奇妙科普 || 地鐵速度那麼快，窗外廣告是怎麼和地鐵同步的？

2020-09-09 磐儲研究院

圖片截取自上海地鐵一號線隧道廣告

當你每天穿行在地鐵之中，不知道你有沒有注意到這麼一個現象。當列車逐漸加速行駛起來以後，在窗戶外出現了不斷變換的畫面。不知道大家第一次見到的時候是怎麼樣一個心情，這是個黑科技嗎？


然而事實上，這裡面的原理，兩百年前的物理學家就已經做出了原型。


費納奇鏡

Phenakistiscope




▲費納奇鏡剛發明之初，人們需要轉動兩個圓盤來觀察動畫


在 1832 年的冬天，比利時物理學家尤瑟夫·普拉託(Joseph Plateau) 和奧地利數學家西蒙·史坦弗 (Simon Stampfer) 幾乎同時地發明了費納奇鏡 (Phenakistiscope)。


在最開始，費納奇鏡中往往把圖案畫在圓盤上，然後將其轉動起來。透過具有均勻條帶的狹縫裝置，我們就可以觀察到動畫的效果，這也是人們最早提出來的動畫的效果，如今看起來就和一段幾秒長的 GIF 動畫相類似。


尤瑟夫·普拉託在其論文中繪製的示意圖


這背後的原理也很簡單。如果狹縫和圖案轉動頻率相匹配，當人們透過一個狹縫位置，就可以依次看到後面每一幀的動畫圖樣。


利用視覺暫留，原本短暫的幀與幀之間的變化被人們通過「腦補」補上了。

實際上，就在這之前沒多久人們才意識到視覺暫留效應的存在。


1824 年，英國倫敦大學教授皮特·馬克·羅葛特(Peter Mark Roget)在他的研究報告《對通過垂直狹縫觀察輪子輻條外觀變化幻覺的解釋》 (Explanation of an optical deception in the appearance of the spokes of a wheel when seen through vertical apertures) 中最先提出人眼觀察在這裡面起到的作用。


雖然這篇文章中關於幻覺形成的論述在現在看起來顯然已經有點過時，不過並不妨礙它在電影史和動畫史上的重要性。


普拉託


現在普遍認為，視覺暫留是由於被觀察物體移去後，視神經對物體影像的反應不會立即消失，而是會持續一小段時間。普拉託在當時還是個學生，而費納奇鏡的發明很可能就受到這篇研究報告的影響。


不過普拉託後來因為沉迷視覺暫留現象的研究付出了慘痛的代價，他把太陽光聚焦到眼睛裡長達 25秒，為此徹底失去了自己的視力。大家做實驗的時候一定要規範操作啊！


接下來就給大家展示一些好看的費納奇鏡的圖案吧~

回到最開始的費納奇鏡中，當狹縫和圖案不相匹配時，人們看到的圖像將會產生漂移。


當然，在實際觀察的過程中，旋轉狹縫引起的圖片的閃爍、變形等都會對觀察的結果產生影響。我們現在看到，包括上面展示的，大多都是用電腦軟體製作的。


3D 動畫


如今，費納奇鏡已遠遠不止於平面上。利用它，人們可以實現三維空間中的動畫。原理依舊很相似，但是我們不再使用狹縫，而是使用頻閃的燈來代替。


其實這個原理我們早在生活中，或者電影裡就見到過了。比如《驚天魔盜團》裡面的控雨神技：


《驚天魔盜團》電影片段


當第一次照亮雨時，你會看到一個雨滴，當燈關閉後第二次開啟，這時剛好有另一滴雨在之前你看到的雨附近，你的大腦會錯認為這滴雨就是剛才那滴，從而得出雨靜止的錯誤結論。


又比如平時看到的倒轉的風扇：

看起來倒著轉的風扇

接下來我們就來欣賞一些近乎以假亂真的 3D 動畫：


人浪 - Lego Figures Doing the Wave


聖誕節 - クリスマスゾートロープ

魚吃魚 - Fish Eating Fish

跳躍的青蛙 - Jumping Frogs

實際上，還有很多公司利用這種形式的動畫來作廣告。


Airbnb「別樣巴黎」視頻拍攝現場


地鐵的視頻從哪來：


上世紀 80 年代衍生出來地鐵廣告的新玩法


看了上面這麼多動畫，不知道你有沒有想出來地鐵上視頻的原理？


地鐵中的燈柱


現在利用投影和連續長屏幕的方式來進行視頻投放的方式並不多見，主要原因還是在於成本。實際上在數百米長的隧道壁上連續安裝幾百條燈柱，就能達到同樣的效果。


每個燈柱就像顯示器上的一個像素一樣，是需要出現的圖案的一部分。你可以這樣想像：把一幅圖切成許多豎條，按照先後順序分別粘在一系列燈柱上。這樣在列車行駛的時候，對於車內乘客來說，這些快速移動的燈柱上的圖案就可以拼湊成一幅動畫。


▲利用 960 fps 高幀率錄製下來的地鐵運行時圖案。圖片節選自知乎問題「上海地鐵行駛中窗外的廣告是如何實現的？」下 Kon Tiki 的回答。


不止於此，上面所說的都是怎麼呈現一個動態的畫面。那反過來，怎麼把一個動態的畫面錄製下來？


兩者其實都有異曲同工之妙，電影就是這麼拍的。現在我們如果來挑戰一件更有趣的事情，比如給光的傳播錄個像……


▲來自 MIT 的 Ramesh Raskar 最終實現了這個任務，把光在可樂瓶中傳播的整個過程給錄了下來。

實際上光速真的非常非常非常的快，一束光從一個可樂瓶的頭走到可樂瓶的尾只需要零點幾納秒（1納秒等於0.000000001秒）。而在這個過程中，可以被外部觀察到的光子數量屈指可數。既然一次看不清，那就重複幾百萬次。最終，我們就可以看到這樣的一幅圖像。

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