為什麼汽車輪子高速運轉的時候看起來像是在往後退?

我不知道是我的眼睛有問題還是大傢都有這樣的感覺,求解答。


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秋月叶落

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anpopo


嗯,根據我知道的一些知識,我覺得這是人視覺上能感受到的頻率和車輪轉速之間的關系決定的。首先我們能看見一個輪子在轉,是因為輪子上有一些標志物幫助我們判斷,一個完全光滑的圓環是很難看出它在不在轉的。那這些標志物,就拿輻條作例子吧,在轉動的時候就以某個頻率經過我們的視線。當一根輻條經過某一點的時候被我們看見瞭,它經過下一點的時候又被我們看見瞭,如果下一點在前一點的逆時針方向,我們就判斷說輪子在逆時針轉,即車子在向前進。

想象一下我們給輪子拍照片,拍完瞭排列起來看輪子的轉動。如果輪子每轉一圈我們拍兩張,那麼拍出來都是半圈半圈的照片,無法判斷轉動方向。如果每轉一圈我們拍3張、4張,或者更多張,就能判斷出來瞭。如果轉瞭大半圈才拍一張,排列起來,車輪看起來就像在倒退。

我們的視覺是神經細胞放電形成的,當輻條經過我們視線的頻率太高時,不是每次都能被神經細胞感知。這樣的話,當輻條轉瞭超過大半圈才被眼睛再一次看到,我們就會覺得它處在上次看到的那個點的順時針方向,我們的大腦就憑此判斷輪子在順時針轉,車子在後退。

======== 到這裡可以結束瞭,如果你時間多的話。。。 =============

這個解釋有兩個假設:1. 神經細胞能感受到的頻率有個極限; 2.大腦憑物體的相對位置來判斷它們的運動方向。這兩個假設目前都有一些科學實驗結果來支持。

對於假設1,這個極限和神經細胞放電有關。運動的輻條刺激視網膜上的神經細胞放電,神經細胞把電信號傳送給大腦產生視覺。從上一次傳送信息到下一次傳送信息之間有間隙,並且大腦整合這些信息也需要時間,在這個很短的時間裡就有可能錯過一些視覺信息。比如一根轉得“太快”的輻條,當神經細胞花時間處理它上一次經過的信息時,它在這個間隙裡經過的那些點就沒被察覺,當它轉瞭超過大半圈時才再一次被感知。這樣大腦得到的信息就是輻條下一個位置在前一個位置的順時針方向瞭。

和意識相關的腦電波超過60赫茲算少見的高頻。普通轎車車輪直徑約60厘米,轉一圈約算2米的話,160公裡/時 速度下每秒22轉左右。要看見輻條在轉,那它轉一圈的過程中至少要被感知2次以上。腦電波頻率因人而異,如果某些同學的視覺感知使用的腦波頻率比44赫茲低的話,有可能就是看見車輪反轉的原因之一。

對於假設2,有人設計過實驗,受試者報告說看見瞭運動中的物體,但實際上隻是視野中有一部分物體在閃爍產生的視錯覺。研究人員根據類似的實驗證據,分析認為我們對物體運動方向的判斷,很大程度上取決於物體之間的相對位置。那麼我們看見輻條下一次出現在順時針的方向,就下意識地“腦補”瞭它順時針的運動。

======= 到這裡可以結束瞭,但如果你還有時間的話 ==============

其實這個問題如果是拍照片,就完全是個物理問題,隻和開頭提到的那個采樣頻率原理有關系。不過既然提到為什麼人看見車輪倒退,就涉及到是什麼決定瞭人能看見的頻率,而人的意識是個復雜過程。有個小知識,說來不妨。如果人是通過對比兩次看見的輻條位置來判斷運動的,那大腦就要在短時間內記住上一次在哪看見瞭它。目前人們發現,大腦試圖在短時間內記住一些信息時,一些10-20赫茲左右的腦電波和這種行為關系很密切。也許這有助於解釋,為什麼視網膜細胞可以達到每秒上百次的活動頻率,但仍然不足以“對抗”車輪倒轉。因為看見倒轉這件事,不光隻有感受這麼簡單,還涉及到記憶等等其他大腦功能,任何一個環節跟不上,都可能造成判斷錯誤。

========= 這回是真的結束瞭,有沒有誰來補充。。 =====================



isnowfy


這和眼睛能分辨清的頻率有關,你可以這樣想像,你的眼睛其實看到的是一個畫面一個畫面的,假設再下一個畫面時輪子轉過瞭5度,那麼你認為是裝過瞭5度,如果轉過瞭355度,那麼大腦會認為他其實是倒著轉過瞭5度,因而產生瞭這種錯覺



0.618


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高杉


想起之前某項目中某客戶也問瞭同樣的問題。
簡單來說,其實這是一種視覺誤差,當車輛加速前進時,隨著車輪角速度的逐漸增大,視覺上會出現車輪反轉的現象,當車減速的時候情況會相反變化。



Lithium42


維基上有一個詞條專門解釋這一問題

Wagon-wheel effect



Maverick506


http://www.guokr.com/blog/450608/
馬車輪效應(又名驛馬車輪效應,頻閃觀測效應)是一種視覺幻象,指的是有輪輻的車輪轉動時在旁觀者看來和其真實轉動方向不一致的現象。車輪有可能看起來比真實轉動速度慢,有可能看起來處於靜止狀態,也有可能看起來往真實轉動方向的反方向轉動。最後這一種形式有時也被稱作“逆旋(動)效應”(reverse rotation effect)。

馬車輪效應經常出現在有驛馬車或貨運馬車的美國西部電影或電視中,雖然任何正常的輻條輪轉動時都會出現此現象,比如直升機螺旋槳和飛機發動機(客機,運輸機那種)。在這些錄像中,這種效應是由瞬間圖像失真(temporal aliasing,aliasing是指由於在3D圖像中,受分辨的制約,物體邊緣總會或多或少的呈現三角形的鋸齒,anti-aliasing就是抗鋸齒,也叫抗圖像折疊失真)造成的。這種現象也經常出現在用頻閃光照射的轉輪上。這些形式的車輪效應也被稱為頻閃觀測效應:原本平滑流暢轉動的車輪看起來像是間歇轉動的。還有一種版本的馬車輪效應也可以在持續光照下顯現。


頻閃條件下的馬車輪效應

頻閃條件確保瞭對旋轉車輪的觀測被分解為一系列很短的視覺片段。在這些片段中,車輪的轉動要麼不可見(在電影鏡頭的例子中),要麼很微小(在頻閃燈光下)。這些片段中間夾著時間較長的不可見片段(即頻閃燈光不亮的時候)。我們通常把前一種片段叫做“幀”。電影攝像機拍攝的畫面是24幀每秒,或者25幀每秒(歐洲標準),或者29.97幀每秒(北美標準)。一臺標準的電視一秒鐘播放59.94或50幅畫面。一臺頻閃觀測儀的頻率可以設定為任意值。人工燈光在交流電供電下是時間調制的(temporally modulated,譯名參考自http://wenku.baidu.com/view/5ffc4401bed5b9f3f90f1ce2.html),以兩倍於輸電線電流的頻率閃爍。

想象一下一個四輪輻(十字形)的車輪按照順時針方向轉動。假設當第一個瞬間人看到的車輪是一個輪輻在12點鐘方向,這個人看到的下一個象是之前在9點鐘方向的輪輻移動到瞭12點鐘方向,觀察者會感覺輪子沒有轉動。如果這個人看到的下一個象是之前在9點鐘方向的輪輻轉動到瞭11:30分方向,那麼觀測者會感覺車輪在逆時針轉動。如果之前在9點鐘方向的輪輻轉動到瞭12:30分的方向,那麼這個觀察者會感覺車輪的確是在順時針轉動,然而比真實的轉速要慢一些。這種效應依賴於人的一種叫做β似動現象的運動感受機制:人是通過視野內兩個物體在不同時間的不同位置來判斷事物的運動的,隻要這兩個物體很相似(對於輪輻來說的確是這樣,每一個輪輻和其它輪輻都完全一樣)而且位置上很接近。

馬車輪效應在工程學上被用來校準引擎。同樣的效果出現在轉動的機器如車床上,尤其在人工燈光的照射下,可能因為被人誤以為轉動緩慢或停止而產生危險。



迷失的坦普


不是人眼的采樣率問題,人眼在觀看連續的畫面時並不是有一個固定的采樣頻率,而是用模糊的影像連接畫面的。之所以會看到車輪倒轉,是因為:
1. 觀察的是拍攝的影像。攝像機有固定的采樣率,因此會因為樓上所說的原因而看到車輪似乎在倒轉。
2. 在黑暗中觀察時,因為燈光會頻閃的(大部分是50Hz,市電頻率,有些燈會改變市電頻率),因此產生瞭和攝像機拍攝相同的效應。在日光下親眼觀察旋轉的車輪不會產生倒轉的感覺。



傑拉華的殼


就好像車輪上的標志物每轉過n+k圈時(k<1),人眼剛好能看到一幀的圖像



shuuuUo


周期的問題,人眼有個極限



Hawke翱翔天宇


所以計算機圖形技術在實現某些快速旋轉的例如直升機螺旋槳和汽車輪胎時,實際就是讓模型倒著轉的



Yy2Guokr


這就是所謂的頻閃!
簡單地說,人類的視覺存在視覺暫留,拿簡單一點的風扇來說吧!
當某片扇葉處於位置a,下一次看到的時候處於位置b,a在b後面或者是前面,
由於視覺暫留,就造成瞭正常轉和反轉



handfeng_2ew


電影遊戲幀數太高也會出現這個問題嗎?



不樂主義


人眼是不能分辨出某一個標志物的高速存在的。
人眼隻是在上一次視覺暫留處最近處發現又一個標志物,必須是最近的——這符合視覺規律。
這樣如果最近處在其前面就是正轉,反之是反轉。



傻逼飛


我記得我信號與系統老師講的是跟奈奎斯特采樣定理有關



銀Ag


額,記得在一個心理網站說是人左右腦不同而產生的幻覺?還給一張跳舞女郎圖片,和弟弟一起看真發現我和他看女郎轉的方向是不同的

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