雨滴静止，甚至还能向上流？是你的眼睛“被骗了”

来源 | 科学艺术研究中心（ID：Art_And_Science）

作者 | Chelle

Slow Dance｜https://www.nickolaspeter.com/slow-dance

画框中的羽毛像是在“慢动作”运动。但事实上，它运动得相当快——在加入一些光照和震动设计后，由于人类的视觉感知存在极限，使得它似乎正以一种令人难以置信的慵懒节奏摇曳生姿。

Slow Dance｜https://www.nickolaspeter.com/slow-dance

你看明白了吗？如果不明白也没关系。装置的设计师杰夫·利伯曼（Jeff Lieberman）说：“当你眼前的东西与你对现实的理解存在冲突时，困惑产生了。”作为探索 Discover 频道节目 Time Warp 的主持人，利伯曼使用高速摄像机来解构子弹发射、芭蕾舞和爆炸等运动过程包含的物理学。利伯曼把他最新的装置称为“漫舞”。在众筹平台 Kickstarter 上，他将其描述为 “一个能放慢时间的画框”。

事实上，“漫舞 ”的机制出奇简单，但巧妙得令人难以察觉。利伯曼说：“一旦你选择直接了解它的工作原理，就会永远失去探索和揭秘的乐趣。”但如果你真的迫切想要了解，利伯曼建议你多花一些时间来弄清楚它。

“走马灯，灯走马”与“魔灯镜影”

为揭晓“漫舞”的秘密，你可能需要先补充一个概念——视觉暂留。

“走马灯，灯马走，灯熄马停步。”｜钱江晚报

其实“视觉暂留”原理早在中国古代就被应用于民艺“走马灯”中。南宋周密在《武林旧事》中记载“若沙戏影灯，马骑人物，旋转如飞”，说的就是这种特殊的灯笼。

走马灯结构及原理｜科普中国

走马灯的原理是在一纸灯笼中插入一根铁丝作为立轴，轴上方为叶轮，剪纸小人用铁丝绕轴固定。当灯笼底部蜡烛点燃，被加热的空气上升形成对流，气流使叶轮转动并带动了轴以及小人转动。人影投在灯笼外部，便形成了人马追逐、物换景移的影像。

“魔术幻灯”原理｜《Ars Magna Lucis et Umbrae》阿塔纳修斯·基歇尔

“魔术幻灯”展现“幻像”｜M Plus

17世纪遥远的西方，欧洲人也发明了一种早期幻灯机，并开始以幻灯片展示“幻像”与“神迹”，那时的它被称为魔术幻灯（Magic Lantern）——通过透镜组合快速地将手绘的图像投射到某个位置，形成视觉暂留。那么视觉暂留背后的原理到底是什么呢？

视觉实际上是从眼睛的晶状体成像，视锥细胞感光，并且将光信号转换为神经电流传回大脑的一整个过程。视神经的反应需要约1/16秒的时间，且针对不同频率的光反应时间会有一定差别。视神经的反应时长造成了视觉图像在大脑中的滞后现象，被称为“视觉暂留”或“正片后像”。

费纳奇镜｜Dick Balzers Website Phenakistascopes

费纳奇镜｜thisiscolossal.com

这个现象是由比利时物理学家尤瑟夫·普拉托（Joseph Plateau）1835年在观察太阳的实验中发现的，他根据这个现象发明了证明这种人体生理特征的“费纳奇镜”，而他自己也因为这次观察（直视太阳长达25秒）而导致双目失明，但太阳的影子永远地印在了他的眼睛里。

费纳奇镜｜The Richard Balzer Collection

眼见为虚

1825年，英国的约翰·帕里斯博士发明的“幻盘”一直被认为是电影成像的起源，而理论上视觉暂留现象只能让我们看到鸟与笼子重叠的静态画面，那又是什么令我们“看见”了“鸟飞进笼子”这个并不存在的动作？

“幻盘”｜《断头谷》

视觉暂留会让图像在人的脑海中持续0.1-0.4秒，但是当以大于这个时长范围的间隔播放动图时，我们却依然会觉得图像形成了连续的动作。对于这种并未产生运动，我们却知觉到了运动的情况，德国实验心理学家韦特海默称其为似动现象（phiphenomenon）。似动现象为人类的运动视觉感知提供了心理学解释，也是格式塔心理学的开端。格式塔学派主张人脑的运作原理属于整体论，“整体不同于其部件的总和”。格式塔是德文Gestalt的译音，意即“模式、形状、形式”等，意思是指“动态的整体（dynamic wholes）”。

格式塔原理｜图源：Wiki

插播：一个持续百年的误解

一个误解——“电影二十四帧每秒是由人类视觉暂留的现象所决定的”。如果帧率标准仅源于“视觉暂留”，那么基于视神经1/16秒的反应速度，只要帧率高于16帧每秒，图像就应当是连续的。条件是仅高于16帧，那么理论上高于16帧的任意数都可行，为何定在24帧？

图 | 《天堂电影院》

在静默片时代，不管是手摇式还是电力驱动的放映机，都是由放映员设置播放速度的。由于种种因素，在1920年前大部分电影在14~18帧每秒播放。随着时间的推移平均速度逐渐上升，到了有声电影时期大家都用24帧，而这成为了有声电影行业的规范。在这一时期，高于或低于24帧的速率在彩色电影实验和电影爱好者的设备中偶有出现。

快速的默片｜图源：《城市之光》卓别林

静默片的速率各不相同，主流是16帧。这也是为什么很多老片今天看起来“很快” ——因为我们用24帧的设备来播放16帧的片源。后来出现了 Vitaphone 系统，在这一系统中，16 英寸的唱片在 33 1/3 转每分钟的速率播放 11 分钟的电影正好是 24 帧每秒。后来各个制作室就给导演施压拍摄24帧的影片，这样就可以用Vitaphone 系统制作有声影片了。

24这个数字在技术上也具备一定优越性——和音频的采样率兼容 (44.1khz and 48khz @ 24hz = 1838 1⁄2 and 2000 samples per frame) ；是一个容易处理的复数（2^3*3）。这或许解释了为什么24帧得到了广泛的接受，并作为行业规范保留至今。

也就是说“The history of 24fps is all about sound”——24帧的历史其实是关于声音的历史。

美好的缺陷

最后，让我们揭开文章开头“漫舞”的秘密——答案是对光线和运动的精心编排。隐藏在木质框架边缘的LED灯以每秒76至84次的频率闪烁，速度快到超越你的视觉感知（人眼对光频率的感知上限，即“临界闪烁频率”约在60赫兹）。同时，框架底部的电磁马达以80赫兹的频率振动其夹持的物体——羽毛、树叶、花朵等。

闪烁的灯光照亮晃动中的物体，其频率与物体的振动频率正好存在0～4赫兹的频率差。如果频率一致，由于存在“频闪效应”，物体看上去根本就不会移动。举个直白的小例子——“频闪液滴”：当你用普通摄像机观察水滴下落，它与你在现实世界看到的并无不同，但如果你将摄像机快门频率调整到与水滴下落频率一致，你将记录到水滴悬浮在空中的奇妙景象。

“我要让雨滴静止！”｜图源：《惊天魔盗团2》

水滴不但能静止，甚至可以倒流｜gfycat.com

相反，灯光在物体运动轨迹的不同位置上短暂地照亮了物体，那么每个照明事件就像一张频闪摄影照片——但快门按下的频率如此之高，以至于你的大脑将其视为连续的影片，而不是独立的一幅幅图像，物体因此动了起来。视觉暂留令其产生，似动现象让其连续。当灯光与振动的频率差降至0时，物体看上去将是静止的；关掉闪烁的灯光，物体将会飞速抖动起来。正是因为这仅仅0～4赫兹的小频率差使物体看上去变幻缓慢，与真实世界的风吹草动不同，显得曼妙轻柔。

Slow Dance｜https://www.nickolaspeter.com/slow-dance

像许多令人惊奇的魔术一样，知道 “漫舞”的工作原理并不能削弱它的美妙。通过利伯曼的画框看物体，就像在窥视一个不世出的慢速世界。突然间，你可以看到羽毛尾端的弯曲；植物仿佛拥有了另一种生命力，因为你可以清晰抓住它们每一刻的移动。利伯曼希望他的创作能帮助人们放慢自己的脚步，哪怕只是一瞬间。“作为成年人，我们逐渐对‘神秘’失去兴致，而‘漫舞’真的能让人进入一种好奇的状态。”

Slow Dance｜https://www.nickolaspeter.com/slow-dance

视觉暂留是人体机制的一种局限，但也正是这样的“缺陷”给技术留出了空间，让人类的好奇与想象有机会填补上这帧与帧之间的空白，创造出美妙的视觉艺术。

参考文献

[1] https://bea.st/slow-dance

[2]https://www.wired.com/2016/08/slow-motion-machine-stunning-almost-dont-want-tell-works/

[3] https://www.nickolaspeter.com/slow-dance

[4] https://www.youtube.com/watch?v=fRTvzMzKEaU

[5] http://www.iqh.net.cn/info.asp?column_id=12849

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Stroboscopic_effect

[7]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BA%A6%E7%91%9F%E5%A4%AB%C2%B7%E6%99%AE%E6%8B%89%E6%89%98

[8]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%BC%E5%BC%8F%E5%A1%94%E5%AD%A6%E6%B4%BE

[9]https://baike.baidu.com/item/%E9%A2%91%E9%97%AA%E6%91%84%E5%BD%B1/10343759

[10] https://zhuanlan.zhihu.com/p/23527927

[11] https://www.quora.com/What-is-the-origin-of-24-fps

[12] Nowell-Smith, Geoffrey. The Oxford history of world cinema. Oxford University Press, 1997.

本文经授权转载自科学艺术研究中心（ID：Art_And_Science），原标题为《“漫舞”不慢，是你的眼睛没能跟上》，如需二次转载请联系原作者。

欢迎转发到朋友圈。