การกะพริบ การสั่นไหวของแสง และการหมุน: การจับเวลาโลกด้วยกล้องถ่ายรูป

สิ่งต่าง ๆ รอบตัวเราสื่อสารด้วยการกะพริบในปริมาณที่น่าประหลาดใจ เราเตอร์รายงานสถานะด้วยรูปแบบไฟ LED เครื่องใช้ไฟฟ้ากะพริบเป็นรหัสข้อผิดพลาด หลอดไฟ LED ราคาถูกกะพริบถี่เป็นจังหวะเร็วเกินกว่าจะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า — จนกระทั่งมันทำให้คุณปวดหัว พัดลม สว่าน และล้อ หมุนด้วยความเร็วที่มีนัยสำคัญและไม่มีใครสามารถนับได้ด้วยตาเปล่า สิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นสัญญาณแสงแบบเป็นคาบ และกล้องถ่ายรูปก็เป็นอุปกรณ์ที่สุ่มตัวอย่างแสงในอัตราที่คงที่ รวมถึงคุณสมบัติอื่น ๆ เพียงแค่เล็งกล้องไปที่สัญญาณเหล่านั้น คุณก็จะได้เครื่องจับเวลาแล้ว

นั่นคือเครื่องมือ Blinking: เล็งกล้องไปที่แสงที่กะพริบ แล้วตัวเครื่องมือจะวัดอัตราการกะพริบ หรือเล็งไปที่วัตถุที่กำลังหมุนเพื่อประมาณความถี่ในการหมุน การบันทึกภาพจะเฝ้าดูการเปลี่ยนแปลงของความสว่างในเฟรมตามเวลา ค้นหาคาบเวลา และรายงานค่าความถี่ออกมา — ซึ่งเป็นตัวเลขที่คุณสามารถบันทึกเก็บไว้ เปรียบเทียบ และดูแนวโน้มได้ แทนที่จะเป็นจังหวะที่คุณต้องพยายามนับพึมพำในใจ

การสั่นไหวของแสงที่คุณมองไม่เห็น แต่หัวของคุณรู้สึกได้

เริ่มต้นด้วยกรณีการใช้งานที่ทำให้ผู้คนประหลาดใจที่สุด หลอดไฟ LED และหน้าจอแสดงผลจำนวนมากหรี่แสงลงด้วยวิธี PWM — หรือ pulse-width modulation ตัวแสงไม่ได้หรี่ลงจริง ๆ แต่เป็นการเปิดและปิดสลับกันอย่างเต็มที่หลายร้อยครั้งต่อวินาที และระบบการมองเห็นของคุณจะเฉลี่ยจังหวะเหล่านั้นให้กลายเป็นแสงที่ "หรี่ลง" นั่นคือเฉลี่ยพวกมันอย่างรู้ตัว มีผู้คนจำนวนมากที่เกิดอาการล้าของดวงตา ปวดศีรษะ หรือรู้สึกไม่สบายตาอย่างบอกไม่ถูกจาก PWM ความถี่ต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากหลอดไฟราคาถูกที่สั่นไหวด้วยความถี่เป็นสองเท่าของความถี่ไฟบ้าน และพวกเขามักจะไม่เคยรู้เลยว่าทำไม — เนื่องจากการสั่นไหวนี้ถูกออกแบบมาไม่ให้มองเห็นได้ตั้งแต่แรก

กล้องถ่ายรูปไม่ได้ทำงานแบบเฉลี่ยค่าเหมือนกับสมอง เมื่อสุ่มตัวอย่างด้วยเซ็นเซอร์ การสั่นไหวจาก PWM จะปรากฏเป็นสัญญาณความสว่างแบบเป็นคาบที่เครื่องมือสามารถจับเวลาได้ หากหลอดไฟที่น่าสงสัยเหนือโต๊ะทำงานของคุณสั่นไหวที่ 100 Hz และหลอดไฟที่คุณนำมาเปลี่ยนใหม่นั้นนิ่งสนิทอย่างแท้จริง นั่นจะเป็นความแตกต่างที่วัดค่าได้ระหว่างวัตถุสองชิ้นในแคตตาล็อกของคุณ ไม่ใช่แค่ความรู้สึกนึกคิด วัดค่าหลอดไฟที่ตั้งแสดงในร้านค้าก่อนตัดสินใจซื้อ แล้วเครื่องสร้างอาการปวดหัวจะเผยตัวตนออกมาเอง

รหัสการกะพริบ: ไฟ LED กำลังพยายามบอกอะไรบางอย่างกับคุณ

กลุ่มที่สองนั้นช้ากว่าและเข้าใจตรงตัวมากกว่า ทั้งเราเตอร์ เครื่องชาร์จ เครื่องล้างจาน เครื่องพิมพ์ และอุปกรณ์อุตสาหกรรม ต่างรายงานสถานะผ่านรูปแบบการกะพริบของไฟแสดงสถานะ และคู่มือจะระบุเป็นเวลาว่า: "กะพริบช้า (หนึ่งครั้งต่อวินาที) — กำลังเชื่อมต่อ, กะพริบเร็ว (สองครั้งต่อวินาที) — เกิดข้อผิดพลาด" มนุษย์เราไม่เก่งในการแยกแยะความแตกต่างระหว่าง 1 Hz กับ 1.5 Hz โดยเฉพาะในขณะที่กำลังหงุดหงิดกับเราเตอร์ แต่กล้องไม่ใช่ เล็งกล้อง บันทึกภาพ อ่านค่าอัตรา และค้นหาข้อมูล และเนื่องจากการวัดค่านี้จะถูกบันทึกไว้ภายใต้วัตถุ — ซึ่งก็คือเราเตอร์เครื่องนี้ — อัตราการกะพริบจากตอนที่ระบบล่มเมื่อเดือนที่แล้วจึงยังคงอยู่ที่เดิมเมื่อไฟดวงเดิมเริ่มกะพริบขึ้นมาอีกครั้ง

การหมุน: พัดลมตัวนั้นหมุนเร็วแค่ไหนกันแน่?

วัตถุที่กำลังหมุนก็ปรับเปลี่ยนความเข้มแสงเช่นกัน ใบพัดลมที่กวาดผ่านจะทำให้ความสว่างที่สะท้อน ณ จุดใด ๆ เพิ่มขึ้นและลดลงหนึ่งครั้งต่อหนึ่งใบพัด คาบเวลาในเฟรมจะเข้ารหัสข้อมูลการหมุนนั้นไว้ เครื่องมือ Blinking จะใช้การวิเคราะห์ในโดเมนเวลาแบบเดียวกันเพื่อประมาณความถี่ในการหมุนของชิ้นส่วนที่กำลังหมุน: พัดลมเพดานที่เปิดระดับ "ปานกลาง" พัดลมเคสพีซีที่คุณสงสัยว่ากำลังจะเสีย หรือมอเตอร์ในเวิร์กช็อปที่คุณต้องการตรวจสอบความเร็วบนป้ายเนมเพลต พัดลมที่เริ่มมีปัญหามักจะหมุนช้าลงก่อนที่จะหยุดทำงาน — การวัดค่าสองครั้งที่ห่างกันหนึ่งเดือน ซึ่งบันทึกไว้ภายใต้วัตถุเดียวกัน จะช่วยจับแนวโน้มนี้ได้

ขีดจำกัดที่ตรงไปตรงมา: แอลีแอซิง

ทีนี้มาถึงข้อควรระวัง เพราะนี่คือความจริงและเป็นตัวกำหนดการออกแบบทั้งหมด กล้องสุ่มตัวอย่างแสงตามอัตราเฟรมของมัน ซึ่งโดยทั่วไปคือ 30 หรือ 60 เฟรมต่อวินาที ทฤษฎีการสุ่มตัวอย่างระบุไว้อย่างตรงไปตรงมาว่าสิ่งที่คุณจะได้คือ: สัญญาณจะสามารถวัดคาบเวลาได้โดยตรงก็ต่อเมื่อมันเปลี่ยนแปลงช้ากว่าครึ่งหนึ่งของอัตราการสุ่มตัวอย่างเท่านั้น หากกะพริบเร็วกว่านั้น กล้องจะไม่เห็นว่า "เร็วเกินกว่าจะวัดค่าได้" — แต่จะเห็นเป็นจังหวะที่ผิดเพี้ยนและช้าลง นี่คือ แอลีแอซิง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์เดียวกันกับที่ทำให้ล้อเกวียนดูเหมือนหมุนถอยหลังในภาพยนตร์เก่า ๆ และทำให้พัดลมที่อยู่ใต้แสงไฟฟลูออเรสเซนต์ดูเหมือนหยุดนิ่งอยู่กับที่

ดังนั้นตัวเครื่องมือจึงแสดงขีดจำกัดความสามารถของตนเองอย่างตรงไปตรงมา รหัสการกะพริบของไฟแสดงสถานะที่ความถี่ไม่กี่เฮิรตซ์: ถือว่าอยู่ภายในขอบเขตได้อย่างสบาย ๆ ส่วน PWM ที่ช้าและการสั่นไหวของแสงที่เกี่ยวข้องกับไฟบ้าน: ยังพอวัดได้ หากใส่ใจกับความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการสั่นไหวและอัตราเฟรม หัวสว่านที่ความเร็ว 30,000 RPM — หรือ 500 รอบต่อวินาที: ถือว่าอยู่นอกเหนือขอบเขตที่เซ็นเซอร์ 60 fps จะวัดคาบเวลาได้โดยตรงอย่างสิ้นเชิง อัตราเฟรมเปรียบเสมือนไม้บรรทัด และคุณไม่สามารถวัดค่าสิ่งที่ยาวเกินกว่าปลายไม้บรรทัดได้

เหนือขีดจำกัดอัตราเฟรม: การทดลองด้วย Strobe

มีอะไรอยู่ที่อีกฝั่งของขีดจำกัดนั้น? นี่คือจุดที่แอลีแอซิงไม่ได้เป็นเพียงแค่เรื่องน่ากวนใจอีกต่อไป เพราะมีกลอุบายสุดคลาสสิกที่เปลี่ยนมันให้กลายเป็นเครื่องมือวัดได้ นั่นคือ สโตรโบสโคป หากส่องสว่างวัตถุที่กำลังหมุนด้วยแสงที่กะพริบด้วยอัตราเดียวกับความเร็วในการหมุนพอดี วัตถุนั้นจะดูเหมือนหยุดนิ่ง — เนื่องจากการกะพริบของแสงทุกครั้งจะจับภาพวัตถุในตำแหน่งเดิม ช่างเครื่องได้ใช้สโตรบเฉพาะทางเพื่ออ่านค่า RPM ด้วยวิธีนี้มานานเป็นศตวรรษแล้ว

ไฟฉายของโทรศัพท์สามารถกะพริบได้ ดังนั้นในเวอร์ชันทดสอบเพื่อการวิจัยของ Sentio จึงมีเครื่องมือ Strobe ซึ่งจะปรับกวาดอัตราการกะพริบของไฟฉายและมองหาการหยุดนิ่งทางสโตรโบสโคป เพื่อประมาณความถี่ของวัตถุที่กำลังหมุนหรือสั่นจากจุดที่เกิดการหยุดนิ่งนั้น เพื่อให้เกิดความชัดเจนเกี่ยวกับสถานะของเครื่องมือนี้: นี่คือการทดลองในเวอร์ชันทดสอบเพื่อการวิจัย ไม่ใช่ฟีเจอร์สำหรับผู้ใช้งานทั่วไปที่ปล่อยออกมา ฮาร์ดแวร์ของไฟฉายในโทรศัพท์แต่ละรุ่นมีความแตกต่างกันอย่างมากในเรื่องของความเร็วและความสม่ำเสมอในการกะพริบ และแนวทางนี้จำเป็นต้องได้รับการทดสอบตรวจสอบความถูกต้องในอุปกรณ์ต่าง ๆ ก่อนที่จะสามารถรับรองผลสำหรับผู้บริโภคทั่วไปได้ แต่นี่คือคู่ขนานที่ตอบโจทย์ความอยากรู้อยากเห็นทางสติปัญญาของเครื่องมือ Blinking — ปรากฏการณ์แบบเดียวกันที่เป็นข้อจำกัดในการวัดคาบเวลาแบบพาสซีฟ เมื่อนำมาควบคุมอย่างตั้งใจ ก็ได้กลายเป็นหนทางในการก้าวข้ามขีดจำกัดนั้น เช่นเดียวกับการบันทึกภาพทุกประเภทในแพลตฟอร์มนี้ การวิเคราะห์จะทำงานบนตัวอุปกรณ์เอง และหลังจากนั้นการบันทึกภาพเพื่อการวิจัยก็สามารถนำมาติดป้ายกำกับเทียบกับค่าอ้างอิง RPM ที่ทราบแน่ชัดได้ ซึ่งนี่ก็คือข้อมูลที่การทดสอบตรวจสอบความถูกต้องต้องการพอดิบพอดี

จัดเก็บไว้ ไม่ใช่แค่จำ

จุดร่วมของทุกเครื่องมือที่นี่คือ จุดสำคัญไม่ใช่ค่าที่อ่านได้เพียงครั้งเดียว แต่เป็นค่าที่อ่านได้ในบริบทที่เกี่ยวข้อง อัตราการกะพริบจะมีความหมายเมื่อดูควบคู่กับตารางในคู่มือ ความถี่การกะพริบจะมีความหมายเมื่อนำมาเปรียบเทียบกันระหว่างหลอดไฟ ค่า RPM ของพัดลมจะมีความหมายเมื่อเทียบกับของเดือนที่แล้ว การจับภาพแต่ละครั้งจะถูกจัดเก็บไว้ใต้ข้อมูลวัตถุในแคตตาล็อก และสามารถใส่ป้ายกำกับตามความเป็นจริงได้เมื่อคุณทราบผลลัพธ์แล้ว — หลอดไฟที่ช่วยแก้ปัญหาอาการปวดหัว หรือพัดลมที่เสียไปจริงๆ การมองผ่านๆ เพียงครั้งเดียวจะกลายเป็นบันทึก และบันทึกจะกลายเป็นการเปรียบเทียบซึ่งเป็นจุดประสงค์ที่แท้จริงตั้งแต่แรก

กล้องยังมีโหมดที่เงียบกว่านั้นด้วย — คือการวัดค่าสีและแสงรอบตัวแทนที่จะเป็นการวัดเวลา ซึ่งอธิบายไว้ใน สีและแสง และเพื่อดูภาพรวมทั้งหมดว่าเซ็นเซอร์ของโทรศัพท์สามารถวัดค่าอะไรได้บ้าง ตั้งแต่ไมโครโฟนไปจนถึงเซ็นเซอร์วัดความเร่ง โปรดเริ่มต้นที่ ภาพรวมของเครื่องมือ