Parpadeo, centelleo y rotación: medir el tiempo del mundo con una cámara

Una cantidad sorprendente del mundo se comunica mediante parpadeos. Los routers informan de su estado mediante patrones de luces LED. Los electrodomésticos parpadean con códigos de error. Las bombillas LED baratas pulsan a una velocidad invisible, hasta que te provocan dolor de cabeza. Los ventiladores, taladros y ruedas giran a velocidades que importan y que nadie puede contar a simple vista. Todas estas son señales de luz periódicas y una cámara es, entre otras cosas, un dispositivo que toma muestras de luz a un ritmo constante. Apunta una al otro y tendrás un temporizador.

Esa es la herramienta Parpadeo: apunta la cámara a una luz que parpadea y medirá su frecuencia de parpadeo, o a un objeto en rotación y estimará la frecuencia de giro. La captura observa cómo cambia el brillo en el encuadre a lo largo del tiempo, encuentra el período y reporta una frecuencia — un número que puedes archivar, comparar y analizar su tendencia, en lugar de un ritmo que intentas contar en voz baja.

El centelleo que no puedes ver, pero tu cabeza sí siente

Empieza con el caso de uso que más sorprende a la gente. Muchas bombillas y pantallas LED reducen su brillo mediante PWM — modulación por ancho de pulsos. En realidad, la luz no es más tenue; se enciende y apaga por completo cientos de veces por segundo, y tu sistema visual promedia los pulsos para percibirla como "más tenue". Los promedia conscientemente, claro. Mucha gente sufre fatiga visual, dolores de cabeza o una vaga sensación de malestar debido a la PWM de baja frecuencia, sobre todo con bombillas baratas que centellean al doble de la frecuencia de la red eléctrica, y por lo general nunca descubren por qué: el centelleo es invisible por diseño.

Una cámara no promedia las cosas como lo hace el cerebro. Al ser muestreado por un sensor, el centelleo de la PWM aparece como una señal de brillo periódica que la herramienta puede medir. Si la sospechosa bombilla que tienes sobre el escritorio centellea a 100 Hz y aquella por la que la reemplazaste es realmente estable, ahora tienes una diferencia medida entre dos objetos en tu catálogo, no una corazonada. Mide las bombillas en la estantería de la tienda antes de comprarlas, y la máquina de dolores de cabeza se identificará sola.

Códigos de parpadeo: el LED está intentando decirte algo

La segunda familia es más lenta y más literal. Routers, cargadores, lavavajillas, impresoras y equipos industriales informan de su estado a través de patrones de parpadeo indicadores, y los manuales hablan en términos de tiempos: "parpadeo lento (una vez por segundo) — conectando; parpadeo rápido (dos veces por segundo) — error". Los seres humanos somos malos distinguiendo 1 Hz de 1.5 Hz, especialmente cuando estamos enfadados con un router. La cámara no lo es. Apunta, captura, lee la frecuencia, búscala. Y como la medición se archiva bajo el objeto — este router — la frecuencia de parpadeo del apagón del mes pasado seguirá allí cuando la misma luz empiece a parpadear de nuevo.

Rotación: ¿a qué velocidad está girando realmente ese ventilador?

Un objeto en rotación también modula la luz. Las aspas del ventilador pasan y el brillo reflejado en cualquier punto sube y baja una vez por aspa; la periodicidad en los fotogramas codifica la rotación. La herramienta Parpadeo utiliza el mismo análisis en el dominio del tiempo para estimar la frecuencia de rotación de una pieza giratoria: el ventilador de techo en posición "media", el ventilador de la caja de la PC que sospechas que está muriendo, o el motor del taller cuya velocidad nominal de placa te gustaría verificar. Un ventilador que falla a menudo se ralentiza antes de detenerse — dos mediciones con un mes de diferencia, archivadas bajo el mismo objeto, revelan la tendencia.

El límite honesto: aliasing

Ahora la advertencia, porque es real y da forma a todo el diseño. Una cámara toma muestras de luz a su velocidad de fotogramas, normalmente 30 o 60 fotogramas por segundo. La teoría del muestreo es tajante sobre lo que eso te aporta: una señal solo se puede medir directamente si cambia más lentamente que la mitad de la frecuencia de muestreo. Si parpadea más rápido que eso, la cámara no ve algo "demasiado rápido para medir", sino un ritmo erróneo y más lento. Esto es el aliasing, el mismo efecto que hace que las ruedas de las carretas parezcan girar hacia atrás en las películas antiguas y que un ventilador parezca inmóvil bajo una luz fluorescente.

Así que la herramienta es honesta acerca de su margen de acción. Los códigos de parpadeo de los indicadores a unos pocos hercios: cómodamente dentro. La PWM lenta y el centelleo relacionado con la red eléctrica: alcanzables, prestando atención a la interacción entre la frecuencia de centelleo y la velocidad de fotogramas. Una broca de taladro a 30,000 RPM — 500 revoluciones por segundo: muy lejos de lo que un sensor de 60 fps puede medir directamente. La velocidad de fotogramas es la regla, y no puedes medir más allá del extremo de la regla.

Más allá de la velocidad de fotogramas: el experimento del Estroboscopio

¿Qué hay al otro lado de ese límite? Aquí es donde el aliasing deja de ser solo una molestia, porque hay un truco clásico que lo convierte en el instrumento: el estroboscopio. Ilumina un objeto en rotación con una luz que parpadee exactamente a su velocidad de rotación y el objeto parecerá congelado — cada destello lo captura en la misma posición. Los maquinistas han utilizado estroboscopios dedicados para leer las RPM de esta manera durante un siglo.

La linterna de un teléfono puede emitir destellos. Por eso, las versiones de investigación de Sentio incluyen una herramienta Estroboscopio que realiza un barrido de la frecuencia de destello de la linterna y busca la congelación estroboscópica, estimando la frecuencia de un objeto en rotación o vibración a partir del punto en que se produce la congelación. Para ser claros sobre su estado: se trata de un experimento en fase de investigación, no de una función comercializada. El hardware de la linterna varía enormemente en cuanto a la velocidad y la constancia con la que puede emitir pulsos, y este enfoque necesita validación en distintos dispositivos antes de poder ofrecer resultados de nivel de consumo. Pero es la contrapartida intelectualmente satisfactoria de la herramienta Parpadeo — el fenómeno exacto que limita la medición pasiva del tiempo, dirigido de forma deliberada, se convierte en la forma de superar el límite. Como ocurre con cada captura en la plataforma, el análisis se ejecuta en el dispositivo, y las capturas de investigación se pueden etiquetar posteriormente frente a referencias de RPM conocidas, que es precisamente el tipo de datos que necesita la validación.

Archivado, no memorizado

El hilo conductor de cada herramienta aquí: lo importante no es la lectura aislada, sino la lectura en su contexto. Una tasa de parpadeo tiene sentido junto a la tabla del manual; una frecuencia de parpadeo tiene sentido al comparar varias bombillas; las RPM de un ventilador tienen sentido frente a las del mes pasado. Cada captura se archiva bajo un objeto del catálogo y puede llevar una etiqueta de referencia real una vez que se conoce el resultado: la bombilla que solucionó los dolores de cabeza, el ventilador que finalmente dejó de funcionar. Las miradas rápidas se convierten en registros, y los registros se convierten en las comparaciones que siempre fueron el objetivo.

La cámara también tiene modos más silenciosos, que miden el color y la luz ambiental en lugar de su frecuencia temporal, detallados en Color y luz. Y para tener una visión completa de lo que pueden medir los sensores del teléfono, desde micrófonos hasta acelerómetros, empiece con la descripción general de las herramientas.