Blinkande, flimmer och rotation: tidtagning av världen med en kamera

En förvånansvärt stor del av världen kommunicerar genom att blinka. Routrar rapporterar sin status med LED-mönster. Hushållsapparater blinkar ut felkoder. Billiga LED-lampor pulserar osynligt snabbt — tills de ger dig huvudvärk. Fläktar, borrmaskiner och hjul roterar i hastigheter som faktiskt spelar roll men som ingen kan räkna med blotta ögat. Allt detta är periodiska ljussignaler, och en kamera är, bland annat, en enhet som samplar ljus i en jämn takt. Rikta den ena mot den andra så har du en timer.

Det är det som är verktyget Blinkande: rikta kameran mot ett blinkande ljus så mäts blinkfrekvensen, eller mot ett roterande objekt så uppskattas rotationsfrekvensen. Mätningen observerar hur ljusstyrkan i bildrutan förändras över tid, hittar perioden och rapporterar en frekvens — ett tal som du kan spara, jämföra och se trender i, i stället för en rytm du försökt räkna tyst för dig själv.

Flimret du inte kan se men som ditt huvud kan känna av

Börja med det användningsfall som överraskar flest personer. Många LED-lampor och skärmar dimras med PWM — pulsbreddsmodulering. Ljuset är faktiskt inte svagare; det slås på och av helt och hållet hundratals gånger i sekunden, och ditt synsystem bildar ett medelvärde av pulserna till "svagare". Det vill säga, bildar ett medelvärde medvetet. Många drabbas av ansträngda ögon, huvudvärk eller en obestämd känsla av obehag från lågfrekvent PWM, särskilt från billiga lampor som flimrar med dubbla nätfrekvensen, och oftast får de aldrig veta varför — flimret är osynligt avsiktligt.

En kamera bildar inte medelvärden på samma sätt som en hjärna gör. När det samplas av en sensor visas PWM-flimmer som en periodisk ljusstyrkesignal som verktyget kan tidta. Om den misstänkta lampan ovanför ditt skrivbord flimrar vid 100 Hz och den du ersatte den med är helt stabil, är det nu en uppmätt skillnad mellan två objekt i din katalog, inte en magkänsla. Mät lamporna i butiksutställningen innan du köper dem, så identifierar sig huvudvärksmaskinen själv.

Blinkkoder: LED-lampan försöker säga dig något

Den andra familjen är långsammare och mer bokstavlig. Routrar, laddare, diskmaskiner, skrivare och industriell utrustning rapporterar alla status genom indikatorers blinkmönster, och handböckerna talar i tidsangivelser: "långsam blinkning (en gång i sekunden) — ansluter; snabb blinkning (två gånger i sekunden) — fel." Människor är dåliga på att skilja 1 Hz från 1,5 Hz, i synnerhet när de är irriterade på en router. Det är inte kameran. Rikta, registrera, läs av frekvensen, slå upp den. Och eftersom mätningen sparas under objektet — den här routern — finns förra månadens blinkfrekvens kvar när samma lampa börjar blinka igen.

Rotation: hur snabbt snurrar den där fläkten egentligen?

Ett roterande objekt modulerar också ljus. Fläktblad sveper förbi och den reflekterade ljusstyrkan vid varje given punkt stiger och faller en gång per blad; periodiciteten i bildrutorna kodar för rotationen. Verktyget Blinkande använder samma analys i tidsdomänen för att uppskatta en roterande dels rotationsfrekvens: takfläkten på "medium", chassifläkten du misstänker håller på att ge upp, verkstadsmotorn vars typskyltshastighet du vill rimlighetstesta. En fläkt som håller på att gå sönder saktar ofta ner innan den stannar — två mätningar med en månads mellanrum, sparade under samma objekt, fångar upp trenden.

Den ärliga gränsen: aliasing

Nu till förbehållet, för det är högst reellt och formar hela designen. En kamera samplar ljus med sin bildfrekvens — vanligtvis 30 eller 60 bilder per sekund. Samplingsteorin är rakt på sak med vad det innebär: en signal kan endast tidtas direkt om den förändras långsammare än hälften av samplingsfrekvensen. Blinkar den snabbare än så ser kameran inte "för snabbt för att mätas" — den ser en felaktig, långsammare rytm. Detta är aliasing, samma effekt som får vagnshjul att snurra baklänges i gamla filmer och som får en fläkt under lysrörsbelysning att se ut att stå stilla.

Så verktyget är ärligt med sitt intervall. Indikatorblinkkoder på några få hertz: bekvämt inom gränsen. Långsam PWM och nätrelaterat flimmer: inom räckhåll, om man tar hänsyn till samspelet mellan flimmerfrekvensen och bildfrekvensen. En borrspets i 30 000 RPM — 500 varv per sekund: långt utanför vad en sensor med 60 fps kan tidta direkt. Bildfrekvensen är linjalen, och du kan inte mäta bortom linjalens ände.

Bortom bildfrekvensen: stroboskop-experimentet

Vad finns på andra sidan av den gränsen? Det är här som aliasing slutar att bara vara ett problem, eftersom det finns ett klassiskt trick som förvandlar det till själva instrumentet: stroboskopet. Lys upp ett roterande objekt med ett ljus som blinkar med exakt samma frekvens som dess rotation, så ser objektet ut att stå stilla — varje blixt fångar det i samma position. Mekaniker har använt dedikerade stroboskop för att läsa av RPM på det här sättet i ett sekel.

En mobils ficklampa kan blinka. Därför innehåller Sentios utvecklingsversioner verktyget Stroboskop som sveper ficklampans blinkfrekvens och letar efter den stroboskopiska frysningen, och uppskattar frekvensen hos ett roterande eller vibrerande objekt utifrån var frysningen inträffar. För att vara helt tydlig med dess status: detta är ett experiment i utvecklingsversionen, inte en lanserad konsumentfunktion. Ficklampans hårdvara varierar enormt i hur snabbt och hur konsekvent den kan pulsera, och metoden behöver valideras på olika enheter innan den kan göra anspråk på konsumentnivå. Men det är den intellektuellt tillfredsställande motsvarigheten till verktyget Blinkande — exakt det fenomen som begränsar passiv tidtagning blir, när det styrs avsiktligt, vägen förbi begränsningen. Precis som alla mätningar på plattformen körs analysen direkt på enheten, och testmätningar kan i efterhand märkas upp mot referenser med kända RPM — vilket är exakt den data som valideringen behöver.

Arkiverat, inte memorerat

Den röda tråden för alla verktyg här: poängen är inte det enskilda mätvärdet, utan mätvärdet i sitt sammanhang. En blinkfrekvens betyder något först när den ställs mot tabellen i manualen; en flimmerfrekvens betyder något när man jämför olika glödlampor; en fläkts RPM betyder något jämfört med förra månadens. Varje mätning sorteras under ett objekt i katalogen och kan ges en etikett med det faktiska resultatet när du väl vet hur det gick — glödlampan som tog bort huvudvärken, fläkten som faktiskt gav upp. Snabba blickar blir till sparad data, och sparad data blir till de jämförelser som var hela poängen från början.

Kameran har även mer stillsamma lägen — som mäter färg och omgivande ljus i stället för att klocka det, vilket beskrivs i Färg och ljus. Och för att få en helhetsbild av vad telefonens sensorer kan mäta, från mikrofoner till accelerometrar, kan du börja med översikten över verktyg.