運動的“點”與“線”,竟然能產生錯覺???_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2020-02-16 16:57
又到週日了,這周小編依然在家勤勤懇懇地科(摸)研(魚)。只不過有時(大部分時間)會網上衝浪(找沙雕圖)一陣子。於是乎就發現了下面這個有趣的動圖。

圖1:正常速度版
你看到的是兩個點在水平還是豎直振盪?還是兩個點在順時針或者逆時針地旋轉?又或者是兩個對角線的點在互相閃爍?還是其他的情況呢?
麻省理工學院甚至是給出了一些查看gif的説明:

水平方向振盪 [1]

豎直方向振盪 [1]
1:首先選擇上圖中兩個圖的任意一個,然後確保你看到這些點確實是在水平/豎直方向跳躍。
2:盯着圓點數到10。

模稜兩可的四重奏 [1]
3:然後不要移開眼睛,看上圖‘模稜兩可的四重奏’。[1]
此時你會看到“四重奏”看起來是沿着與你一開始相反的方向—豎直/水平跳躍的。或者你凝視“四重奏”兩分鐘,它一會兒水平振盪、一會豎直振盪,甚至還有可能旋轉?這是為什麼呢?

為什麼不問問神奇海螺呢?
車輪效應
Wagon-wheel effect
上面的gif僅僅顯示四個閃爍的點,而點的閃爍恰恰會使你的大腦感到困惑,會自認為看到的是不同類型的運動。

企圖通過活動手掌減肥的小編在運動
對於這種混亂,一般要歸咎於頻閃效應。這是一種現象,是你觀看一系列靜止的圖像時產生運動的錯覺。基於眨眼或者頻閃的速率,我們的大腦可能會將點的閃爍感知為運動的不同階段(比如左右橫跳或者旋轉等)。我們就會覺得兩點之間在運動,雖然事實上根本沒有運動發生。[2]
比如頻閃液滴就是一個很通俗的例子。一個類似滴漏的裝置會在相同時間內滴下一滴液體。如果此時是在普通攝像機下觀察,這就是一個很普通的滴漏。但是如果你用將攝像機快門頻率與滴漏頻率相同時拍攝的話,你在相機中看到的液滴就好像一直沒有下落,懸浮在半空中一樣。

彷彿不動的螺旋槳 來源:wiki
儘管車輪一般不可能每秒24轉轉動,但是如果車輪有12個輻條,每秒轉兩圈的話。這時以每秒24幀的速度進行拍攝,每幀中的輻條將會出現在完全相同的位置。看上去車輪就是完全靜止的了。

看電影
如果輪子的旋轉速度稍微慢一點,你就會看到輻條在每個連續的幀中向後傾斜,輪子看上去就是在向後旋轉。
運動的點可能會產生錯覺,那運動的線(面)呢?答案當然也是肯定的,比如好玩的貝漢圓盤(Benham’s disk)也會讓你產生錯覺,只不過此時不是運動的錯覺,而是對於顏色的錯覺。
旋轉的圓盤
Spinning disk
無論你怎麼旋轉一張黑色、白色混合的紙,它都會保持黑白顏色不變嗎?小編既然這麼問了,那答案當然是不會不變。一百年來,大家都被一種黑白圓盤所困擾,因為它雖然是黑色和白色混合顏色的,但是當它在旋轉的時候竟然會變色。有時候是紅色、藍色、黃色、綠色甚至是紫色。
貝漢圓盤 圖片來源:wiki
貝漢圓盤錯覺其實已經存在很長一段時間了。1895年,一個名叫查爾斯·貝漢(Charles Benham)的業餘科學家和發明家將他的特殊圓盤作為兒童玩具開始出售。[3] 該圓盤的一半被塗成黑色,而另一半則是白色背景,將其沿着直徑方向分為四個部分,並在每個部分上面繪製了多個45度的同心圓弧。旋轉圓盤,顏色就會出現在圓圈中。他們會根據速度和方向的變化而變化。
下圖很閃,請注意護眼並緊張的往下看

旋轉的貝漢圓盤 來源:YouTube
即使是在一百多年後的今天,圓盤的形狀和角度可以做的非常精確。然而,目前為止似乎還沒有人真正知道這種錯覺是如何產生的。在一篇《Nature》論文中寫道:“這些現象的起因似乎並未得到確切解決。” [4] 換句話説,你找到一個很有趣的現象,即使解釋不了,也能發一篇《Nature》(逃)。該現象今天依然吸引着我們去探索和討論,所以,你能想象1895年大家看到這個現象時會覺得這是多麼神奇的事情嘛。
利用貝漢原理製作的陀螺儀
貝漢似乎很擅長推銷這種玩具,但是他並不是第一個注意到這種錯覺的人。在貝漢圓盤問世的前幾年,古斯塔夫·費希納(Gustav Fechner)和赫爾曼·馮·亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz)就發現:旋轉的黑白圓盤可以顯示出其他顏色。這種當觀察某些快速變化或者移動的黑白圖案時看到的色彩錯覺,被稱為費納希色彩效應。
這是什麼原因呢?
What is the reason for this?
雖然我們現在可能還不太確定貝漢圓盤中額外的顏色是怎麼產生的,其中的原理是怎麼樣的。但是科學家確實有基於我們的眼睛是如何感知圖像的理論。一般來説,我們的視網膜有兩種不同類型的接受光的受體:視錐細胞與視杆細胞。視錐細胞主要負責的其實是我們感知到的彩色視覺與強光視覺。視杆細胞可以幫助我們在弱光下看到事物,並且以單色感知事物。
三種不同的視錐細胞
一共有三種不同類型的視錐細胞:一種對藍色敏感,一種對綠色敏感,另一種對紅色敏感,也就是對我們常説的對三原色(RGB)敏感。視錐細胞會根據不同的速度和不同的時間分別作出相應的響應。比如藍色視錐細胞需要很長時間才會響應,但是它保持響應的時間要比綠色和紅色視錐細胞長。[5]
下圖很閃,請注意護眼並緊張的往下看

另一種形狀的貝漢圓盤 來源:YouTube
旋轉的貝漢圓盤有可能以交替的方式激活不同的視錐細胞和視杆細胞。當你僅觀察圓盤上的一個位置的時候,你會看到白色的閃爍(激活視網膜中所有的視錐細胞)和黑色閃爍(激活了視杆細胞)。由於某些視錐細胞的響應速度比其他視錐細胞快,並且閃爍不斷,此時你的眼睛就可能錯誤的把這種閃爍視為不同的顏色。[6]
四個不斷閃爍的點就可以達到左右橫跳、旋轉的效果,而旋轉的以黑白色為底的貝漢圓盤竟然可以在視覺上感知到新的顏色,而且,雖然機制還沒有完全瞭解,但是也是可以發一篇《Nature》哦。

啓動網頁準備學習製作方法的小編
雖然解決這個難題有一定難度,但是,是不是可以在家做一個貝漢圓盤玩玩呢?
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部分圖片來源於網絡
參考文獻:
[4] Nature,1894:51:113-114