沉睡谷第二季

　　 　　 　　 　　Slow Dance |来源：https://www.nickolaspeter.com/slow-dance 　　镜框里的羽毛好像是“慢动作”在动。但是，实际上那个运转得相当快。加上几个光和振动的设计后，由于人类的视觉感知有限，所以在令人难以置信的懒人的节奏下摇晃着。 　　知道了吗？不知道的话没关系。设备设计师杰夫·利伯曼（Jeff Lieberman）说：“眼前的东西和对现实的理解发生冲突的时候，产生了困惑。”。作为探索Discover频道节目Time Warp的主持人，利物曼使用高速照相机解开子弹发射、芭蕾舞、爆炸等运动过程中包含的物理学。利物曼把他的最新装置称为“漫舞”。在云风扇平台Kickstarter上，解释为“可以让时间变慢的框架”。 　　实际上，“漫舞”的机制很少见，很简单，但巧妙得让人无法察觉。利伯曼先生说，“如果选择直接理解工作原理的话，永远会失去探索和揭开秘密的乐趣”。但是，如果你真的想知道的话，利物曼建议你花更多时间去弄清楚。 　　 　　要弄清“漫舞”的秘密，也许首先需要补充视觉上的保留这个概念。 　　 　　“走马灯、灯马走、灯马停步。”图源：钱江晚报 　　实际上，“视觉暂留”的原理在中国古代就被应用于民间艺术的“走马灯”。南宋周密《武林旧事》中记载的“若沙戏影灯、马骑人物、旋转如飞”就是这样一种特殊的灯笼。 　　 　　走马灯的构造和原理|图源：科学普及中国 　　走马灯的原理是，在一个灯笼里插入一根铁丝作为立轴，在轴上作为羽翼车，剪纸小人用铁丝固定在轴的周围。蜡烛点在灯笼底部，加热后的空气上升形成对流，气流使叶片车旋转，使轴和小人儿旋转。人影被抛到灯笼外面，就会形成人马追逐、物变的影像。 　　 　　“魔法滑动”原理|图源：《Ars Magna Lucis et Umbrae》阿塔那斯·基尔 　　 　　“魔术幻灯”表示“幻影”|图源：M Plus 　　17世纪遥远的西方，欧洲人也发明了一种早期的幻灯机并开始用幻灯片展示“幻像”和“神迹”，当时的它是魔术幻灯（Magic Lantern）——通过镜头的组合快速将手绘的图像投影到某个位置，形成视觉保留。那么视觉保留背后的原理到底是什么？ 　　视觉实际上是由眼睛的结晶成像，锥形细胞感光，将光信号转换成神经并电传递到大脑的过程。视神经的反应需要约1/16秒的时间，对于不同频率的光反应时间有一定的差异。视神经的反应变长后，视觉图像在脑中产生滞后现象，被称为“视觉暂时停留”或“正片后像”。 　　 　　费纳契镜|图源：Dick Balzers Website Phenakistascopes 　　 　　费纳契镜|图源：thiscolossal。com 　　这种现象是比利时物理学家约瑟夫·普拉特（Joseph Plaateau）在1835年观察太阳的实验中发现的，基于这种现象，发明了证明人体生理特征的“费纳契镜”，他自己也在这次观察（直视太阳25秒）中双目失明，但太阳的影子永远刻在他的眼睛上。 　　 　　 　　费纳契镜|图源：The Richard Balzer Collection 　　 　　1825年，英国的约翰·帕里斯博士发明的“幻盘”被认为是电影成像的起源，但从理论上看，视觉的暂时现象只能看到鸟和笼子重叠的静态画面。那是什么让我们“看到”了“鸟跳进笼子”这种不存在的动作呢。 　　 　　“幻盘”|图源：“断头谷” 　　如果视觉暂时残留，则图像在人的头脑中持续0.1～0.4秒，但是如果以比该长的范围的间隔再生运动图像，则感觉图像形成连续的动作。虽然没有发生这样的运动，但是我们知道运动的状况，德国实验心理学者的湿海默称之为类似运动现象。相似运动现象为人类的运动视觉感知提供了心理学的解释，也是格式塔心理学的起源。格式塔学派主张，人的脑的动作原理属于整体论，“整体与那个零件的总和不同”。格式塔是德语Gestalt的译音，意为“模式、形状、形式”等，意为“动态整体”。 　　 　　格式塔的原理|图源：Wiki 　　 　　有“电影的24帧每秒是由人的视觉暂时残留的现象决定的”这样的误解。如果帧率基准仅来源于“视觉保留”，则图像必须基于视神经1/16秒的反应速度连续，只要帧率高于16帧每秒。条件仅仅高于16帧，并且在理论上可能比16帧更高的任意数目，为什么确定为24帧。 　　 　　高速的沉默片|图源：《都市之光》卓别林 　　在无声电影时代，无论是手摇式还是电力驱动的投影仪，放映员都设定了播放速度。由于各种各样的原因，到1920年，大部分的电影都在14~18帧每秒播放。随着时间的推移，平均速度逐渐上升，在有声电影时期使用24帧，成为有声电影业界的规范。这个时期，24帧以上的速度偶尔出现在彩色电影实验和电影爱好者的装置中。 　　 　　高速的沉默片|图源：《都市之光》卓别林 　　无声电影的速度各不相同，主流是16帧。这也是因为在24帧的设备上播放16帧的源文件，所以很多老电影今天看起来很“快”的原因。之后，Vitaphone系统登场，在这个系统中，16英寸的唱片以33/3转1分钟播放11分钟的电影正好是24帧每秒。此后，各制作室对导演施加压力，使其拍摄24帧的电影，从而能够通过Vitaphone系统制作声音电影。 　　24这个数字在技术上也具有一定的优势--与音频采样率兼容（44.1khz和d48）khz@24 hz=1838 1/2 and 2000 samples per frame);是容易处理的复数（2^3*3）。这可能说明了24帧被广泛接受，作为行业规范至今为止保留的理由。 　　也就是说，“The history of 24fps is all about sound”——24帧的历史实际上是关于声音的历史。 　　 　　最后，让我们来揭开开头的“漫舞”的秘密吧。答案是光和运动的精心编排。隐藏在木制框架边缘的LED灯以每秒76～84次的频率闪烁，以超过视觉感知（人类眼睛的光频率的感知上限，即“临界闪烁频率”约60赫兹）的速度闪烁。同时，框架底部的电磁马达以80Hz的频率振动夹着的物体——羽毛、树叶、花等。 　　闪烁的照明照在摇晃中的物体上，其频率和物体的振动频率正好有0～4赫兹的频率差。频率一致的话，因为存在“闪光效果”，所以物体看起来完全不移动。举一个雪白的小例子，“闪光液滴”：用普通的照相机观察水滴的下落，与在现实世界中看到的没有变化，但是如果照相机的快门频率与水滴的落下频率一致，则记录水滴浮在空中的奇妙情景。 　　 　　我让雨的水滴静止！图源：《惊天魔盗团2》 　　 　　水滴不仅可以静止，也可以逆流。com 　　相反，如果照明在物体运动轨迹不同的位置简短地照射物体，那么各个照明活动就会变成闪光摄影照片。但是，按快门的频率如此之高，你的大脑不是独立的图像，而是连续的电影，物体会移动。视觉是暂时产生的，类似运动现象是连续的。灯光和振动的频率差下降到0的话，物体看起来是静止的。熄灭闪烁的灯光，物体就会急速颤抖。因为只有0~4赫兹的小频率差使物体慢慢变化，与现实世界的风吹草不同，看起来很柔软。 　　 　　Slow Dance |来源：https://www.nickolaspeter.com/slow-dance 　　我知道，正如许多令人惊讶的魔术一样，“漫舞”的动作原理并不能削弱其美感。通过利物曼的镜框看物体的话，好像在窥视着不出现在世间的慢的世界。突然，你会看到翅膀前端的弯曲。植物好像有别的生命力。因为你可以清楚地抓住那些瞬间的移动。利物曼希望他的创作能够延缓人们的步伐。“作为大人，我们渐渐对‘神秘’失去兴趣，‘漫舞’真的进入了好奇心的状态”。 　　 　　Slow Dance |来源：https://www.nickolaspeter.com/slow-dance 　　视觉的保留是人体机制的一种局限，但正是这种“缺陷”给技术留下了空间，使人类的好奇心和想象有机会填补这个框架和框架之间的空白，使之创造出精彩的视觉艺术。 　　 　　转载内容只代表作者的观点 　　不代表中科院物理所的立场 　　出典：科学艺术研究中心 　　编辑剪辑：Parthurnax Parthurnax