Hãy hướng điều khiển TV vào camera điện thoại của bạn và nhấn một nút. Trên nhiều điện thoại, bạn sẽ thấy một thứ mà mắt thường không thể nhìn thấy: đầu điều khiển nhấp nháy luồng sáng nhạt. Đó chính là đèn LED hồng ngoại của điều khiển đang nhấp nháy một đoạn mã — và lý do nó hoạt động được trong phòng khách ngập tràn ánh nắng, nơi mặt trời tỏa ra nhiều tia hồng ngoại hơn bất kỳ đèn LED nào, không phải nhờ công suất. Mà đó là nhờ sự điều chế. Chiếc điều khiển không cố gắng phát sáng mạnh hơn mặt trời; nó nhấp nháy ở một tần suất mà mặt trời không có, và bộ thu trong TV chỉ ghi nhận sự thay đổi ở tần suất đó. Ánh sáng chói ổn định, ở bất kỳ cường độ nào, đều vô hình trước một bộ phát hiện được tinh chỉnh để chỉ nhạy với sự nhấp nháy.
Ý tưởng duy nhất này — một tốc độ nhấp nháy xác định là một chữ ký sống sót qua bất kỳ lượng ánh sáng ổn định nào — trải dài từ những chiếc điều khiển từ xa khiêm tốn nhất cho đến các hệ thống nghiên cứu Li-Fi biến đèn trần thành các điểm truy cập không dây (Haas và cộng sự, "What is LiFi?", là tài liệu hướng dẫn chuẩn mực). Và đó là toàn bộ nguyên lý hoạt động của công cụ ánh sáng điều chế của Sentio, vốn sử dụng nó không phải để truyền dữ liệu mà để truyền một kết quả đo.
Dàn thiết bị hai điện thoại
Công cụ này là một nửa của một cặp. Điện thoại thứ hai (hoặc ứng dụng web trên bất kỳ màn hình nào) là thiết bị phát: nó nhấp nháy màn hình giữa màu đen và trắng, một sóng vuông sạch ở tần số chính xác 2 Hz, với độ sáng màn hình được cố định ở mức tối đa để mọi chu kỳ đều dao động như nhau. Camera của điện thoại đo theo dõi trong sáu giây — mười hai chu kỳ đầy đủ — và đặt hai câu hỏi theo thứ tự:
- Cú nhấp nháy 2 Hz có thực sự ở đó không? Lần ghi hình sẽ tính thời gian của sự nhấp nháy mà nó nhìn thấy và xác nhận tốc độ khớp với tốc độ mong đợi. Không có xác nhận, không có kết quả đo — một dao động không thể chứng minh là của thiết bị phát có thể là một bóng đen lướt qua, màn hình chờ, hay bất cứ thứ gì.
- Biên độ dao động lớn như thế nào? Không phải là tối đa trừ đi tối thiểu — một tia sáng lóe lên sẽ làm hỏng kết quả đó — mà là một khoảng phân vị mạnh mẽ của các mẫu độ sáng, giúp bỏ qua các khung hình ngoại lai và đọc biên độ thực của sóng vuông. Đây là phiên bản bỏ túi của thứ mà các nhà chế tạo thiết bị đo gọi là phát hiện lock-in: loại bỏ mọi thứ, giữ lại sự thay đổi ở tốc độ đã biết.
Công cụ này cũng ghi lại dao động một cách riêng biệt trong các kênh màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam của camera, đồng thời khóa phơi sáng tự động và cân bằng trắng sau một khoảnh khắc ổn định — bởi vì một camera nếu để tự hoạt động sẽ đuổi theo độ sáng trung bình, và giá trị trung bình chính là phần tín hiệu bị loại bỏ một cách có chủ ý.
Mục đích của dao động
Bản thân dao động của một lần ghi hình có rất ít ý nghĩa — nó phụ thuộc vào khoảng cách, góc độ, màn hình phát, camera nhận. Nhưng nếu thực hiện hai lần ghi hình với cùng một dàn thiết bị và thực hiện phép chia, tất cả những yếu tố đó sẽ bị triệt tiêu. Tỷ lệ đó là động cơ của các hoạt động lắp kính: nhấp nháy trực tiếp vào camera, sau đó nhấp nháy qua tấm kính, và tỷ lệ giữa dao động xuyên qua so với dao động trực tiếp chính là độ trong suốt của tấm kính — trên mỗi kênh màu, đó là cách mà sự hấp thụ mạnh màu xanh lam của lớp phủ low-e hiển thị dưới dạng một độ chọn lọc được đo lường thay vì một sắc thái mờ nhạt. Xoay thiết bị phát một phần tư vòng giữa các lần ghi hình và chính dàn thiết bị đó sẽ kiểm tra sự phân cực.
Lý do tỷ lệ này đáng tin cậy chính là vật lý của điều khiển từ xa từ đoạn đầu tiên: ánh sáng phòng, đèn, phản xạ và ánh sáng ban ngày đều thất bại trong bài kiểm tra 2 Hz và bị loại bỏ khỏi cả hai lần ghi hình. Bạn có thể thực hiện kết quả đo trong một cửa hàng sáng sủa, áp các tấm phim vào cửa sổ, và ánh sáng của cửa hàng sẽ không ảnh hưởng.
Các công cụ tương tự, và một ranh giới
Người họ hàng thụ động của công cụ này là Nhấp nháy, vốn tính thời gian cho ánh sáng mà thế giới bên ngoài điều chế — sự nhấp nháy của đèn LED, mã nhấp nháy của bộ định tuyến, máy móc đang quay. Có mối liên hệ thực sự với sức khỏe theo hướng đó: các thực hành nhấp nháy của đèn LED chiếu sáng là chủ đề của một khuyến nghị thực hành từ IEEE, IEEE 1789-2015, chính xác là vì sự điều chế tần số thấp mà mắt không thể nhận biết một cách có ý thức không phải lúc nào cũng là sự điều chế mà đầu óc không thể cảm nhận. Công cụ ánh sáng điều chế khác biệt ở một từ duy nhất: sự nhấp nháy là của chúng ta. Một kích thích đã biết sẽ biến một bộ hẹn giờ nhấp nháy thành một quang kế truyền qua.
Và một ranh giới, để thành thật mà nói: mã thực tế của điều khiển từ xa nằm ngoài tầm với của công cụ này. Các điều khiển từ xa hồng ngoại điều chế ở tần số hàng chục kilohertz với thời gian bit ở quy mô mili giây — vượt xa khả năng của một camera lấy mẫu độ sáng vài chục lần mỗi giây. Camera có thể nhìn thấy rằng đèn LED của điều khiển từ xa sáng lên (một cách kiểm tra pin hết thực sự hữu ích, nhờ vào bộ lọc hồng ngoại không hoàn hảo của cảm biến camera), nhưng việc giải mã mẫu thuộc về các bộ thu hồng ngoại chuyên dụng. Công cụ trên điện thoại có chủ ý hoạt động ở đầu chậm và mạnh mẽ của phổ điều chế: 2 Hz là cực kỳ chậm chạp đối với việc truyền thông, nhưng với tư cách là một sóng mang kết quả đo, nó đủ nhanh để thoát khỏi độ trôi của môi trường xung quanh và đủ chậm để bất kỳ camera nào cũng có thể lấy mẫu một cách trung thực.
| Thiết bị chuyên nghiệp | Dàn thiết bị ánh sáng điều chế bằng điện thoại | Nơi bộc lộ sự chênh lệch |
|---|---|---|
| Quang phổ kế ($3,000–$50,000): độ truyền qua so với bước sóng, độ phân giải nanômét, chùm tia tham chiếu đã hiệu chuẩn | Tỷ lệ truyền qua trong ba kênh màu rộng, miễn dịch với môi trường xung quanh thông qua điều chế | Phổ lớp phủ, độ truyền qua UV/IR, bất kỳ số liệu nào ở cấp độ bảng thông số kỹ thuật — ba dải RGB dày không thể phân tách những gì một bộ đơn sắc có thể |
| Máy đo Lux/nhấp nháy có tính năng ghi dạng sóng ($500–$3,000, theo các chỉ số IEEE 1789) | Xác nhận và tính thời gian cho sự điều chế của chính thiết bị phát của nó; đọc kết quả dao động mạnh mẽ | Đặc trưng hóa sự nhấp nháy nhanh chưa biết (kHz PWM) — tốc độ lấy mẫu của camera giới hạn những gì nó có thể tính thời gian |
| Photodiode + bộ khuếch đại lock-in (thiết lập phòng thí nghiệm, $2,000+): phiên bản đầy đủ sức mạnh của chính mẹo này | Cùng một cấu trúc với camera đóng vai trò là photodiode và các phân vị đóng vai trò là lock-in | Dải động và khả năng tiếp cận tần số — dàn thiết bị phòng thí nghiệm khôi phục các tín hiệu yếu hơn hàng nghìn lần, ở bất kỳ tần số điều chế nào |
| Bộ phân tích giao thức hồng ngoại / Mô-đun thu hồng ngoại ($10–$100) | Nhìn thấy đèn LED của điều khiển từ xa phát sáng; không thể giải mã sóng mang 38 kHz | Thực sự đọc mã điều khiển từ xa — công cụ phù hợp có giá rẻ hơn một bữa trưa và không phải là một chiếc điện thoại |
Nguyên tắc thiết kế được thể hiện rõ: đừng bao giờ tin vào một kích thích mà bạn không tự kiểm chứng. Nguồn phát phát lệnh 2 Hz, nhưng bộ thu độc lập tính toán thời gian của tín hiệu truyền đến và từ chối tính toán bất cứ điều gì từ một nhịp nhấp nháy chưa được xác nhận — cùng một tính kỷ luật như công cụ đèn chớp nháy tự xác minh đèn LED của chính nó và tính năng quét cách âm tự nhận diện các âm thanh của nó. Giữa việc "ứng dụng yêu cầu màn hình nhấp nháy" và "camera đo được một lần nhấp nháy", một nền tảng đo lường phải luôn đặt cược vào vế thứ hai.
Để biết cách tỷ lệ dao động trở thành một nhận định đầy đủ về lớp kính, hãy đọc bài viết về độ trong suốt và phân cực; để xem bản đồ so sánh nơi hệ quang học của điện thoại thực sự cạnh tranh được với thiết bị quang học phòng thí nghiệm, hãy xem bản đánh giá trung thực.