地铁速度那么快为什么不脱轨 地铁速度那么快

图片截取自上海地铁一号线隧道广告

当你每天穿行在地铁之中，不知道你有没有注意到这么一个现象。当列车逐渐加速行驶起来以后，在窗户外出现了不断变换的画面。不知道大家第一次见到的时候是怎么样一个心情，这是个黑科技吗？

然而事实上，这里面的原理，两百年前的物理学家就已经做出了原型。

费纳奇镜

Phenakistiscope

费纳奇镜刚发明之初，人们需要转动两个圆盘来观察动画

在 1832 年的冬天，比利时物理学家尤瑟夫·普拉托(Joseph Plateau) 和奥地利数学家西蒙·史坦弗 (Simon Stampfer) 几乎同时地发明了费纳奇镜 (Phenakistiscope)。

在最开始，费纳奇镜中往往把图案画在圆盘上，然后将其转动起来。透过具有均匀条带的狭缝装置，我们就可以观察到动画的效果，这也是人们最早提出来的动画的效果，如今看起来就和一段几秒长的 GIF 动画相类似。

尤瑟夫·普拉托在其论文中绘制的示意图

这背后的原理也很简单。如果狭缝和图案转动频率相匹配，当人们透过一个狭缝位置，就可以依次看到后面每一帧的动画图样。

利用视觉暂留，原本短暂的帧与帧之间的变化被人们通过「脑补」补上了。

通过狭缝看到的动画

实际上，就在这之前没多久人们才意识到视觉暂留效应的存在。

1824 年，英国伦敦大学教授皮特·马克·罗葛特(Peter Mark Roget)在他的研究报告《对通过垂直狭缝观察轮子辐条外观变化幻觉的解释》 (Explanation of an optical deception in the appearance of the spokes of a wheel when seen through vertical apertures) 中最先提出人眼观察在这里面起到的作用。

虽然这篇文章中关于幻觉形成的论述在现在看起来显然已经有点过时，不过并不妨碍它在电影史和动画史上的重要性。

普拉托

现在普遍认为，视觉暂留是由于被观察物体移去后，视神经对物体影像的反应不会立即消失，而是会持续一小段时间。普拉托在当时还是个学生，而费纳奇镜的发明很可能就受到这篇研究报告的影响。

不过普拉托后来因为沉迷视觉暂留现象的研究付出了惨痛的代价，他把太阳光聚焦到眼睛里长达 25秒，为此彻底失去了自己的视力。大家做实验的时候一定要规范操作啊！

接下来就给大家展示一些好看的费纳奇镜的图案吧~

回到最开始的费纳奇镜中，当狭缝和图案不相匹配时，人们看到的图像将会产生漂移。

当然，在实际观察的过程中，旋转狭缝引起的图片的闪烁、变形等都会对观察的结果产生影响。我们现在看到，包括上面展示的，大多都是用电脑软件制作的。

3D 动画

如今，费纳奇镜已远远不止于平面上。利用它，人们可以实现三维空间中的动画。原理依旧很相似，但是我们不再使用狭缝，而是使用频闪的灯来代替。

其实这个原理我们早在生活中，或者电影里就见到过了。比如《惊天魔盗团》里面的控雨神技：

《惊天魔盗团》电影片段

当第一次照亮雨时，你会看到一个雨滴，当灯关闭后第二次开启，这时刚好有另一滴雨在之前你看到的雨附近，你的大脑会错认为这滴雨就是刚才那滴，从而得出雨静止的错误结论。

又比如平时看到的倒转的风扇：

看起来倒着转的风扇

接下来我们就来欣赏一些近乎以假乱真的 3D 动画：

人浪 - Lego Figures Doing the Wave

圣诞节 - クリスマスゾートロープ

鱼吃鱼 - Fish Eating Fish

跳跃的青蛙 - Jumping Frogs

实际上，还有很多公司利用这种形式的动画来作广告。

Airbnb「别样巴黎」视频拍摄现场

地铁的视频从哪来：

上世纪 80 年代衍生出来地铁广告的新玩法

看了上面这么多动画，不知道你有没有想出来地铁上视频的原理？

地铁中的灯柱

现在利用投影和连续长屏幕的方式来进行视频投放的方式并不多见，主要原因还是在于成本。实际上在数百米长的隧道壁上连续安装几百条灯柱，就能达到同样的效果。

每个灯柱就像显示器上的一个像素一样，是需要出现的图案的一部分。你可以这样想象：把一幅图切成许多竖条，按照先后顺序分别粘在一系列灯柱上。这样在列车行驶的时候，对于车内乘客来说，这些快速移动的灯柱上的图案就可以拼凑成一幅动画。

利用 960 fps 高帧率录制下来的地铁运行时图案。图片节选自知乎问题「上海地铁行驶中窗外的广告是如何实现的？」下 Kon Tiki 的回答。

不止于此，上面所说的都是怎么呈现一个动态的画面。那反过来，怎么把一个动态的画面录制下来？

两者其实都有异曲同工之妙，电影就是这么拍的。现在我们如果来挑战一件更有趣的事情，比如给光的传播录个像……

来自 MIT 的 Ramesh Raskar 最终实现了这个任务，把光在可乐瓶中传播的整个过程给录了下来。

实际上光速真的非常非常非常的快，一束光从一个可乐瓶的头走到可乐瓶的尾只需要零点几纳秒（1纳秒等于0.000000001秒）。而在这个过程中，可以被外部观察到的光子数量屈指可数。既然一次看不清，那就重复几百万次。最终，我们就可以看到这样的一幅图像。

参考资料

[1] 土豆网 - 上海地铁一号线广告

[2] 费纳奇镜 - wikipedia

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

[4] Peter Mark Roget - wikipedia

[5] 论文原文 PDF 版

[6] Joseph Plateau - wikipedia

[7] First Animated Gif

[8] 日本冈山县立大学视频制作课程作品集

[9] 中科院物理所问答专栏 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「别样巴黎」广告视频

[15] 刘叔亮 - 地铁窗外的动态广告，这里有它的前世今生

[16] 知乎问题「上海地铁行驶中窗外的广告是如何实现的？」下 Kon Tiki 的回答

[17] Ramesh Raskar - TED Talk

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