Эффект вагона-колеса - Wagon-wheel effect

Видео о пропеллер из Bombardier Q400 взят с цифровая камера Показывая эффект колеса вагона
Видео вращающегося бумажного диска с рисунком. На определенной скорости кажется, что спицы замедляются и вращаются в противоположных направлениях.

В эффект вагона-колеса (также называется эффект дилижанса или же стробоскопический эффект) является оптическая иллюзия в котором говорил колесо кажется, что вращается иначе, чем его истинное вращение. Может показаться, что колесо вращается медленнее, чем истинное вращение, оно может казаться неподвижным или вращается в направлении, противоположном истинному вращению. Эту последнюю форму эффекта иногда называют эффект обратного вращения.

Эффект вагона-колеса чаще всего проявляется в фильм или же телевидение изображения дилижансов или фургонов в Вестерны, хотя записи любого вращающегося объекта с регулярными голосами покажут это, например вертолет роторы, самолет пропеллеры и автомобильная реклама. На этих записанных носителях эффект является результатом временное алиасинг.[1] Это также часто можно увидеть, когда вращающееся колесо освещено мерцающим светом. Эти формы эффекта известны как стробоскопические эффекты: исходное плавное вращение колеса видно только с перебоями. Вариант эффекта колесного вагона также можно увидеть при непрерывном освещении.

В стробоскопических условиях

Основная статья: Стробоскопический эффект
Этот анимированный гифка демонстрирует эффект вагона-колеса. Скорость «камеры», движущейся вправо, постоянно увеличивается с той же скоростью, что и объекты, скользящие влево. В середине 24-секундного цикла объекты внезапно сдвигаются и направляются назад.

Стробоскопические условия гарантируют, что видимость вращающегося колеса разбивается на серию коротких эпизодов, в которых его движение либо отсутствует (в случае кинокамеры ) или минимальный (в случае стробоскопов), прерываемый более длинными эпизодами невидимости. Прежние эпизоды принято называть кадры. Аналоговая кинокамера, записывающая изображения на пленка обычно работает со скоростью 24 кадра в секунду, а цифровые кинокамеры работают со скоростью 25 кадров в секунду (PAL; европейские стандарты) или 29,97 кадров в секунду (NTSC; североамериканские стандарты). Стандартный телевизор работает со скоростью 59,94 или 50 изображений в секунду (видеокадр - это два отдельных изображения; см. переплетение ). В стробоскопе частота обычно может быть установлена ​​на любое значение. Искусственное освещение с временной модуляцией при питании от переменный ток, Такие как газоразрядные лампы (включая неон, Меркурий пар натрий пар и флуоресцентный трубки), мерцание в два раза больше частота линии электропередачи (например, 100 раз в секунду на линии с 50 циклами). В каждом цикле тока мощность достигает пика дважды (один раз с положительным Напряжение и один раз с отрицательным напряжением) и два раза переходит в ноль, и световой поток изменяется соответственно. Во всех этих случаях человек видит вращающееся колесо в стробоскопических условиях.

Представьте себе, что истинное вращение четырехспицевого колеса по часовой стрелке.[2] Первый случай видимости колеса может произойти, когда одна спица находится в положении «12 часов». Если к моменту следующего появления видимости спица, ранее находившаяся на отметке «9 часов», переместилась в положение «12 часов», то зритель будет воспринимать колесо как неподвижное. Если во втором случае видимости следующая спица переместилась в положение 11:30, то зритель будет воспринимать колесо как вращающееся назад. Если во втором случае видимости следующая спица переместилась в положение 12:30, то зритель будет воспринимать колесо как вращающееся вперед, хотя и медленнее, чем оно действительно вращается. Эффект зависит от восприятие движения свойство называется бета-движение: движение наблюдается между двумя объектами в разных положениях в поле зрения в разное время при условии, что объекты похожи (что верно для колес со спицами - каждая спица по существу идентична другим) и при условии, что объекты находятся близко (что верно для первоначально 9-часовая спица говорила во втором мгновении - она ​​ближе к 12-ти часам, чем первоначально 12-часовая спица).

Эффект вагона-колеса используется в некоторых инженерных задачах, таких как регулировка синхронизации двигателя. Тот же самый эффект может заставить вращающиеся машины, такие как токарные станки, опасно работать при искусственном освещении, потому что на определенных скоростях машины будут ложно казаться остановленными или движущимися медленно.

Финли, Додуэлл и Каелли (1984[3]) и Финли и Додуэлл (1987[4]) изучал восприятие вращающихся колес при стробоскопическом освещении, когда продолжительность каждого кадра была достаточно большой, чтобы наблюдатели могли увидеть реальное вращение. Несмотря на это, в направлении вращения доминировал эффект колеса вагона. Финли и Додвелл (1987) утверждали, что между эффектом колесного вагона и бета-движением есть некоторые важные различия, но их аргумент не нарушил консенсус.

При постоянном освещении

Эффективное стробоскопическое изображение за счет вибрации глаз

Раштон (1967)[5]) наблюдал эффект колеса вагона при непрерывном освещении, пока гудение. Гудение вызывает вибрацию глаз в глазницах, эффективно создавая стробоскопические условия внутри глаза. Гудя с частотой, кратной частоте вращения, он смог остановить вращение. Гудя на несколько более высоких и более низких частотах, он смог сделать вращение медленно реверсивным и заставить вращение идти медленно в направлении вращения. Подобный стробоскопический эффект сейчас обычно наблюдается у людей, которые едят хрустящую пищу, например, морковь, во время просмотра телевизора: кажется, что изображение мерцает.[6] Хруст заставляет глаза вибрировать с частотой кадров, кратной частоте кадров телевизора. Помимо вибрации глаз, эффект можно получить, наблюдая за колесами через вибрирующее зеркало. Зеркала заднего вида в вибрирующих автомобилях могут произвести такой эффект.

Поистине непрерывное освещение

Первым, кто наблюдал эффект колеса телеги при действительно непрерывном освещении (например, от солнца), был Schouten (1967).[7]). Он выделил три формы субъективная стробоскопия которые он назвал альфа, бета и гамма: альфа-стробоскопия происходит со скоростью 8–12 циклов в секунду; колесо кажется неподвижным, хотя «некоторые секторы [спицы] выглядят так, как будто они участвуют в гонке с препятствиями над стоящими» (стр. 48). Бета-стробоскопия происходит со скоростью 30–35 циклов в секунду: «Четкость рисунка почти исчезла. Иногда наблюдается определенное противовращение сероватого полосатого рисунка» (стр. 48–49). Гамма-стробоскопия выполняется со скоростью 40–100 циклов в секунду: «Диск выглядит почти однородным, за исключением того, что на всех частотах сектора виден стоячий сероватый узор ... в дрожащем состоянии »(стр. 49–50). Схоутен интерпретировал бета-стробоскопию, обратное вращение, как совместимое с тем, что Детекторы Reichardt в зрительной системе человека для кодирования движения. Поскольку использованные им формы колес со спицами (радиальные решетки) регулярны, они могут сильно стимулировать детекторы истинного вращения, но также слабо стимулировать детекторы обратного вращения.

Есть две общие теории эффекта колеса телеги при действительно непрерывном освещении. Во-первых, этот человек визуальное восприятие берет серию неподвижных кадров визуальной сцены, и это движение воспринимается во многом как фильм. Вторая - теория Схоутена: движущиеся изображения обрабатываются визуальными детекторами, чувствительными к истинному движению, а также детекторами, чувствительными к противоположному движению из-за временного наложения спектров. Есть свидетельства в пользу обеих теорий, но их масса свидетельствует в пользу последней.

Теория дискретных фреймов

Первес, Пайдарфар и Эндрюс (1996[8]) предложил теорию дискретных фреймов. Одно свидетельство в пользу этой теории поступило от Дюбуа и Ван Руллена (2011 г.[9]). Они рассмотрели опыт пользователей ЛСД которые часто сообщают, что под воздействием наркотика можно увидеть движущийся объект, за которым следует серия неподвижных изображений. Они попросили таких потребителей сопоставить их опыт употребления наркотиков с фильмами, имитирующими такие конечные изображения, которые они просматривали, когда они не находились под наркотиком. Они обнаружили, что пользователи выбирали фильмы в диапазоне 15–20 Гц. Это между альфа- и бета-рейтингами Схоутена.

Теория временного алиасинга

Клайн, Холкомб и Иглман (2004[10]) подтвердил наблюдение обратного вращения с равномерно расположенными точками на вращающемся барабане. Они назвали это «иллюзорным разворотом движения». Они показали, что это происходило только после длительного просмотра вращающегося дисплея (от 30 секунд до 10 минут для некоторых наблюдателей). Они также показали, что случаи обратного вращения были независимыми в разных частях поля зрения. Это несовместимо с дискретными кадрами, покрывающими всю визуальную сцену. Клайн, Холкомб и Иглман (2006[11]) также показали, что обратное вращение радиальной решетки в одной части поля зрения не зависит от наложенного ортогонального движения в той же части поля зрения. Ортогональное движение представляло собой сужающуюся круглую решетку, чтобы иметь такое же временная частота как радиальная решетка. Это несовместимо с дискретными кадрами, покрывающими локальные части визуальной сцены. Kline et al. пришли к выводу, что обратные вращения согласуются с детекторами Рейхардта, поскольку обратное направление вращения становится достаточно активным, чтобы доминировать над восприятием истинного вращения в форме соперничество. Долгое время, необходимое для того, чтобы увидеть обратное вращение, предполагает, что нейронная адаптация детекторов, реагирующих на истинное вращение, должно произойти до того, как слабо стимулированные детекторы обратного вращения смогут внести свой вклад в восприятие.

Некоторые небольшие сомнения по поводу результатов Kline et al. (2004) поддерживают сторонников теории дискретных фреймов. Эти сомнения включают в себя обнаружение у некоторых наблюдателей большего числа случаев одновременных инверсий из разных частей поля зрения, чем можно было бы ожидать случайно, и обнаружение у некоторых наблюдателей различий в распределении длительностей инверсий от ожидаемых чистый процесс соперничества (Rojas, Carmona-Fontaine, López-Calderón, & Aboitiz, 2006[12]).

В 2008 году Клайн и Иглман продемонстрировали, что иллюзорные развороты двух пространственно перекрывающихся движений можно воспринимать по отдельности, предоставив дополнительные доказательства того, что иллюзорное изменение движения не вызвано временной выборкой.[13] Они также показали, что иллюзорное реверсирование движения происходит с неоднородными и непериодическими стимулами (например, вращающейся лентой из наждачной бумаги), что также несовместимо с дискретной выборкой. Клайн и Иглман предложили вместо этого, что эффект является результатом «движения во время эффекта», что означает, что последействие движения накладывается на реальное движение.

Опасностей

Поскольку это может создать иллюзию движущегося оборудования, рекомендуется избегать однофазного освещения в мастерских и на заводах. Например, фабрика, которая освещается от однофазной сети с основным люминесцентным освещением, будет иметь мерцание, в два раза превышающее частоту сети, либо на 100, либо на 120 Гц (в зависимости от страны); таким образом, любой механизм, вращающийся с частотой, кратной этой частоте, может показаться, что он не вращается. Поскольку наиболее распространенные типы двигателей переменного тока привязаны к частоте сети, это может представлять значительную опасность для операторов токарных станков и другого вращающегося оборудования. Решения включают развертывание освещения на трехфазной сети или использование высокочастотных контроллеров, которые управляют светом на более безопасных частотах.[14] Традиционные лампы накаливания, в которых используются нити, которые непрерывно светятся с незначительной модуляцией, также предлагают другой вариант, хотя и за счет повышенного энергопотребления. Лампы накаливания меньшего размера можно использовать в качестве рабочего освещения на оборудовании, чтобы помочь бороться с этим эффектом, чтобы избежать затрат на эксплуатацию большего количества ламп накаливания в условиях мастерской.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Технические пояснения к фильтру времени". ООО Тессив. Получено 13 сентября 2011.
  2. ^ Максим, учебник 928, Основы фильтров: сглаживание http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/928
  3. ^ Finlay, D.J .; Dodwell, P.C. И Caelli, Т. (1984). «Эффект вагона-колеса». Восприятие. 13 (3): 237–248. Дои:10.1068 / п130237. PMID  6514509.
  4. ^ Финли Д., Додуэлл П. (1987). «Скорость видимого движения и эффект колеса телеги». Психофизическое восприятие. 41 (1): 29–34. Дои:10.3758 / BF03208210. PMID  3822741.
  5. ^ Раштон В. (1967). «Влияние гудения на зрение». Природа. 216 (121): 1173–1175. Дои:10.1038 / 2161173a0. PMID  4294734.
  6. ^ Адамс К. "Может ли игра с Slinky переключать каналы на вашем телевизоре?".
  7. ^ Схоутен, Дж. Ф. (1967). Субъективная стробоскопия и макет детекторов визуального движения. В I. Wathen-Dunn (Ed.), Модели восприятия речи и визуальных форм (стр. 44–55). Кембридж, Массачусетс: MIT Press.
  8. ^ Purves D, Paydarfar J, Andrews T (1996). «Иллюзия колеса телеги в кино и реальности». Proc Natl Acad Sci U S A. 93 (8): 3693–3697. Дои:10.1073 / pnas.93.8.3693. ЧВК  39674. PMID  8622999.
  9. ^ Дюбуа, Дж. Ванруллен Р. (2011). «Визуальные следы: периодически открываются ли двери восприятия?». PLoS Биология. 9 (5): e1001056. Дои:10.1371 / journal.pbio.1001056. ЧВК  3091843. PMID  21572989.
  10. ^ Клайн К., Холкомб А., Иглман Д. (2004). «Иллюзорное изменение направления движения вызвано соперничеством, а не снимками восприятия поля зрения». Видение Res. 44 (23): 2653–2658. Дои:10.1016 / j.visres.2004.05.030. PMID  15358060.
  11. ^ Клайн К., Холкомб А., Иглман Д. (2006). «Иллюзорное изменение направления движения не подразумевает дискретной обработки: ответ Рохасу и др.». Видение Res. 46 (6–7): 1158–1159. Дои:10.1016 / j.visres.2005.08.021.
  12. ^ Рохас Д., Кармона-Фонтейн С., Лопес-Кальдерон Дж., Абойтис Ф (2006). «Разве дискретность и соперничество сосуществуют в иллюзорных реверсах движения?». Видение Res. 46 (6–7): 1155–1157, ответ автора 1158–1159. Дои:10.1016 / j.visres.2005.07.023. PMID  16139861.
  13. ^ Клайн К.А., Иглман Д.М. (2008). «Свидетельства против гипотезы об иллюзорном развороте движения». Журнал видения. 8 (4): 1–5. Дои:10.1167/8.4.13. ЧВК  2856842. PMID  18484852.
  14. ^ Кроншоу, Джефф (осень 2008 г.), «Раздел 559« Светильники и осветительные установки: Обзор » (PDF), Электромонтажные вопросы, ИЭПП (28): 4

внешняя ссылка