Розробка підходу до проведення натурних експериментів з фізики, що забезпечує підвищення ефективності вимірювання фізичних величин
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.333084Ключові слова:
обробка відео, лабораторні установки, YOLOv8n, метод Хафа, комп’ютерний зір, онлайн-навчанняАнотація
Об’єктом даного дослідження є процедура вимірювання фізичних величин у лабораторних умовах навчальних закладів. Проблема, що виникає при цьому, пов’язана з відсутністю будь-якого комплексного методу й технічного рішення, придатного для експериментального вивчення фізики як в офлайн-, так і в онлайн-форматах навчання. Для вирішення цих задач запропоновано підхід, заснований на технології комп’ютерного зору та навчанні спеціальних нейронних моделей для розпізнавання об’єктів на відеокадрах, які здійснюють механічний рух.
Ідея запропонованого підходу ґрунтується на гіпотезі, що, вимірюючи положення об’єкта на відеокадрах із достатньою точністю, можна визначити функціональний вигляд закону його руху. Далі, знаючи функцію закону руху, можна обчислити будь-які фізичні величини, що описують відповідний процес. Ідею реалізовано у вигляді технічного рішення, що являє собою набір дослідних зразків автоматизованих лабораторних пристроїв.
Вибір методу визначення закону руху здійснювався за допомогою аналізу похибки розпізнавання, вимірювальної похибки, швидкодії та стійкості до зовнішніх умов для алгоритмічного методу Хафа та нейромережевої моделі YOLOv8n. Показано, що нейромережевий метод YOLOv8n має дуже високу точність, але низьку швидкодію. Метод Хафа демонструє високу швидкодію, але меншу точність і стійкість до зовнішніх умов. Встановлено, що точність методу YOLOv8n у 4 рази вища, проте швидкість виконання — у 10 разів нижча, ніж у методу Хафа. Проте в умовах штучного освітлення та фіксації відстані від камери до об’єктів метод Хафа забезпечує 99,9% точності розпізнавання об’єкта на відеокадрах.
Отримані дослідні зразки пристроїв можуть бути застосовані для подальших досліджень щодо визначення їх впливу на якість навчання фізики
Посилання
- Illeperuma, G. D., Sonnadara, D. U. J. (2017). Computer vision based object tracking as a teaching aid for high school physics experiments. 2017 4th International Conference on Electrical Engineering, Computer Science and Informatics (EECSI), 1–6. https://doi.org/10.1109/eecsi.2017.8239112
- Singh, L., Gupta, A., Nigam, A. (2022). Vibration analysis of simple pendulum using computer vision method. Journal of Mechanics and Design, 06 (1), 11–18.
- Guedri, B., Guedri, N., Gharbi, R. (2023). A New Approach for Real-Time Camera-Object Distance Measurement Through Computer Vision. 2023 IEEE Third International Conference on Signal, Control and Communication (SCC), 1–5. https://doi.org/10.1109/scc59637.2023.10527537
- Pattanashetty, K. C., Kumar, R., Pandian, S. R. (2016). Web-based physics experiments in dynamics using image processing. 2016 IEEE 1st International Conference on Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems (ICPEICES), 1–5. https://doi.org/10.1109/icpeices.2016.7853575
- Nakagawa, G., Fujii, K. (2017). A Learning Material for Physics Experiment with High-Accuracy Using Computer Vision Technique. 2017 5th Intl Conf on Applied Computing and Information Technology/4th Intl Conf on Computational Science/Intelligence and Applied Informatics/2nd Intl Conf on Big Data, Cloud Computing, Data Science (ACIT-CSII-BCD), 86–89. https://doi.org/10.1109/acit-csii-bcd.2017.71
- Martín-Ramos, P., Gomes, M. S. M. N. F., Silva, M. R. (2018). Newton’s cradle. Proceedings of the Sixth International Conference on Technological Ecosystems for Enhancing Multiculturality, 71–77. https://doi.org/10.1145/3284179.3284195
- Bogdan, G., Ovidiu, T., Cristina, M., Ștefan, A. (2024). Digital electricity experiments with Raspberry Pi. Romanian Reports in Physics, 76 (4), 905–905. https://doi.org/10.59277/romrepphys.2024.76.905
- Çoban, A., Akat, E., Erdoğan, A. C. (2022). Two different experiments with the rope-attached sphere by using Arduino. Physics Education, 58 (1), 015022. https://doi.org/10.1088/1361-6552/aca19d
- Bach, R. A., Trantham, K. W. (2007). Automated two-dimensional position measurements with computer vision. American Journal of Physics, 75 (1), 48–52. https://doi.org/10.1119/1.2348892
- Khatri, P., Chhatre, U., Kadge, S. (2021). Visual Vibration Analysis of Vibrating Object at Low Frequency. 2021 6th International Conference for Convergence in Technology (I2CT), 1–5. https://doi.org/10.1109/i2ct51068.2021.9418210
- Cheng, L., Niu, W.-C., Zhao, X.-G., Xu, C.-L., Hou, Z.-Y. (2021). Design and implementation of college physics teaching platform based on virtual experiment scene. International Journal of Electrical Engineering & Education, 62 (1), 73–86. https://doi.org/10.1177/0020720920984688
- Hough Line Transform. Available at: https://docs.opencv.org/4.x/d6/d10/tutorial_py_houghlines.html
- Python Usage. Available at: https://docs.ultralytics.com/usage/python/
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Bekbolat Medetov, Ainur Zhetpisbayeva, Tansaule Serikov, Botagoz Khamzina, Ainur Akhmediyarova, Asset Yskak, Dauren Zhexebay, Nurtay Albanbay
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.
