▲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么一個現(xiàn)象。當列車逐漸加速行駛起來以后，在窗戶外出現(xiàn)了不斷變換的畫面。不知道大家第一次見到的時候是怎么樣一個心情，這是個黑科技嗎？

然而事實上，這里面的原理，兩百年前的物理學家就已經做出了原型。

在 1832 年的冬天，比利時物理學家尤瑟夫·普拉托(Joseph Plateau)?和奧地利數(shù)學家西蒙·史坦弗?(Simon Stampfer)?幾乎同時地發(fā)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，然后將其轉動起來。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。

這背后的原理也很簡單。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，就可以依次看到后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里面起到的作用。

雖然這篇文章中關于幻覺形成的論述在現(xiàn)在看起來顯然已經有點過時，不過并不妨礙它在電影史和動畫史上的重要性。

現(xiàn)在普遍認為，視覺暫留是由于被觀察物體移去后，視神經對物體影像的反應不會立即消失，而是會持續(xù)一小段時間。普拉托在當時還是個學生，而費納奇鏡的發(fā)明很可能就受到這篇研究報告的影響。

不過普拉托后來因為沉迷視覺暫留現(xiàn)象的研究付出了慘痛的代價，他把太陽光聚焦到眼睛里長達 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(guī)范操作啊！

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(xiàn)在看到，包括上面展示的，大多都是用電腦軟件制作的。

如今，費納奇鏡已遠遠不止于平面上。利用它，人們可以實現(xiàn)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，或者電影里就見到過了。比如《驚天魔盜團》里面的控雨神技：

▲《驚天魔盜團》電影片段

當?shù)谝淮握樟劣陼r，你會看到一個雨滴，當燈關閉后第二次開啟，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：

實際上，還有很多公司利用這種形式的動畫來作廣告。

▲上世紀 80 年代衍生出來地鐵廣告的新玩法

看了上面這么多動畫，不知道你有沒有想出來地鐵上視頻的原理？

現(xiàn)在利用投影和連續(xù)長屏幕的方式來進行視頻投放的方式并不多見，主要原因還是在于成本。實際上在數(shù)百米長的隧道壁上連續(xù)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(xiàn)的圖案的一部分。你可以這樣想象：把一幅圖切成許多豎條，按照先后順序分別粘在一系列燈柱上。這樣在列車行駛的時候，對于車內乘客來說，這些快速移動的燈柱上的圖案就可以拼湊成一幅動畫。

兩者其實都有異曲同工之妙，電影就是這么拍的。現(xiàn)在我們如果來挑戰(zhàn)一件更有趣的事情，比如給光的傳播錄個像……

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納秒等于0.000000001秒）。而在這個過程中，可以被外部觀察到的光子數(shù)量屈指可數(shù)。既然一次看不清，那就重復幾百萬次。最終，我們就可以看到這樣的一幅圖像。

參考資料

[1]?土豆網 - 上海地鐵一號線廣告

[2]?費納奇鏡 - wikipedia

[3] Correspondance mathématique et physique (in French). 7. Brussels: Garnier and Quetelet. 1832. p. 365.

[4]?Peter Mark Roget - wikipedia

[5]?論文原文 PDF 版

[6]?Joseph Plateau - wikipedia

[7]?First Animated Gif

[8]?日本岡山縣立大學視頻制作課程作品集

[9]?中科院物理所問答專欄 No.128

[10]?Simon de Groot - Lego Figures Doing the Wave

[11]?PANTOGRAPH07 - クリスマスゾートロープ

[12]?Kevin Holmes - Fish Eating Fish

[13]?Kevin Holmes - Jumping Frogs

[14]?Airbnb「別樣巴黎」廣告視頻

[15]?劉叔亮 - 地鐵窗外的動態(tài)廣告，這里有它的前世今生

[16]?知乎問題「上海地鐵行駛中窗外的廣告是如何實現(xiàn)的？」下 Kon Tiki 的回答

[17]?Ramesh Raskar - TED Talk