Slow Dance｜圖源：https://www.nickolaspeter.com/slow-dance
畫框中的羽毛像是在“慢動作”運動。但事實上，它運動得相當快——在加入一些光照和震動設計後，由于人類的視覺感覺存在極限，使得它似乎正以一種令人難以置信的慵懶節奏搖曳生姿。
你看明白了嗎？如果不明白也沒關系。裝置的設計師傑夫·利伯曼（Jeff Lieberman）說：“當你眼前的東西與你對現實的了解存在沖突時，困惑産生了。”作為探索 Discover 頻道節目 Time Warp 的主持人，利伯曼使用高速錄影機來解構子彈發射、芭蕾舞和爆炸等運動過程包含的實體學。利伯曼把他最新的裝置稱為“漫舞”。在衆籌平台 Kickstarter 上，他将其描述為 “一個能放慢時間的畫框”。
事實上，“漫舞 ”的機制出奇簡單，但巧妙得令人難以察覺。利伯曼說：“一旦你選擇直接了解它的工作原理，就會永遠失去探索和揭秘的樂趣。”但如果你真的迫切想要了解，利伯曼建議你多花一些時間來弄清楚它。
為揭曉“漫舞”的秘密，你可能需要先補充一個概念——視覺暫留。
“走馬燈，燈馬走，燈熄馬停步。”｜圖源：錢江晚報
其實“視覺暫留”原理早在中國古代就被應用于民藝“走馬燈”中。南宋周密在《武林舊事》中記載“若沙戲影燈，馬騎人物，旋轉如飛”，說的就是這種特殊的燈籠。
走馬燈結構及原理｜圖源：科普中國
走馬燈的原理是在一紙燈籠中插入一根鐵絲作為立軸，軸上方為葉輪，剪紙小人用鐵絲繞軸固定。當燈籠底部蠟燭點燃，被加熱的空氣上升形成對流，氣流使葉輪轉動并帶動了軸以及小人轉動。人影投在燈籠外部，便形成了人馬追逐、物換景移的影像。
“魔術幻燈”原理｜圖源：《Ars Magna Lucis et Umbrae》阿塔納修斯·基歇爾
“魔術幻燈”展現“幻像”｜圖源：M Plus
17世紀遙遠的西方，歐洲人也發明了一種早期幻燈機，并開始以幻燈片展示“幻像”與“神迹，那時的它被稱為魔術幻燈（Magic Lantern）——通過透鏡組合快速地将手繪的圖像投射到某個位置，形成視覺暫留。那麼視覺暫留背後的原理到底是什麼呢？
視覺實際上是從眼睛的晶狀體成像，視錐細胞感光，并且将光信号轉換為神經電流傳回大腦的一整個過程。視神經的反應需要約1/16秒的時間，且針對不同頻率的光反應時間會有一定差别。視神經的反應時長造成了視覺圖像在大腦中的滞後現象，被稱為“視覺暫留”或“正片後像”。
費納奇鏡｜圖源：Dick Balzers Website Phenakistascopes
費納奇鏡｜圖源：thisiscolossal.com
這個現象是由比利時實體學家尤瑟夫·普拉托（Joseph Plateau）1835年在觀察太陽的實驗中發現的，他根據這個現象發明了證明這種人體生理特征的“費納奇鏡”，而他自己也因為這次觀察（直視太陽長達25秒）而導緻雙目失明，但太陽的影子永遠地印在了他的眼睛裡。
費納奇鏡｜圖源：The Richard Balzer Collection
1825年，英國的約翰·帕裡斯博士發明的“幻盤”一直被認為是電影成像的起源，而理論上視覺暫留現象隻能讓我們看到鳥與籠子重疊的靜态畫面，那又是什麼令我們“看見”了“鳥飛進籠子”這個并不存在的動作？
“幻盤”｜圖源：《斷頭谷》
視覺暫留會讓圖像在人的腦海中持續0.1-0.4秒，但是當以大于這個時長範圍的間隔播放動圖時，我們卻依然會覺得圖像形成了連續的動作。對于這種并未産生運動，我們卻知覺到了運動的情況，德國實驗心理學家韋特海默稱其為似動現象（phiphenomenon）。似動現象為人類的運動視覺感覺提供了心理學解釋，也是格式塔心理學的開端。格式塔學派主張人腦的運作原理屬于整體論，“整體不同于其部件的總和”。格式塔是德文Gestalt的譯音，意即“模式、形狀、形式”等，意思是指“動态的整體（dynamic wholes）”。
格式塔原理｜圖源：Wiki
一個誤解——“電影二十四幀每秒是由人類視覺暫留的現象所決定的”。如果幀率标準僅源于“視覺暫留”，那麼基于視神經1/16秒的反應速度，隻要幀率高于16幀每秒，圖像就應當是連續的。條件是僅高于16幀，那麼理論上高于16幀的任意數都可行，為何定在24幀？
快速的默片｜圖源：《城市之光》卓别林
在靜默片時代，不管是手搖式還是電力驅動的放映機，都是由放映員設定播放速度的。由于種種因素，在1920年前大部分電影在14~18幀每秒播放。随着時間的推移平均速度逐漸上升，到了有聲電影時期大家都用24幀，而這成為了有聲電影行業的規範。在這一時期，高于或低于24幀的速率在彩色電影實驗和電影愛好者的裝置中偶有出現。
靜默片的速率各不相同，主流是16幀。這也是為什麼很多老片今天看起來“很快” ——因為我們用24幀的裝置來播放16幀的片源。後來出現了 Vitaphone 系統，在這一系統中，16 英寸的唱片在 33 1/3 轉每分鐘的速率播放 11 分鐘的電影正好是 24 幀每秒。後來各個制作室就給導演施壓拍攝24幀的影片，這樣就可以用Vitaphone 系統制作有聲影片了。
24這個數字在技術上也具備一定優越性——和音頻的采樣率相容 (44.1khz and 48khz @ 24hz = 1838 1 2 and 2000 samples per frame) ；是一個容易處理的複數（2^3*3）。這或許解釋了為什麼24幀得到了廣泛的接受，并作為行業規範保留至今。
也就是說“The history of 24fps is all about sound”——24幀的曆史其實是關于聲音的曆史。
最後，讓我們揭開文章開頭“漫舞”的秘密——答案是對光線和運動的精心編排。隐藏在木質架構邊緣的LED燈以每秒76至84次的頻率閃爍，速度快到超越你的視覺感覺（人眼對光頻率的感覺上限，即“臨界閃爍頻率”約在60赫茲）。同時，架構底部的電磁馬達以80赫茲的頻率振動其夾持的物體——羽毛、樹葉、花朵等。
閃爍的燈光照亮晃動中的物體，其頻率與物體的振動頻率正好存在0～4赫茲的頻率差。如果頻率一緻，由于存在“頻閃效應”，物體看上去根本就不會移動。舉個直白的小例子——“頻閃液滴”：當你用普通錄影機觀察水滴下落，它與你在現實世界看到的并無不同，但如果你将錄影機快門頻率調整到與水滴下落頻率一緻，你将記錄到水滴懸浮在空中的奇妙景象。
“我要讓雨滴靜止！”｜圖源：《驚天魔盜團2》
水滴不但能靜止，甚至可以倒流｜圖源：gfycat.com
相反，燈光在物體運動軌迹的不同位置上短暫地照亮了物體，那麼每個照明事件就像一張頻閃攝影照片——但快門按下的頻率如此之高，以至于你的大腦将其視為連續的影片，而不是獨立的一幅幅圖像，物體是以動了起來。視覺暫留令其産生，似動現象讓其連續。當燈光與振動的頻率差降至0時，物體看上去将是靜止的；關掉閃爍的燈光，物體将會飛速抖動起來。正是因為這僅僅0～4赫茲的小頻率差使物體看上去變幻緩慢，與真實世界的風吹草動不同，顯得曼妙輕柔。
像許多令人驚奇的魔術一樣，知道 “漫舞”的工作原理并不能削弱它的美妙。通過利伯曼的畫框看物體，就像在窺視一個不世出的慢速世界。突然間，你可以看到羽毛尾端的彎曲；植物仿佛擁有了另一種生命力，因為你可以清晰抓住它們每一刻的移動。利伯曼希望他的創作能幫助人們放慢自己的腳步，哪怕隻是一瞬間。“作為成年人，我們逐漸對‘神秘’失去興緻，而‘漫舞’真的能讓人進入一種好奇的狀态。”
視覺暫留是人體機制的一種局限，但也正是這樣的“缺陷”給技術留出了空間，讓人類的好奇與想象有機會填補上這幀與幀之間的空白，創造出美妙的視覺藝術。
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不代表中科院實體所立場
來源：科學藝術研究中心
編輯：Paarthurnax