光學魔法:《驚天魔盜團2》中,魔術師如何控制雨滴懸停?

【編者按】本文作者@看風景的蝸牛君，中科院光學工程博士。

最近《驚天魔盜團2》華麗上線，精彩的畫面讓大家大呼過癮，尤其對其中魔術師控制雨滴懸停的片段津津樂道。在魔術師的控制下，磅礴的雨滴瞬間懸停在空中，而隨著魔術師的手勢，雨滴甚至開始向上運動，令人驚嘆不已。

 

實際上，這並不是什麼魔法，而是利用光學原理在現實中可以復現出的情景。

要解釋這一現象，我們需要從運動視覺（Visual perception of motion）開始說起。運功視覺定義為對物體隨時間在空間運動（位移或變化）的視知覺。除了人類，很多動物也都有運動視覺，甚至有一些動物幾乎只存在運動視覺，例如青蛙。

科學研究中，我們將運動視覺分為以下三類：

1、 真實運動視覺，即現實中的物體的像以一定速度和方向在視網膜上連續改變位置。生活中絕大多數時刻，我們對運動物體的視覺反應都屬於這一類，它是連續的，因此存在絕對速度閾限，過低（例如鐘錶上時針）和過高（例如飛行的子彈）的速度人眼都無法感知。

2、 表觀似動視覺（Apparent Motion），即靜止的畫面在人眼視野中相繼呈現產生的視覺反應，這是因為人的視覺系統有視覺暫留的作用。例如下圖中交替出現的藍色斑點，會使人產生它正在左右移動的視覺體驗。

3、 運動視錯覺。這是一類非常特殊的運動視覺，因為此類型中，既沒有物體的真實運動，也沒有畫面的交替，例如下圖，前後移動會出現旋轉的視覺體驗。

 

研究發現，連續的真實運動與離散的表觀似動，儘管原始刺激不同，但卻能夠產生相同的運動視覺效果，因為運動視覺得基本刺激並不是現實的「速度」，而是與時間和空間有關的畫面信息。這一原理就是目前眾多顯示技術的基礎，即利用一幀一幀變化的畫面引起的表觀似動視覺，來模擬現實中物體的實際運動。最有代表性的就是電影膠片。

 

將畫面以每秒24幀以上的速度記錄下來，再回放出來，就能通過讓人產生連續的表觀似動視覺體驗。目前電影工業技術已經達到驚人的每秒120幀，畫面更加細膩生動。

要注意的是，由於表觀似動視覺效應中，運動不再是固有的物理刺激，因此交替出現的畫面中有相應的對應匹配法則，例如空間最相臨近的像素對應匹配法則：

下圖中左右兩個區域都是交替出現兩個白色圓形斑點，但是由於空間距離遠近不同，左圖區域會令人產生斑點左右運動的感覺，而右側區域則會令人產生上下運動的感覺。

 

更進一步，在下圖中交替出現的兩幅圖有很多黑色斑點，位置經過計算和設計。由於空間最相臨近的像素對應匹配，第一幅圖中的黑色斑點會與第二幅圖中的斑點找到一一對應的關係，交替出現就會產生整體畫面晃動的感覺。

 

除了空間最相臨近的像素對應匹配，還有形狀最相似的像素對應匹配、顏色最相近的像素對應匹配、平面像素間優先匹配等。電影電視、定格動畫等技術就是各種匹配法則綜合運用的結果。

在看電視的時候，我們會發現一些很有趣的現象，例如車輪倒轉。假設拍攝時幀率為最基本的24幀/秒，如下圖所示，將車輪一個位置刻上標記箭頭。

 

當車輪轉速恰好為每1/24秒轉整數圈，那麼拍攝時就如同A行所示，車輪呈現靜止狀態。這種情況是比較罕見的，因此若是拍攝時車輪轉速比1/24秒轉整數圈快一點點，就如同B行所示，由於空間最相臨近的像素對應匹配，則會出現車輪前轉的情況。同樣，若是拍攝時車輪轉速比1/24秒轉整數圈慢一點點，就如同B行所示，則會出現車輪倒轉的情況。

實際拍攝時，情況會更複雜。由於輪轂的存在，車輪往往旋轉不到360°就會出現形狀重合，而且車速也不會是恆定的，因此車輪會出現時而正轉，時而反轉的情況。

總之可以看出，在使用表觀似動視覺效應來表現現實世界物體運動時，對於某些周期性的運動的物體，我們可以通過調節幀率和周期的關係，來呈現多種視覺效果。

講到這裡，朋友們應該猜到靜止的雨滴到底是如何產生的了。現實中的雨滴自然無法實現雨滴的懸停和上行，但是若是將真實運動視覺轉化為表觀似動視覺，則可以通過調節雨滴周期和幀率，來實現魔術的效果。

電影中魔術師也提到，利用了頻閃照明燈的作用。燈光以一定的頻率閃爍，只要頻率足夠快，則不會讓人察覺到，但人眼視覺系統看到的已經不再是連續的世界，而是被快速閃爍的燈光定格的一幀幀靜態畫面，就如同拍攝的膠片一樣。

在很多科技館中都有一個展覽項目，叫做「魔幻水簾」，即一排水滴有的靜止，有的上行，有的以緩慢的速度下行。要指出的是，電影中的效果還是經過了藝術誇張，畢竟電影中這樣簡單的灑水器其實還是很難實現所有水滴頻率統一的，更不必提廣場中風力等其他因素的影響了。

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