Эффект колеса телеги
Эффект колеса повозки (также называемый эффектом колеса дилижанса ) — это оптическая иллюзия , при которой со спицами , что колесо кажется вращается не так, как на самом деле. Может показаться, что колесо вращается медленнее, чем на самом деле, оно может казаться неподвижным или вращаться в направлении, противоположном истинному вращению ( эффект обратного вращения ).
Эффект колеса телеги чаще всего можно увидеть в кино или телевизионных изображениях дилижансов или повозок в западных фильмах , хотя записи любого вращающегося объекта с регулярными спицами могут показать его, например, роторы вертолетов , самолетов пропеллеры и автомобильные диски . В этих записанных носителях эффект является результатом временного сглаживания . [1] Это также часто можно увидеть, когда вращающееся колесо освещается мерцающим светом. Эти формы эффекта известны как стробоскопические эффекты : исходное плавное вращение колеса видно лишь периодически. Вариант эффекта колеса телеги также можно увидеть при постоянном освещении.
В стробоскопических условиях
[ редактировать ]
Стробоскопические условия обеспечивают, что видимость вращающегося колеса разбивается на ряд коротких эпизодов, в которых его движение либо отсутствует (в случае кинокамер ), либо минимально (в случае стробоскопов), прерываясь более длительными эпизодами невидимости. Бывшие эпизоды принято называть кадрами . Аналоговая кинокамера, записывающая изображения на пленку, обычно работает со скоростью 24 кадра в секунду, тогда как 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. чересстрочная развертка ). Поведение затвора камеры влияет на наложение спектров, поскольку общая форма экспозиции с течением времени определяет ограничение полосы пропускания системы перед выборкой, что является важным фактором наложения изображений. К камере можно применить фильтр временного сглаживания, чтобы добиться лучшего ограничения полосы пропускания и уменьшить эффект колеса телеги. [2]
Частота стробоскопа обычно может быть установлена на любое значение. Искусственное освещение, которое модулируется по времени при питании от переменного тока , например, газоразрядные лампы (включая неоновые , ртутные , пары натрия и люминесцентные лампы), мерцает с частотой, вдвое превышающей частоту линии электропередачи (например, 100 раз в секунду на 50°С). -линия цикла). В каждом цикле тока мощность дважды достигает максимума (один раз при положительном напряжении и один раз при отрицательном напряжении) и дважды падает до нуля, соответственно изменяется светоотдача. Во всех этих случаях человек видит вращающееся колесо в стробоскопических условиях.
Представьте, что истинное вращение четырехспицевого колеса происходит по часовой стрелке . [3] Первый случай видимости колеса может произойти, когда одна спица находится в положении «12 часов». Если к тому времени, когда произойдет следующий момент видимости, спица, находившаяся ранее в положении «9 часов», переместится в положение «12 часов», то зритель воспримет колесо как неподвижное. Если во второй момент видимости следующая спица переместилась в положение 11:30, то зритель почувствует, что колесо вращается назад. Если во второй момент видимости следующая спица переместилась в положение 12:30, то зритель почувствует, что колесо вращается вперед, хотя и медленнее, чем колесо вращается на самом деле. Эффект основан на свойстве восприятия движения , называемом бета-движением : движение наблюдается между двумя объектами, находящимися в разных положениях в поле зрения в разное время, при условии, что объекты похожи (что справедливо для колес со спицами — каждая спица по существу идентична другим). и обеспечение близости объектов (что верно для исходной спицы на 9 часов во второй момент - она ближе к 12 часам, чем исходная спица на 12 часов).
Финли, Додуэлл и Каэлли (1984 г.) [4] ) и Финли и Додуэлл (1987). [5] ) изучали восприятие вращающихся колес при стробоскопическом освещении, когда продолжительность каждого кадра была достаточно велика, чтобы наблюдатели могли увидеть реальное вращение. Несмотря на это, в направлении вращения преобладал эффект колеса телеги. Финлей и Додвелл (1987) утверждали, что существуют некоторые критические различия между эффектом колеса телеги и бета-движением, но их аргументы не нарушили консенсуса.
Эффект колеса вагона используется в некоторых инженерных задачах, таких как регулировка времени работы двигателя. Это также сделано в некоторых проигрывателях для виниловых пластинок. Поскольку высота тона воспроизведения музыки зависит от скорости вращения, в этих моделях на боковой стороне вращающегося диска имеется регулярная маркировка. Периодичность этих отметок откалибрована таким образом, что при местной частоте сети (50 Гц или 60 Гц), когда скорость вращения достигает точно желаемой скорости 33 + 1/3 об/мин, они кажутся статичными.
При постоянном освещении
[ редактировать ]Эффективное стробоскопическое представление за счет вибрации глаз
[ редактировать ]Раштон (1967) [6] ) наблюдал эффект колеса телеги при постоянном освещении и гудении . Гудение вызывает вибрацию глаз в глазницах, эффективно создавая стробоскопические условия внутри глаза. Гудя с частотой, кратной частоте вращения, он смог остановить вращение. Гудя на немного более высоких и более низких частотах, он смог медленно реверсировать вращение и заставить вращение медленно идти в направлении вращения. Подобный стробоскопический эффект теперь часто наблюдается у людей, которые едят хрустящую пищу, например морковь, во время просмотра телевизора: изображение кажется мерцающим. [7] Хруст вызывает вибрацию глаз с частотой, 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.
Действительно непрерывное освещение
[ редактировать ]Первым, кто наблюдал эффект колеса телеги при действительно непрерывном освещении (например, солнечном), был Схоутен (1967). [8] ). Он выделил три формы субъективной стробоскопии , которые он назвал альфа, бета и гамма: альфа-стробоскопия происходит с частотой 8–12 циклов в секунду; колесо кажется неподвижным, хотя «некоторые сектора [спицы] выглядят так, как будто совершают бег с препятствиями над стоящими» (с. 48). Бета-стробоскопия происходит с частотой 30–35 циклов в секунду: «Четкость рисунка почти исчезла. Временами наблюдается определенное встречное вращение серовато-полосатого рисунка» (стр. 48–49). Гамма-стробоскопия происходит со скоростью 40–100 циклов в секунду: «Диск кажется почти однородным, за исключением того, что на всех частотах секторов виден стоячий сероватый узор… в дрожащем состоянии покоя» (стр. 49–50). Схоутен интерпретировал бета-стробоскопию, обратное вращение, как согласующуюся с наличием детекторов Райхардта в зрительной системе человека для кодирования движения. Поскольку узоры колес со спицами, которые он использовал (радиальные решетки), являются регулярными, они могут сильно стимулировать детекторы истинного вращения, но также слабо стимулировать детекторы обратного вращения.
Существуют две общие теории эффекта колеса телеги при действительно непрерывном освещении. Во-первых, зрительное восприятие человека состоит из серии неподвижных кадров визуальной сцены, и движение воспринимается во многом как в кино. Вторая — это теория Схоутена: движущиеся изображения обрабатываются визуальными детекторами, чувствительными к истинному движению, а также детекторами, чувствительными к движению, противоположному временному сглаживанию. Есть доказательства в пользу обеих теорий, но масса доказательств говорит в пользу последней.
Теория дискретных фреймов
[ редактировать ]Первс, Пайдарфар и Эндрюс (1996 г.) [9] ) предложил теорию дискретных фреймов. Одно из доказательств этой теории получено от Дюбуа и ВанРуллена (2011). [10] ). Они рассмотрели опыт потребителей ЛСД , которые часто сообщают, что под воздействием наркотика движущийся объект тянет за собой серию неподвижных изображений. Они просили таких потребителей сопоставить свой опыт употребления наркотиков с фильмами, имитирующими такие тянущиеся изображения, которые они смотрели, когда не находились под наркотиком. Они обнаружили, что пользователи выбирали фильмы с частотой 15–20 Гц. Это находится между альфа- и бета-ставками Схоутена.
Теория временного псевдонимов
[ редактировать ]Клайн, Холкомб и Иглман (2004 г.) [11] ) 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 примерно 30 секунд до 10 минут для некоторых наблюдателей). Они также показали, что случаи обратного вращения были независимы в разных частях поля зрения. Это несовместимо с дискретными кадрами, охватывающими всю визуальную сцену. Клайн, Холкомб и Иглман (2006 г.) [12] ) также показало, 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 сжатие круговой решетки так, чтобы иметь ту же временную частоту, что и радиальная решетка. Это несовместимо с дискретными кадрами, охватывающими локальные части визуальной сцены. Клайн и др. пришел к выводу, что обратные вращения согласуются с детекторами Райхардта, поскольку обратное направление вращения становится достаточно активным, чтобы доминировать в восприятии истинного вращения в форме соперничества . Длительное время, необходимое для того, чтобы увидеть обратное вращение, предполагает, что нейронная адаптация детекторов, реагирующих на истинное вращение, должна произойти, прежде чем слабостимулированные детекторы обратного вращения смогут внести свой вклад в восприятие.
Некоторые небольшие сомнения относительно результатов Kline et al. (2004) поддерживают приверженцев теории дискретной системы отсчета. Эти сомнения включают в себя обнаружение Клайном и др. у некоторых наблюдателей большего количества случаев одновременных инверсий из разных частей зрительного поля, чем можно было бы ожидать случайно, а также обнаружение у некоторых наблюдателей различий в распределении длительности инверсий от ожидаемого чистый процесс соперничества (Рохас, Кармона-Фонтен, Лопес-Кальдерон и Абоитис, 2006 г.) [13] ).
В 2008 году Клайн и Иглман продемонстрировали, что иллюзорные развороты двух пространственно перекрывающихся движений могут восприниматься отдельно, предоставив дополнительные доказательства того, что иллюзорный разворот движения не вызван временной выборкой. [14] Они также показали, что иллюзорное разворот движения происходит при неоднородных и непериодических стимулах (например, вращающейся ленте наждачной бумаги), что также несовместимо с дискретной выборкой. Вместо этого Клайн и Иглман предположили, что эффект возникает в результате «движения во время эффекта», что означает, что последействие движения накладывается на реальное движение.
Опасности
[ редактировать ]Этот эффект может сделать работу некоторых вращающихся машин, таких как токарные станки , опасными при искусственном освещении, поскольку на определенных скоростях машины будут ложно казаться остановленными или движущимися медленно. По этой причине рекомендуется избегать однофазного освещения в мастерских и на фабриках. Например, на заводе, который освещается от однофазной сети обычным люминесцентным освещением, будет наблюдаться мерцание с частотой, вдвое превышающей частоту сети, либо с частотой 100, либо с частотой 120 Гц (в зависимости от страны); таким образом, любое оборудование, вращающееся с частотой, кратной этой частоте, может показаться не вращающимся. [ нужна ссылка ]
Поскольку наиболее распространенные типы двигателей переменного тока привязаны к частоте сети, это может представлять значительную опасность для операторов токарных станков и другого вращающегося оборудования. [ нужна ссылка ]
Решения включают в себя подключение освещения к полному трехфазному источнику питания или использование высокочастотных контроллеров, которые управляют освещением на более безопасных частотах. [15] Традиционные лампы накаливания, в которых используются нити накаливания, которые светятся непрерывно с незначительной модуляцией, также предлагают другой вариант, хотя и за счет увеличения энергопотребления. Лампы накаливания меньшего размера можно использовать в качестве рабочего освещения на оборудовании, чтобы помочь бороться с этим эффектом и избежать затрат на эксплуатацию большего количества ламп накаливания в мастерской. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Техническое объяснение временного фильтра» . ООО "Тессив" . Проверено 13 сентября 2011 г.
- ^ Тессив, ООО (2010). «Техническое объяснение временного фильтра»
- ^ Максим, руководство 928, Основы фильтрации: сглаживание http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/928
- ^ Финли, диджей; Додуэлл, ПК и Каэлли, ТМ (1984). «Эффект колеса телеги». Восприятие . 13 (3): 237–248. дои : 10.1068/p130237 . ПМИД 6514509 . S2CID 21768829 .
- ^ Финли Д., Додуэлл П. (1987). «Скорость видимого движения и эффект колеса телеги» . Перцепт Психофизика . 41 (1): 29–34. дои : 10.3758/BF03208210 . ПМИД 3822741 .
- ^ Раштон В. (1967). «Влияние жужжания на зрение». Природа . 216 (121): 1173–1175. Бибкод : 1967Natur.216.1173R . дои : 10.1038/2161173a0 . ПМИД 4294734 . S2CID 4157312 .
- ^ Адамс С. (10 января 1992 г.). «Можно ли, играя со Слинки, переключать каналы на телевизоре?» .
- ^ Схоутен, Дж. Ф. (1967). Субъективная стробоскопия и модель зрительных детекторов движения. В книге И. Уотен-Данн (ред.), Модели восприятия речи и визуальных форм (стр. 44–55). Кембридж, Массачусетс: MIT Press.
- ^ Первс Д., Пайдарфар Дж., Эндрюс Т. (1996). «Иллюзия колеса телеги в кино и реальности» . Proc Natl Acad Sci США . 93 (8): 3693–3697. Бибкод : 1996PNAS...93.3693P . дои : 10.1073/pnas.93.8.3693 . ПМК 39674 . ПМИД 8622999 .
- ^ Дюбуа, Дж. ВанРуллен Р. (2011). «Визуальные тропы: двери восприятия периодически открываются?» . ПЛОС Биология . 9 (5): e1001056. дои : 10.1371/journal.pbio.1001056 . ПМК 3091843 . ПМИД 21572989 .
- ^ Клайн К., Холкомб А., Иглман Д. (2004). «Иллюзорное изменение направления движения вызвано соперничеством, а не перцептивными снимками зрительного поля». Видение Рез . 44 (23): 2653–2658. дои : 10.1016/j.visres.2004.05.030 . ПМИД 15358060 . S2CID 247115 .
- ^ Клайн К., Холкомб А., Иглман Д. (2006). «Иллюзорное разворот движения не предполагает дискретной обработки: ответ Рохасу и др.». Видение Рез . 46 (6–7): 1158–1159. дои : 10.1016/j.visres.2005.08.021 . S2CID 5545779 .
- ^ Рохас Д., Кармона-Фонтейн С., Лопес-Кальдерон Дж., Абойтис Ф. (2006). «Сосуществуют ли дискретность и соперничество в иллюзорных разворотах движения?». Видение Рез . 46 (6–7): 1155–1157, ответ автора 1158–1159. дои : 10.1016/j.visres.2005.07.023 . ПМИД 16139861 . S2CID 16420040 .
- ^ Клайн К.А., Иглман Д.М. (2008). «Доказательства против гипотезы моментального снимка иллюзорного разворота движения» . Журнал видения . 8 (4): 1–5. дои : 10.1167/8.4.13 . ПМЦ 2856842 . ПМИД 18484852 .
- ^ Кроншоу, Джефф (осень 2008 г.), «Светильники и осветительные установки Раздела 559: обзор» (PDF) , Вопросы проводки (28), IET: 4