Lampeggio, sfarfallio e rotazione: misurare il tempo del mondo con una fotocamera

Una quantità sorprendente di cose nel mondo comunica lampeggiando. I router segnalano il proprio stato tramite sequenze di LED. Gli elettrodomestici lampeggiano per comunicare codici di errore. Le lampadine a LED economiche pulsano a una velocità invisibile, finché non ti fanno venire il mal di testa. Ventole, trapani e ruote girano a velocità cruciali che nessuno è in grado di contare a occhio nudo. Tutti questi sono segnali luminosi periodici e una fotocamera è, tra le altre cose, un dispositivo che campiona la luce a una frequenza costante. Punta l'una verso l'altro e avrai un timer.

Questo è lo strumento Blinking: punta la fotocamera verso una luce lampeggiante e ne misurerà la frequenza di lampeggiamento, oppure verso un oggetto in rotazione e ne stimerà la frequenza di rotazione. L'acquisizione monitora come cambia la luminosità nel fotogramma nel tempo, individua il periodo e restituisce una frequenza: un valore numerico che puoi archiviare, confrontare e analizzare nel tempo per individuarne la tendenza, invece di un ritmo che hai cercato di contare a mente.

Lo sfarfallio che non vedi ma che la tua testa percepisce

Iniziamo con il caso d'uso che sorprende di più le persone. Molte lampadine a LED e schermi riducono la luminosità tramite PWM (modulazione di larghezza di impulso). La luce non è effettivamente meno intensa; si accende e si spegne completamente centinaia di volte al secondo, e il tuo sistema visivo fa la media degli impulsi traducendoli in una luce "più fioca". O meglio, fa la media coscientemente. Molte persone soffrono di affaticamento visivo, mal di testa o una vaga sensazione di malessere a causa del PWM a bassa frequenza, specialmente con lampadine economiche che sfarfallano a una frequenza doppia rispetto a quella di rete, e di solito non ne scoprono mai il motivo: lo sfarfallio è invisibile per progettazione.

Una fotocamera non fa la media nello stesso modo in cui la fa il cervello. Campionato da un sensore, lo sfarfallio del PWM si presenta come un segnale di luminosità periodico che lo strumento può misurare. Se la lampadina sospetta sopra la tua scrivania sfarfalla a 100 Hz e quella con cui l'hai sostituita è davvero stabile, ora hai una differenza misurata tra due oggetti nel tuo catalogo, non solo un'ipotesi. Misura le lampadine esposte in negozio prima di acquistarle per individuare subito quella che ti causerebbe il mal di testa.

Codici di lampeggiamento: il LED sta cercando di dirti qualcosa

La seconda famiglia è più lenta e più letterale. Router, caricabatterie, lavastoviglie, stampanti e apparecchiature industriali segnalano tutti lo stato tramite sequenze di lampeggiamento degli indicatori, e i manuali descrivono i tempi: "lampeggio lento (una volta al secondo) — connessione in corso; lampeggio rapido (due volte al secondo) — errore". Gli esseri umani non sono bravi a distinguere 1 Hz da 1,5 Hz, in particolare se sono arrabbiati con un router. La fotocamera sì. Punta, acquisisci, leggi la frequenza, cercala nel manuale. E poiché la misurazione viene archiviata sotto l'oggetto — questo router — la frequenza di lampeggiamento del blackout del mese scorso è ancora lì quando la stessa spia ricomincia a lampeggiare.

Rotazione: a che velocità sta girando effettivamente quella ventola?

Anche un oggetto in rotazione modula la luce. Le pale di una ventola passano davanti all'obiettivo e la luminosità riflessa in qualsiasi punto sale e scende a ogni passaggio di pala; la periodicità nei fotogrammi codifica la rotazione. Lo strumento Blinking utilizza la stessa analisi nel dominio del tempo per stimare la frequenza di rotazione di un componente rotante: la ventola a soffitto impostata su "medio", la ventola del PC che sospetti stia per rompersi, il motore dell'officina di cui vorresti verificare la velocità di targa. Una ventola che si sta guastando spesso rallenta prima di fermarsi: due misurazioni a distanza di un mese, archiviate sotto lo stesso oggetto, evidenziano la tendenza.

Il limite dell'onestà: l'aliasing

Ora un avvertimento, perché è reale e influenza l'intera progettazione. Una fotocamera campiona la luce alla propria frequenza di fotogrammi, di solito 30 o 60 fotogrammi al secondo. La teoria del campionamento è categorica su ciò che questo comporta: un segnale può essere misurato direttamente nel tempo solo se varia più lentamente della metà della frequenza di campionamento. Se lampeggia più velocemente di così, la fotocamera non rileva un "troppo veloce da misurare", bensì un ritmo errato e più lento. Questo è l'aliasing, lo same effetto che fa sembrare che le ruote dei carri girino all'indietro nei vecchi film e che fa apparire immobile una ventola sotto la luce fluorescente.

Quindi lo strumento è onesto riguardo al proprio intervallo operativo. Codici di lampeggiamento degli indicatori a pochi hertz: ampiamente entro i limiti. PWM lento e sfarfallio legato alla rete elettrica: raggiungibili, prestando attenzione all'interazione tra la frequenza di sfarfallio e la frequenza dei fotogrammi. Una punta di trapano a 30.000 RPM — 500 giri al secondo: ben oltre tutto ciò che un sensore a 60 fps può misurare direttamente. La frequenza dei fotogrammi è il righello, e non puoi misurare oltre la fine del righello.

Oltre la frequenza dei fotogrammi: l'esperimento Strobe

Cosa c'è oltre questo limite? È qui che l'aliasing smette di essere solo un fastidio, perché esiste un trucco classico che lo trasforma nello strumento stesso: lo stroboscopio. Illumina un oggetto in rotazione con una luce che lampeggia esattamente alla sua stessa frequenza di rotazione e l'oggetto sembrerà immobile: ogni flash lo cattura nella stessa posizione. I meccanici utilizzano stroboscopi dedicati per leggere gli RPM in questo modo da un secolo.

La torcia di un telefono può lampeggiare. Così, le build di ricerca di Sentio includono uno strumento Strobe che scansiona la frequenza di lampeggiamento della torcia alla ricerca del fermo stroboscopico, stimando la frequenza di un oggetto in rotazione o in vibrazione dal punto in cui si verifica tale effetto. Per essere chiari sullo stato di sviluppo: si tratta di un esperimento in una build di ricerca, non di una funzionalità finale distribuita agli utenti. L'hardware della torcia varia enormemente in termini di velocità e costanza degli impulsi, e questo approccio richiede una validazione su diversi dispositivi prima di poter offrire prestazioni di livello consumer. Ma è la controparte intellettualmente soddisfacente dello strumento Blinking: l'esatto fenomeno che limita la misurazione passiva del tempo, se controllato intenzionalmente, diventa la via per superare il limite. Come ogni acquisizione nella piattaforma, l'analisi viene eseguita sul dispositivo e le acquisizioni di ricerca possono essere successivamente etichettate rispetto a riferimenti di RPM noti, che è esattamente ciò di cui ha bisogno la validazione.

Archiviate, non memorizzate

Il filo conduttore di ogni strumento qui: il punto non è la singola lettura, ma la lettura nel contesto. Una frequenza di lampeggiamento assume un significato accanto alla tabella del manuale; una frequenza di sfarfallio ha senso se confrontata tra varie lampadine; gli RPM di una ventola hanno senso se paragonati a quelli del mese scorso. Ogni acquisizione viene archiviata sotto un oggetto nel catalogo e può ricevere un'etichetta reale una volta noto il risultato — la lampadina che ha risolto il mal di testa, la ventola che ha smesso di funzionare sul serio. Singole occhiate diventano record, e i record diventano quei confronti che erano l'obiettivo fin dall'inizio.

La fotocamera ha anche modalità più discrete — che misurano il colore e la luce ambientale anziché calcolarne la frequenza, trattate in Colore e luce. E per un quadro completo di ciò che i sensori del telefono possono misurare, dai microfoni agli accelerometri, inizia con la panoramica degli strumenti.