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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo D1.2 - Cámaras de Ultra Alta Velocidad (>100 kHz)
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:3487
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Frecuencia alar y muestreo temporal
La frecuencia máxima del batido fija el mínimo de muestreo por Nyquist y el número efectivo de fotogramas por ciclo determina la resolución temporal útil.
Grupo 2: Grupo 2: Exposición y desenfoque de movimiento
La velocidad de la punta alar y la escala espacial por píxel limitan el tiempo de exposición para mantener el desplazamiento durante la exposición por debajo de aproximadamente un píxel.
Grupo 3: Grupo 3: Fotones y calidad de imagen
Reducir el tiempo de exposición reduce los fotones captados por píxel y con ello degrada la relación señal-ruido, estableciendo el compromiso óptico asociado a la alta velocidad.
Grupo 4: Grupo 4: Extracción de cinemática angular
La secuencia de posiciones angulares permite estimar por diferenciación numérica velocidad angular y aceleración angular a lo largo del ciclo.
Grupo 5: Grupo 5: Dinámica rotacional y torques
La aceleración angular combinada con el momento de inercia permite obtener el torque inercial; la medición cinemática alimenta la derivación de torques durante el vuelo.
Grupo 6: Grupo 6: Compromiso tasa-resolución de cámara
La capacidad de lectura de la cámara reparte recursos entre tasa de fotogramas y resolución espacial, explicando los regímenes de ~1 MHz con resolución sacrificada y ~100 kHz a ~1 megapíxel.
Grupo 7: Grupo 7: Diseño y suficiencia de la medición
Los límites de Nyquist, fotogramas por ciclo, desenfoque, SNR y capacidad de cámara convergen en criterios de suficiencia para observar pronación/supinación y derivar dinámica alar.
ID:1209
Grupo 1: Grupo 1: Frecuencia alar y muestreo temporal
Descripción
La frecuencia máxima del batido fija el mínimo de muestreo por Nyquist y el número efectivo de fotogramas por ciclo determina la resolución temporal útil.
Pregunta clave: ¿Cómo opera frecuencia alar y muestreo temporal?
La frecuencia máxima del batido fija el mínimo de muestreo por Nyquist y el número efectivo de fotogramas por ciclo determina la resolución temporal útil. Para que esa captura del ciclo alar sea siquiera posible, la cámara tiene que respetar el criterio de Nyquist: la tasa a la que la cámara toma fotogramas tiene que ser, como mínimo, el doble de la frecuencia máxima del ciclo alar que se quiere capturar, porque por debajo de ese mínimo la cámara simplemente no puede distinguir el movimiento real del ala de un movimiento aparente distinto. Aumentar esa misma tasa de captura de fotogramas para conseguir más fotogramas por ciclo alar tiene, sin embargo, un costo: cuanto más rápido captura fotogramas la cámara, menos tiempo de exposición le queda a cada fotograma individual, y ese menor tiempo de exposición significa que cada píxel de la imagen recibe menos fotones de luz, lo que degrada la calidad de la imagen al reducir la relación entre la señal útil y el ruido de fondo. En la práctica, sin embargo, ese mínimo de Nyquist no alcanza para ver el ciclo alar con el detalle que interesa: los investigadores usan muchos más fotogramas por cada ciclo alar completo —entre diez y cien— para poder resolver los detalles finos de la rotación pronacional y supinacional del ala, el giro rápido que el ala hace al principio y al final de cada batido.
ID:5660
Grupo 2: Grupo 2: Exposición y desenfoque de movimiento
Descripción
La velocidad de la punta alar y la escala espacial por píxel limitan el tiempo de exposición para mantener el desplazamiento durante la exposición por debajo de aproximadamente un píxel.
Pregunta clave: ¿Cómo opera exposición y desenfoque de movimiento?
La velocidad de la punta alar y la escala espacial por píxel limitan el tiempo de exposición para mantener el desplazamiento durante la exposición por debajo de aproximadamente un píxel. Para una punta de ala que se mueve a dos metros por segundo, fotografiada con una escala de cien micrómetros por píxel, el tiempo de exposición tiene que ser menor a cincuenta microsegundos para que la imagen del ala no aparezca borrada. Aumentar esa misma tasa de captura de fotogramas para conseguir más fotogramas por ciclo alar tiene, sin embargo, un costo: cuanto más rápido captura fotogramas la cámara, menos tiempo de exposición le queda a cada fotograma individual, y ese menor tiempo de exposición significa que cada píxel de la imagen recibe menos fotones de luz, lo que degrada la calidad de la imagen al reducir la relación entre la señal útil y el ruido de fondo. Ese mismo tiempo de exposición tiene, además, un límite máximo impuesto por el propio movimiento del ala: si el tiempo de exposición es demasiado largo, la imagen del ala aparece borrosa porque el ala ya se movió una distancia apreciable mientras la cámara todavía estaba capturando ese fotograma.
ID:5661
Grupo 3: Grupo 3: Fotones y calidad de imagen
Descripción
Reducir el tiempo de exposición reduce los fotones captados por píxel y con ello degrada la relación señal-ruido, estableciendo el compromiso óptico asociado a la alta velocidad.
Pregunta clave: ¿Cómo opera fotones y calidad de imagen?
Reducir el tiempo de exposición reduce los fotones captados por píxel y con ello degrada la relación señal-ruido, estableciendo el compromiso óptico asociado a la alta velocidad. Aumentar esa misma tasa de captura de fotogramas para conseguir más fotogramas por ciclo alar tiene, sin embargo, un costo: cuanto más rápido captura fotogramas la cámara, menos tiempo de exposición le queda a cada fotograma individual, y ese menor tiempo de exposición significa que cada píxel de la imagen recibe menos fotones de luz, lo que degrada la calidad de la imagen al reducir la relación entre la señal útil y el ruido de fondo.
ID:5662
Grupo 4: Grupo 4: Extracción de cinemática angular
Descripción
La secuencia de posiciones angulares permite estimar por diferenciación numérica velocidad angular y aceleración angular a lo largo del ciclo.
Pregunta clave: ¿Cómo opera extracción de cinemática angular?
La secuencia de posiciones angulares permite estimar por diferenciación numérica velocidad angular y aceleración angular a lo largo del ciclo. A partir de la posición angular del ala que se extrae de cada fotograma, es posible calcular, por diferenciación numérica, la velocidad angular y la aceleración angular del ala a lo largo de todo el ciclo alar. Combinando esa aceleración angular con el momento de inercia propio del ala, finalmente se pueden derivar los torques aerodinámicos e inerciales que actúan sobre el ala durante el vuelo del insecto.
ID:5663
Grupo 5: Grupo 5: Dinámica rotacional y torques
Descripción
La aceleración angular combinada con el momento de inercia permite obtener el torque inercial; la medición cinemática alimenta la derivación de torques durante el vuelo.
Pregunta clave: ¿Cómo opera dinámica rotacional y torques?
La aceleración angular combinada con el momento de inercia permite obtener el torque inercial; la medición cinemática alimenta la derivación de torques durante el vuelo. Combinando esa aceleración angular con el momento de inercia propio del ala, finalmente se pueden derivar los torques aerodinámicos e inerciales que actúan sobre el ala durante el vuelo del insecto.
ID:5664
Grupo 6: Grupo 6: Compromiso tasa-resolución de cámara
Descripción
La capacidad de lectura de la cámara reparte recursos entre tasa de fotogramas y resolución espacial, explicando los regímenes de ~1 MHz con resolución sacrificada y ~100 kHz a ~1 megapíxel.
Pregunta clave: ¿Cómo opera compromiso tasa-resolución de cámara?
La capacidad de lectura de la cámara reparte recursos entre tasa de fotogramas y resolución espacial, explicando los regímenes de ~1 MHz con resolución sacrificada y ~100 kHz a ~1 megapíxel. Este mismo compromiso entre velocidad de captura y calidad de imagen define, en la práctica, lo que las cámaras de ultra alta velocidad más avanzadas pueden ofrecer hoy para estudiar el ciclo alar del insecto: alcanzan del orden de un millón de fotogramas por segundo si se sacrifica resolución, o unas cien mil fotogramas por segundo si se mantiene una resolución de un megapíxel, dejando al investigador la misma disyuntiva entre velocidad y detalle que atraviesa todo este proceso de medición.
ID:5665
Grupo 7: Grupo 7: Diseño y suficiencia de la medición
Descripción
Los límites de Nyquist, fotogramas por ciclo, desenfoque, SNR y capacidad de cámara convergen en criterios de suficiencia para observar pronación/supinación y derivar dinámica alar.
Pregunta clave: ¿Cómo opera diseño y suficiencia de la medición?
Los límites de Nyquist, fotogramas por ciclo, desenfoque, SNR y capacidad de cámara convergen en criterios de suficiencia para observar pronación/supinación y derivar dinámica alar. Este mismo compromiso entre velocidad de captura y calidad de imagen define, en la práctica, lo que las cámaras de ultra alta velocidad más avanzadas pueden ofrecer hoy para estudiar el ciclo alar del insecto: alcanzan del orden de un millón de fotogramas por segundo si se sacrifica resolución, o unas cien mil fotogramas por segundo si se mantiene una resolución de un megapíxel, dejando al investigador la misma disyuntiva entre velocidad y detalle que atraviesa todo este proceso de medición. Aumentar esa misma tasa de captura de fotogramas para conseguir más fotogramas por ciclo alar tiene, sin embargo, un costo: cuanto más rápido captura fotogramas la cámara, menos tiempo de exposición le queda a cada fotograma individual, y ese menor tiempo de exposición significa que cada píxel de la imagen recibe menos fotones de luz, lo que degrada la calidad de la imagen al reducir la relación entre la señal útil y el ruido de fondo. Para que esa captura del ciclo alar sea siquiera posible, la cámara tiene que respetar el criterio de Nyquist: la tasa a la que la cámara toma fotogramas tiene que ser, como mínimo, el doble de la frecuencia máxima del ciclo alar que se quiere capturar, porque por debajo de ese mínimo la cámara simplemente no puede distinguir el movimiento real del ala de un movimiento aparente distinto.
ID:5666