Nhấp nháy, chớp tắt và chuyển động xoay: đo chu kỳ thế giới bằng camera

Một phần lớn đáng ngạc nhiên của thế giới giao tiếp bằng cách nhấp nháy. Bộ định tuyến báo cáo trạng thái bằng các kiểu đèn LED. Các thiết bị gia dụng nhấp nháy mã lỗi. Bóng đèn LED giá rẻ phát xung nhanh đến mức không thể nhìn thấy — cho đến khi chúng làm bạn đau đầu. Quạt, máy khoan và bánh xe quay với tốc độ đáng chú ý mà không ai có thể đếm bằng mắt thường. Tất cả những tín hiệu này đều là tín hiệu ánh sáng định kỳ, và camera, ngoài các chức năng khác, là một thiết bị lấy mẫu ánh sáng với tốc độ ổn định. Hướng camera vào nguồn sáng và bạn đã có một thiết bị đo thời gian.

Đó chính là công cụ Nhấp nháy: hướng camera vào nguồn sáng nhấp nháy và công cụ sẽ đo tốc độ nhấp nháy, hoặc hướng vào một vật thể đang xoay để ước tính tần số quay của nó. Quá trình thu nhận sẽ theo dõi sự thay đổi độ sáng trong khung hình theo thời gian, tìm ra chu kỳ và báo cáo tần số — một con số bạn có thể lưu trữ, so sánh và theo dõi xu hướng, thay vì một nhịp điệu bạn phải tự lẩm nhẩm đếm.

Hiện tượng chớp tắt bạn không thể nhìn thấy nhưng đầu bạn có thể cảm nhận được

Hãy bắt đầu với trường hợp sử dụng khiến mọi người ngạc nhiên nhất. Nhiều bóng đèn LED và màn hình giảm độ sáng bằng PWM — tức điều chế độ rộng xung. Ánh sáng thực chất không hề mờ đi; nó bật tắt hoàn toàn hàng trăm lần mỗi giây, và hệ thống thị giác của bạn tính trung bình các xung này thành cảm giác "mờ hơn". Tính trung bình một cách có ý thức, nghĩa là như vậy. Rất nhiều người bị mỏi mắt, đau đầu hoặc có cảm giác khó chịu mơ hồ do PWM tần số thấp, đặc biệt là từ các bóng đèn giá rẻ chớp tắt với tần số gấp đôi tần số điện lưới, và họ thường không bao giờ tìm ra lý do — hiện tượng chớp tắt này vốn được thiết kế để không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Camera không tính trung bình theo cách của bộ não. Khi được cảm biến lấy mẫu, hiện tượng chớp tắt PWM sẽ xuất hiện dưới dạng một tín hiệu độ sáng định kỳ mà công cụ có thể đo thời gian. Nếu bóng đèn đáng ngờ phía trên bàn làm việc của bạn chớp tắt ở tần số 100 Hz và bóng đèn bạn dùng để thay thế thực sự ổn định, thì giờ đây đó là một sự khác biệt được đo lường rõ ràng giữa hai vật thể trong danh mục của bạn, chứ không còn là một linh cảm nữa. Hãy đo các bóng đèn tại cửa hàng trước khi mua, và "cỗ máy gây đau đầu" sẽ tự lộ diện.

Mã nhấp nháy: đèn LED đang cố nói với bạn điều gì đó

Nhóm thứ hai có tốc độ chậm hơn và mang tính trực quan hơn. Bộ định tuyến, bộ sạc, máy rửa bát, máy in và thiết bị công nghiệp đều báo cáo trạng thái thông qua các kiểu nhấp nháy của đèn chỉ báo, và sách hướng dẫn thường mô tả bằng thời gian: "nhấp nháy chậm (mỗi giây một lần) — đang kết nối; nhấp nháy nhanh (hai lần mỗi giây) — lỗi." Con người rất kém trong việc phân biệt tần số 1 Hz và 1.5 Hz, đặc biệt là khi đang bực mình với bộ định tuyến. Nhưng camera thì không thế. Hãy hướng vào, ghi lại, đọc tốc độ và tra cứu. Và vì kết quả đo được lưu dưới vật thể — chính là bộ định tuyến này — tốc độ nhấp nháy từ sự cố tháng trước vẫn còn đó khi chiếc đèn đó bắt đầu nhấp nháy trở lại.

Chuyển động xoay: chiếc quạt đó thực sự quay nhanh như thế nào?

Một vật thể đang xoay cũng điều biến ánh sáng. Các cánh quạt quét qua và độ sáng phản xạ tại bất kỳ điểm nào sẽ tăng lên và giảm xuống một lần ứng với mỗi cánh quạt; tính định kỳ trong các khung hình sẽ mã hóa chuyển động xoay. Công cụ Nhấp nháy sử dụng cùng một phương pháp phân tích miền thời gian để ước tính tần số quay của một bộ phận đang xoay: quạt trần ở mức "vừa", quạt tản nhiệt của máy tính mà bạn nghi ngờ sắp hỏng, hay động cơ xưởng sản xuất mà bạn muốn kiểm tra thực tế tốc độ ghi trên nhãn máy. Một chiếc quạt sắp hỏng thường quay chậm lại trước khi dừng hẳn — hai kết quả đo cách nhau một tháng, được lưu dưới cùng một vật thể, sẽ giúp bạn bắt kịp xu hướng đó.

Giới hạn trung thực: hiện tượng aliasing

Giờ là một lưu ý quan trọng, vì nó có thật và nó định hình toàn bộ thiết kế. Camera lấy mẫu ánh sáng ở tốc độ khung hình của nó — thường là 30 hoặc 60 quang hình trên giây. Lý thuyết lấy mẫu phát biểu thẳng thắn về những gì bạn nhận được: một tín hiệu chỉ có thể được đo thời gian trực tiếp nếu nó thay đổi chậm hơn một nửa tốc độ lấy mẫu. Nhấp nháy nhanh hơn mức đó và camera sẽ không thấy trạng thái "quá nhanh để đo" — nó sẽ thấy một nhịp điệu sai lệch và chậm hơn. Đây là aliasing (hiện tượng chồng phổ), cùng một hiệu ứng khiến bánh xe ngựa lăn ngược trong các bộ phim cũ và khiến chiếc quạt dưới ánh đèn huỳnh quang dường như lơ lửng tại chỗ.

Vì vậy, công cụ luôn trung thực về phạm vi hoạt động của nó. Mã nhấp nháy của đèn chỉ báo ở mức vài hertz: nằm hoàn toàn trong phạm vi đo được. PWM tốc độ chậm và hiện tượng chớp tắt liên quan đến điện lưới: có thể tiếp cận, nếu lưu ý đến sự tương tác giữa tốc độ chớp tắt và tốc độ khung hình. Một mũi khoan ở tốc độ 30,000 RPM — 500 vòng mỗi giây: vượt xa bất kỳ thứ gì mà cảm biến 60 fps có thể đo thời gian trực tiếp. Tốc độ khung hình giống như một cây thước kẻ, và bạn không thể đo lường vượt quá giới hạn của cây thước đó.

Vượt ngoài tốc độ khung hình: thử nghiệm Strobe

Điều gì nằm ở phía bên kia giới hạn đó? Đây là nơi hiện tượng aliasing không còn chỉ là một phiền toái, bởi vì có một mẹo cổ điển biến nó thành một công cụ hữu ích: đèn nghiệm dao động (stroboscope). Chiếu sáng một vật thể đang xoay bằng ánh sáng nhấp nháy với tần số khớp chính xác với tốc độ quay của nó, và vật thể đó sẽ có vẻ như đứng yên — mỗi lần nhấp nháy đều bắt trọn nó ở cùng một vị trí. Các thợ máy đã sử dụng đèn strobe chuyên dụng để đọc RPM theo cách này suốt một thế kỷ qua.

Đèn flash của điện thoại có thể nhấp nháy. Vì vậy, các phiên bản thử nghiệm nghiên cứu của Sentio tích hợp một công cụ Strobe giúp quét tần số nháy của đèn flash và tìm kiếm trạng thái đứng yên nghiệm dao động, từ đó ước tính tần số của một vật thể đang xoay hoặc rung từ điểm xảy ra hiện tượng đứng yên đó. Để nói rõ về trạng thái của nó: đây là một thử nghiệm trong phiên bản nghiên cứu, không phải là một tính năng thương mại chính thức. Phần cứng đèn flash khác nhau rất nhiều về tốc độ và độ ổn định khi phát xung, và phương pháp này cần được xác thực trên nhiều thiết bị trước khi có thể đưa ra các tuyên bố về chất lượng tiêu dùng. Nhưng đây là một đối trọng đầy thú vị về mặt trí tuệ đối với công cụ Nhấp nháy — chính hiện tượng giới hạn khả năng đo thời gian thụ động, khi được điều khiển một cách chủ ý, lại trở thành cách để vượt qua giới hạn đó. Giống như mọi dữ liệu ghi nhận trên nền tảng, quá trình phân tích được thực hiện ngay trên thiết bị, và dữ liệu thử nghiệm nghiên cứu sau đó có thể được dán nhãn đối chiếu với các tham chiếu RPM đã biết, đây chính xác là dữ liệu mà quá trình xác thực cần.

Được lưu trữ, không phải ghi nhớ

Điểm chung của mọi công cụ ở đây: mục đích không nằm ở một kết quả đo riêng lẻ, mà là kết quả đo trong ngữ cảnh. Tần suất nhấp nháy sẽ có ý nghĩa khi đặt cạnh bảng hướng dẫn; tần số nhấp nháy sẽ có ý nghĩa khi so sánh giữa các bóng đèn; RPM của quạt sẽ có ý nghĩa khi đối chiếu với tháng trước. Mỗi lần chụp sẽ được lưu trữ dưới một vật thể trong danh mục và có thể được gắn nhãn thực tế khách quan khi bạn biết kết quả — bóng đèn đã giúp hết đau đầu, chiếc quạt thực sự đã hỏng. Những cái nhìn thoáng qua trở thành hồ sơ lưu trữ, và hồ sơ lưu trữ trở thành những phép so sánh vốn là mục đích cốt lõi ngay từ đầu.

Camera cũng có những chế độ hoạt động âm thầm hơn — đo màu sắc và ánh sáng xung quanh thay vì tính thời gian của chúng, được đề cập trong Màu sắc và ánh sáng. Và để có bức tranh toàn cảnh về những gì cảm biến điện thoại có thể đo lường, từ micrô cho đến gia tốc kế, hãy bắt đầu với tổng quan về các công cụ.