ausgefüllt oder nur ein Rahmen von 5 mm. Welche ausgefüllt sind, unterscheidet die Wagen 1 bis 4 und zeigt, wo vorne ist; die Mitten der beiden äußeren Quadrate liegen 13,2 cm auseinander. StroboGraph erkennt nur diese vier Muster in genau dieser Anordnung und hält so nichts anderes im Bild für einen Wagen. Die Farben sind frei, die Quadrate müssen nur dunkler sein als der Streifen. Ältere Streifen (mit dem StroboGraph-Symbol) erkennt es nicht mehr – bitte neu drucken. Seitlich am Wagen ist sie Maßstab genau in der Ebene, in der der Wagen fährt, und StroboGraph verfolgt den Wagen an ihr samt seiner Neigung (siehe Werkzeuge: Die Wagenmarke). Es gibt sie zum Ausdrucken (die vier Wagen auf A4) und zum 3D-Drucken mit zwei aufschiebbaren Klemmen.

Wagenmarke Papier: ausschneiden und aufkleben · 3D-Druck: Streifen und Klemmen, ohne Stützmaterial.

Wagenmarke A4 Streifen (3MF) Klemmen (3MF) Klemmen (STL)

Papier

In Originalgröße drucken und den Abstand der Mitten der äußeren Quadrate nachmessen: genau 13,2 cm. Jeder Wagen bekommt seinen eigenen Streifen; flach und ohne Falten aufkleben, längs zur Fahrtrichtung, das linke Ende (wie gedruckt) nach hinten. Ringsum etwas vom hellen Streifen stehen lassen.

3D-Druck (z. B. Prusa MK4)

Die Streifen werden zweifarbig mit der Bildseite nach unten gedruckt, wie das Kalibrierschild: In der ersten Schicht entstehen zuerst die Quadrate (Extruder 1, eine dunkle Farbe), nach dem Werkzeugwechsel der Streifen darüber (Extruder 2, eine hellere Farbe). Die Datei enthält die Streifen aller vier Wagen nebeneinander; nicht gebrauchte lassen sich im Slicer löschen. Drucker und Werkzeugwechsel-G-Code wie unten beim Physor-Wagen beschrieben. Die Nut liegt dabei oben und braucht kein Stützmaterial. Die beiden Klemmen werden liegend gedruckt, ebenfalls ohne Stützen, von der Seite in die Nut geschoben und auf die Kerben 11 cm auseinander gestellt. Sie greifen über die Oberkante einer 2 mm dicken Seitenwand und reichen innen 15 mm hinab. Für andere Wagen lassen sich die Maße in tools/cart_marker_model.py ändern.

Wagenmarke für den Physor-Wagen

Für den Physor-Kinematikwagen (Version 1) gibt es die Wagenmarke als Halterung mit eingebranntem Bild: zwei Zapfen werden von unten in die freien unteren Enden der beiden M6-Mutternschächte einer Seitenwand gedrückt (kleine Quetschrippen halten sie), ein Steg unter der Wand trägt außen vor den Achs-Pads eine Platte so lang wie der Wagen und so hoch wie das Deck – ihre Außenseite ist die Wagenmarke. Sie passt auf beide Seiten und lässt 12 mm Bodenfreiheit.

Es gibt eine 3MF-Datei je Wagen. Sie enthält zwei Objekte, beide vom Bett aus: „Wagenmarke Tinte“ (die Quadrate, eine Schicht von 0,1 mm, Extruder 1, dunkel) und die „Halterung Sand“ mit der Bildseite nach unten (Extruder 2, eine hellere Farbe). In der ersten Schicht werden zuerst die Quadrate gedruckt, dann wechselt das „Werkzeug“ – das ist der Farbwechsel – zur Halterung, die darübergedruckt wird und das Bild einbrennt. Dafür einmal in PrusaSlicer (Expertenmodus) einen Drucker anlegen, der mehrere Extruder an derselben Düse hat (drei, dann passt er auch fürs Kalibrierschild):

Druckereinstellungen → Allgemein: Extruder 3, Single Extruder Multi Material an.

Druckereinstellungen → Benutzerdefinierter G-Code → Werkzeugwechsel-G-Code (kein Wechsel beim Start; beim Wechsel anheben, Filament wechseln, vorne am Bettrand eine Spüllinie und abstreifen wie in der Startsequenz):

{if previous_extruder>-1}; colour change: lift, change, purge at the front edge, wipe
G1 Z{layer_z + 5} F720
M600
G0 X60 Y-4 F9000
G0 Z0.2 F720
G0 E7 X75 F500 ; purge
G0 X90 E4 F650 ; purge
G0 X93 Z0.05 F8000 ; wipe, close to the bed
G0 X96 Z0.2 F8000 ; wipe, away from the bed
G0 Z{layer_z + 1} F720
{endif}

Für alle Extruder dasselbe Filament-Profil (die Temperatur kommt nach jedem Wechsel aus dem neuen Extruder).
Druckeinstellungen → Mehrere Extruder: Reinigungsturm aus; Schichten und Umfänge: erste Schicht 0,1 mm.

Die Meldung über Konflikte zwischen den Objekten ist gewollt und kann ignoriert werden.

Halterung Wagen 1 (3MF) Halterung Wagen 2 (3MF) Halterung Wagen 3 (3MF) Halterung Wagen 4 (3MF)

Messunsicherheit

Messunsicherheit im Unterricht

StroboGraph gibt jeden Parameter einer Regression mit Unsicherheit und Einheit an, z. B. a = (−9,81 ± 0,15) m/s². Diese Unsicherheit ist nicht nur die Streuung der Messpunkte: Sie enthält auch die systematischen Fehler des Maßstabs – Pixelgenauigkeit, Länge des Maßstabs und vor allem die Frage, ob sich das Objekt wirklich in der Ebene des Maßstabs bewegt. Gerechnet wird nach den Regeln des GUM (Grenzen ±g als g/√3, quadratische Addition). Die vollständige Rechnung mit allen Beiträgen steht in der Anleitung.

Warum sich das Thema lohnt

Videoanalyse verführt zu einem Fehlschluss: Die Punkte liegen perfekt auf der Parabel, R² ist 0,99998 – also muss die Messung sehr genau sein. Tatsächlich zeigt R² nur, dass die Form stimmt. Ein Maßstab, der um 3 % falsch ist, streckt alle Längen gleich und lässt R² unverändert. Am Beispiel des fallenden Schraubendrehers ist der Beitrag der Streuung 0,30 %, der des Kameraabstands bis zu 3 %. Wer nur die Streuung betrachtet, unterschätzt die Unsicherheit um fast eine Größenordnung.

Was die Rechnung zeigt

Quelle	Annahme	Anteil an a
Streuung der Punkte	aus der Regression	0,30 %
Pixel des Maßstabs	±1 px je Ende (von Hand), ±0,5 px (Kalibrierblatt)	0,46 % bzw. 0,10 %
Länge des Maßstabs	±0,5 mm, gemessen oder gedruckt	0,14 %
Lage der Bewegungsebene	±5 cm; Kamera 1 m / 2 m / 3 m entfernt	2,9 % / 1,4 % / 0,96 %
zusammen (Kamera 2 m)	quadratisch addiert	1,6 % → a = (−9,81 ± 0,15) m/s²

Anregungen für den Unterricht

Vorhersage vor der Messung: Welche Fehlerquelle ist wohl die größte? Die meisten tippen auf „ungenaues Klicken“ – die Rechnung zeigt, dass es der Abstand zwischen Maßstab und Bewegung ist.
Gezielt verfälschen: Den Maßstab absichtlich 10 cm vor oder hinter die Bewegung halten und die Messung wiederholen. Ändert sich a wie vorhergesagt um Δz/Z?
Abstand variieren: Denselben Versuch aus 1 m und aus 3 m filmen und die Unsicherheiten vergleichen. Dafür den Abstand unter Kalibrieren → Erweitert eintragen.
Passt das Ergebnis? Liegt der Literaturwert innerhalb der angegebenen Unsicherheit? Wenn nicht: Welche Annahme war zu optimistisch?
Gültige Ziffern: Die App rundet die Unsicherheit auf eine Ziffer (zwei, wenn sie mit 1 beginnt) und den Wert auf dieselbe Stelle, Nullen am Ende zählen mit. Gut geeignet, um die Regel an echten Messwerten zu besprechen.

Den Abstand bestimmen

Ohne Eintrag rechnet StroboGraph mit 2 m Kameraabstand. Hängt das Kalibrierblatt deutlich schräg (ab 15°) im Bild oder wurde das Video in der Android-App aufgenommen, berechnet StroboGraph den Abstand selbst. Sonst lohnt es sich, ihn mit dem Maßband zu messen und einzutragen.

Geräte

Browser und Geräte

Empfohlen: aktuelles Chrome, Edge, Firefox oder Safari – auf Windows, macOS, Linux, iPad, Android-Tablets und Smartphones.
Ältere Browser ohne moderne Videoschnittstelle funktionieren ebenfalls, Bildwechsel und Verfolgung sind dann etwas langsamer.
Bedienung am Computer: ← → Bild für Bild, Leertaste Abspielen, 1–4 wechseln die Reiter, Mausrad zoomt – im Diagramm mit Shift nur waagerecht, mit Alt nur senkrecht. Alles Weitere unter Werkzeuge.
Vollbild: Über „App starten“ geht die App beim ersten Antippen in den Vollbildmodus, sonst über den Knopf oben rechts. Esc oder die Zurück-Geste beenden ihn. Auf dem iPhone gibt es für Webseiten keinen Vollbildmodus; dort StroboGraph „Zum Home-Bildschirm“ hinzufügen.
Android-App: StroboGraph gibt es auch als App; Projekte lassen sich als .strobograph zwischen App und Browser austauschen.

FAQ

Häufige Fragen

Das Video lässt sich nicht öffnen.

Meist ist es ein iPhone-Video im HEVC-Format (siehe Gute Videos). StroboGraph zeigt dann eine Meldung mit dem Videoformat. Alternativ das Video in Safari öffnen oder vorher umwandeln.

Die automatische Verfolgung hält an.

Das Objekt war in diesem Bild nicht sicher zu erkennen. Auf das Objekt tippen und von dort weiterverfolgen. Hält sie oft an: das Suchfeld (unter „Erweitert“) etwa so groß wie das Objekt stellen oder ein kontrastreicheres Merkmal antippen. Dreht sich das Objekt, „Drehung mitverfolgen“ einschalten.

Die Zeitachse stimmt nicht (Zeitlupe).

Bei Zeitlupenvideos auf den runden fps-Knopf im Video tippen und die tatsächliche Aufnahme-Bildrate eintragen, zum Beispiel 240.

Das Kalibrierblatt oder die Wagenmarke wird nicht erkannt.

Den Zauberstab oben rechts tippen; er durchsucht das Video noch einmal. Alle vier Marker beziehungsweise alle vier Quadrate müssen im Bild und scharf genug sein.

Wo sind meine Projekte gespeichert?

Im Browser auf diesem Gerät. In einem anderen Browser oder auf einem anderen Gerät sind sie nicht sichtbar – dafür das Projekt als .strobograph exportieren und dort importieren.

Kann man mehrere Objekte gleichzeitig verfolgen?

Ja: Im Reiter Verfolgen mit „+ Spur“ eine weitere Spur anlegen. Im Diagramm erscheinen alle Spuren; für welche die Regression berechnet wird, wählt man im Regressions-Knopf. Farben, Namen und Sichtbarkeit stellt man in der Liste „Daten und Fits“ ein.

Lassen sich Drehbewegungen auswerten?

Ja: Vor dem ersten Antippen „Drehung mitverfolgen“ einschalten. Dann misst StroboGraph zusätzlich den Winkel φ und die Winkelgeschwindigkeit ω (siehe Werkzeuge: Drehung).