Ein Telefon wird meist darüber beschrieben, was es tut — Anrufe, Fotos, Apps. Beschreiben Sie es stattdessen darüber, was es enthält: ein ausreichend kalibriertes Mikrofon mit einer Abtastrate von 48 kHz, zwei oder drei Kameras, eine helle LED-Taschenlampe, einen Vibrationsmotor, einen Beschleunigungssensor und einen Bildschirm, der mit einer präzisen Frequenz blinken kann. Das ist kein Telefon. Das ist ein kleines Labor mit einem Touchscreen.
Die meisten Apps nutzen jeweils nur eines dieser Teile für seinen eigentlichen Zweck. Die interessanten Messungen beginnen, wenn man sie zweckentfremdet und in Kombination einsetzt: die Taschenlampe als Lichtquelle für die Kamera, den Vibrationsmotor als Erreger für den Beschleunigungssensor, ein zweites Telefon als Gegenstück eines Experiments. Dieser Beitrag ist ein Wegweiser durch dieses Terrain, aufgeteilt in drei Stufen mit steigendem Anspruch.
Stufe 1: ein Sensor, passiv lauschend
Die einfachsten Werkzeuge richten einen Sensor auf die Welt und analysieren das Ergebnis:
- Klangspektrum — Audio aufnehmen, ein Spektrum berechnen und prüfen, wo die Energie liegt. Dies ist das Allround-Arbeitstier: Motoren, Summen, Klappern, die Töne angeschlagener Objekte.
- Klopftests — an einer Frucht anklopfen oder ein Material anschlagen und den Abklingvorgang analysieren: Die dominante Resonanz und wie schnell sie abklingt, sagen mehr über das Innere aus, als es die Lautstärke je könnte. (Mehr dazu im Klopftest-Beitrag.)
- Vibration — das Telefon auf eine Waschmaschine, einen Kompressor oder einen 3D-Drucker legen, und der Beschleunigungssensor zeichnet die Vibrationscharakteristik auf.
- Kamerafarbe und -licht — Spot-Farbmessung, Flacker- und Blinkfrequenz-Erkennung für Displays und LED-Beleuchtungen, Beleuchtungsstärke, Zählen sich wiederholender Objekte, Ablesen analoger Messgeräte, Schätzen von Abmessungen.
Die alles verbindende Disziplin: Die Erfassung muss so unverarbeitet wie nur möglich erfolgen. Unter Android bedeutet dies, den unbearbeiteten Mikrofonpfad anzufordern — ohne automatische Verstärkungsregelung, ohne Rauschunterdrückung, die genau das Signal verzerrt, das man eigentlich messen will — und die Belichtungsautomatik sowie den Weißabgleich der Kamera zu sperren, wann immer die Messung darauf angewiesen ist, dass die Lichtwerte unverfälscht bleiben.
Stufe 2: Das Telefon regt an und misst seine eigene Anregung
Ein Telefon besitzt auch Aktoren. Die Kombination eines Aktors mit einem Sensor macht aus dem passiven Lauschen ein aktives Instrument:
- Taschenlampe + Kamera-Reflexionsgrad — zwei Bilder aufnehmen, einmal mit aus- und einmal mit eingeschalteter Taschenlampe; die Differenz isoliert, wie die Oberfläche ein bekanntes Licht reflektiert, wodurch das Umgebungslicht des Raumes weitgehend aus dem Ergebnis herausgerechnet wird.
- Taschenlampe als Lichtquelle: Puls und Transluzenz — eine Fingerspitze bei eingeschalteter Taschenlampe auf die Kamera legen, und die Kamera wird zum Fotodetektor, der die Veränderung des Blutvolumens mit jedem Herzschlag überwacht. Dieselbe Optik misst, wie transluzent ein Material ist.
- Vibrationsmotor + Beschleunigungssensor + Mikrofon — das Telefon vibriert gegen ein Objekt und zeichnet gleichzeitig auf, wie das Objekt mechanisch und akustisch reagiert. Eine hohle Platte und eine massive Platte antworten unterschiedlich.
Aktive Werkzeuge haben eine Eigenschaft, die passiven fehlt: Der Reiz ist bekannt. Wenn man die Anregung kontrolliert, kann man Merkmale aus Verhältnissen und Antworten statt aus absoluten Pegeln ableiten — wodurch die Ergebnisse über verschiedene Telefonmodelle hinweg vergleichbar werden, ohne dass jedes einzelne Gerät kalibriert werden muss.
Stufe 3: zwei Telefone, ein Experiment
Einige Größen haben naturgemäß zwei Seiten: wie viel Schall eine Wand dämpft, wie viel Licht ein Fenster durchlässt. Ein Telefon kann nicht auf beiden Seiten gleichzeitig sein — zwei Telefone jedoch schon, und die meisten Haushalte besitzen zwei.
Der Trick, mit dem dies ohne Laborgeräte funktioniert, ist das Verhältnis desselben Empfängers. Das sendende Telefon spielt ein sich selbst identifizierendes Signal ab — einen gestuften Ton-Sweep oder einen Bildschirm, der mit einer festen Blinkrate blinkt. Das messende Telefon nimmt zweimal auf: einmal bei freiem Weg zum Sender (die Referenz), einmal durch die Wand oder das Fenster. Nur das Verhältnis dieser beiden Aufnahmen, die mit demselben Mikrofon oder derselben Kamera gemacht wurden, wird als Ergebnis verwendet. Die Lautstärke des Senders, die Empfindlichkeit des Empfängers, der Raum — all das hebt sich auf. Die beiden Telefone benötigen also keine Zeitsynchronisation, kein Kabel und keine gegenseitige Kalibrierung. (Ausführliche Anleitung im Beitrag zur Schalldämmung.)
Konstruktionsregel hinter allen drei Stufen: Vertraue niemals einem absoluten Pegel. Telefonmikrofone und -kameras variieren zwischen den Modellen; Resonanzen, Abklingraten, Muster im Ordnungsbereich und Gleicher-Empfänger-Verhältnisse tun dies meistens nicht. Merkmale, die auf relativen Größen basieren, funktionieren geräteübergreifend; solche, die auf absoluten Werten basieren, erfordern immer eine gerätespezifische Kalibrierung.
Vom einzelnen Messwert zum Katalog
Ein einzelner Messwert für sich ist nur eine Randnotiz. Messwerte werden erst zu Wissen, wenn sie mit Dingen verknüpft werden: diese Melone, dieses Rad, diese Wand, heute gemessen und nächste Woche wieder. So kann jede Messung unter einem Objekt in einem Katalog abgelegt werden — Kategorie → Objekt → Anwendungsfall → Messung — und jede Messung kann nachträglich mit einer Ground-Truth-Kennzeichnung versehen werden: Sie haben die Melone abgeklopft, sie dann aufgeschnitten und anschließend dokumentiert, was Sie vorgefunden haben. Dieser geschlossene Regelkreis, wiederholt über viele Nutzer und viele Objekte hinweg, ist der Weg, wie Klopftest-Klassifikatoren an echten Früchten statt an Laborproben trainiert werden.
Und für ganze Aufgaben statt einzelner Messwerte — das Zentrieren eines Fahrradlaufrads, das Prüfen der Dämmung eines Raumes — verknüpfen angeleitete Aktivitäten mehrere Werkzeuge in der richtigen Reihenfolge und sagen Ihnen, was zwischen den Messungen zu tun ist, wobei ihre Ergebnisse in denselben Katalog geschrieben werden. Der Beitrag zur Speichenspannung führt durch die erste dieser Aktivitäten.
Wohin die Reise geht
Die Liste der Werkzeuge wächst ständig — und die Architektur ist so aufgebaut, dass das Hinzufügen eines Werkzeugs rein additiv ist: ein neuer Eintrag in einem Register, niemals eine Überarbeitung des bereits Gespeicherten. Alles läuft direkt auf dem Gerät, offline, mit Ergebnissen in weniger als einer Sekunde; der Offline-First-Beitrag erklärt, warum diese Einschränkung eine tragende Säule ist und nicht nur ein Alibi-Häkchen auf der Feature-Liste.