【編者按】本文作者@看風(fēng)景的蝸牛君，中科院光學(xué)工程博士。

最近《驚天魔盜團(tuán)2》華麗上線，精彩的畫面讓大家大呼過癮，尤其對(duì)其中魔術(shù)師控制雨滴懸停的片段津津樂道。在魔術(shù)師的控制下，磅礴的雨滴瞬間懸停在空中，而隨著魔術(shù)師的手勢(shì)，雨滴甚至開始向上運(yùn)動(dòng)，令人驚嘆不已。

 

實(shí)際上，這并不是什么魔法，而是利用光學(xué)原理在現(xiàn)實(shí)中可以復(fù)現(xiàn)出的情景。

要解釋這一現(xiàn)象，我們需要從運(yùn)動(dòng)視覺（Visual perception of motion）開始說起。運(yùn)功視覺定義為對(duì)物體隨時(shí)間在空間運(yùn)動(dòng)（位移或變化）的視知覺。除了人類，很多動(dòng)物也都有運(yùn)動(dòng)視覺，甚至有一些動(dòng)物幾乎只存在運(yùn)動(dòng)視覺，例如青蛙。

科學(xué)研究中，我們將運(yùn)動(dòng)視覺分為以下三類：

1、 真實(shí)運(yùn)動(dòng)視覺，即現(xiàn)實(shí)中的物體的像以一定速度和方向在視網(wǎng)膜上連續(xù)改變位置。生活中絕大多數(shù)時(shí)刻，我們對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的視覺反應(yīng)都屬于這一類，它是連續(xù)的，因此存在絕對(duì)速度閾限，過低（例如鐘表上時(shí)針）和過高（例如飛行的子彈）的速度人眼都無法感知。

2、 表觀似動(dòng)視覺（Apparent Motion），即靜止的畫面在人眼視野中相繼呈現(xiàn)產(chǎn)生的視覺反應(yīng)，這是因?yàn)槿说囊曈X系統(tǒng)有視覺暫留的作用。例如下圖中交替出現(xiàn)的藍(lán)色斑點(diǎn)，會(huì)使人產(chǎn)生它正在左右移動(dòng)的視覺體驗(yàn)。

3、 運(yùn)動(dòng)視錯(cuò)覺。這是一類非常特殊的運(yùn)動(dòng)視覺，因?yàn)榇祟愋椭?，既沒有物體的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，也沒有畫面的交替，例如下圖，前后移動(dòng)會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的視覺體驗(yàn)。

 

研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)與離散的表觀似動(dòng)，盡管原始刺激不同，但卻能夠產(chǎn)生相同的運(yùn)動(dòng)視覺效果，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)視覺得基本刺激并不是現(xiàn)實(shí)的“速度”，而是與時(shí)間和空間有關(guān)的畫面信息。這一原理就是目前眾多顯示技術(shù)的基礎(chǔ)，即利用一幀一幀變化的畫面引起的表觀似動(dòng)視覺，來模擬現(xiàn)實(shí)中物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。最有代表性的就是電影膠片。

 

將畫面以每秒24幀以上的速度記錄下來，再回放出來，就能通過讓人產(chǎn)生連續(xù)的表觀似動(dòng)視覺體驗(yàn)。目前電影工業(yè)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到驚人的每秒120幀，畫面更加細(xì)膩生動(dòng)。

要注意的是，由于表觀似動(dòng)視覺效應(yīng)中，運(yùn)動(dòng)不再是固有的物理刺激，因此交替出現(xiàn)的畫面中有相應(yīng)的對(duì)應(yīng)匹配法則，例如空間最相臨近的像素對(duì)應(yīng)匹配法則：

下圖中左右兩個(gè)區(qū)域都是交替出現(xiàn)兩個(gè)白色圓形斑點(diǎn)，但是由于空間距離遠(yuǎn)近不同，左圖區(qū)域會(huì)令人產(chǎn)生斑點(diǎn)左右運(yùn)動(dòng)的感覺，而右側(cè)區(qū)域則會(huì)令人產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)的感覺。

 

更進(jìn)一步，在下圖中交替出現(xiàn)的兩幅圖有很多黑色斑點(diǎn)，位置經(jīng)過計(jì)算和設(shè)計(jì)。由于空間最相臨近的像素對(duì)應(yīng)匹配，第一幅圖中的黑色斑點(diǎn)會(huì)與第二幅圖中的斑點(diǎn)找到一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，交替出現(xiàn)就會(huì)產(chǎn)生整體畫面晃動(dòng)的感覺。

 

除了空間最相臨近的像素對(duì)應(yīng)匹配，還有形狀最相似的像素對(duì)應(yīng)匹配、顏色最相近的像素對(duì)應(yīng)匹配、平面像素間優(yōu)先匹配等。電影電視、定格動(dòng)畫等技術(shù)就是各種匹配法則綜合運(yùn)用的結(jié)果。

在看電視的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些很有趣的現(xiàn)象，例如車輪倒轉(zhuǎn)。假設(shè)拍攝時(shí)幀率為最基本的24幀/秒，如下圖所示，將車輪一個(gè)位置刻上標(biāo)記箭頭。

 

當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速恰好為每1/24秒轉(zhuǎn)整數(shù)圈，那么拍攝時(shí)就如同A行所示，車輪呈現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)。這種情況是比較罕見的，因此若是拍攝時(shí)車輪轉(zhuǎn)速比1/24秒轉(zhuǎn)整數(shù)圈快一點(diǎn)點(diǎn)，就如同B行所示，由于空間最相臨近的像素對(duì)應(yīng)匹配，則會(huì)出現(xiàn)車輪前轉(zhuǎn)的情況。同樣，若是拍攝時(shí)車輪轉(zhuǎn)速比1/24秒轉(zhuǎn)整數(shù)圈慢一點(diǎn)點(diǎn)，就如同B行所示，則會(huì)出現(xiàn)車輪倒轉(zhuǎn)的情況。

實(shí)際拍攝時(shí)，情況會(huì)更復(fù)雜。由于輪轂的存在，車輪往往旋轉(zhuǎn)不到360°就會(huì)出現(xiàn)形狀重合，而且車速也不會(huì)是恒定的，因此車輪會(huì)出現(xiàn)時(shí)而正轉(zhuǎn)，時(shí)而反轉(zhuǎn)的情況。

總之可以看出，在使用表觀似動(dòng)視覺效應(yīng)來表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于某些周期性的運(yùn)動(dòng)的物體，我們可以通過調(diào)節(jié)幀率和周期的關(guān)系，來呈現(xiàn)多種視覺效果。

講到這里，朋友們應(yīng)該猜到靜止的雨滴到底是如何產(chǎn)生的了?，F(xiàn)實(shí)中的雨滴自然無法實(shí)現(xiàn)雨滴的懸停和上行，但是若是將真實(shí)運(yùn)動(dòng)視覺轉(zhuǎn)化為表觀似動(dòng)視覺，則可以通過調(diào)節(jié)雨滴周期和幀率，來實(shí)現(xiàn)魔術(shù)的效果。

電影中魔術(shù)師也提到，利用了頻閃照明燈的作用。燈光以一定的頻率閃爍，只要頻率足夠快，則不會(huì)讓人察覺到，但人眼視覺系統(tǒng)看到的已經(jīng)不再是連續(xù)的世界，而是被快速閃爍的燈光定格的一幀幀靜態(tài)畫面，就如同拍攝的膠片一樣。

在很多科技館中都有一個(gè)展覽項(xiàng)目，叫做“魔幻水簾”，即一排水滴有的靜止，有的上行，有的以緩慢的速度下行。要指出的是，電影中的效果還是經(jīng)過了藝術(shù)夸張，畢竟電影中這樣簡(jiǎn)單的灑水器其實(shí)還是很難實(shí)現(xiàn)所有水滴頻率統(tǒng)一的，更不必提廣場(chǎng)中風(fēng)力等其他因素的影響了。

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