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[追踪]去科技馆学科学——视觉暂留

王立文 王剑薇/中国科学技术馆

2019-02/总第275期

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人体的感官是感受外界事物刺激的器官,视觉是人体感知环境的五大感官之一。《义务教育小学科学课程标准》中指出,为了使学生获得“人体由多个系统组成,分工配合,共同维持生命活动”这样的科学概念,要求学生学习“人体有感知各种环境刺激的器官”的科学内容,还提出了要求学生能“说出细胞是生物体的基本组成单位”这样的学习目标。由韦钰院士翻译的《科学教育的原则和大概念》中,在关于生物的基础构成部分中指出“生命的所有基本功能都源于这些构成生命体的细胞内发生的过程”的科学概念。

那么人体细胞内发生了怎样的过程,从而引起人的视觉感受呢?尤其是人体的视觉暂留是怎么发生的呢?对于人体的神秘微观层面,学生理解起来十分困难,但是可以来中国科技馆,借助展览设计者们把抽象的科学概念设计成的能直观反映科学概念的展品,通过亲身互动体验,就能逐步理解抽象的科学概念了。

在中国科技馆“探索与发现”A厅的“光学”展区,有这样2件展品——“空中成像”与“奇幻之水”,展示的就是与人体的视觉暂留特性相关的科学内容。

视觉暂留现象是光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后,仍保留一段时间的现象。简单地说,就是光线已经消失了,但是人在短时间内还能感受到视觉的残留。人的眼睛看到物体时,光对眼睛的视网膜产生作用,视网膜上的感光细胞感光后,将光信号转换为神经电流,经过视神经传给大脑,从而引起人体视觉,人体感受到物体的像。但感光细胞的感光是靠感光色素实现的,感光色素的形成是需要一定时间的,如此,当物体移去或光停止作用时,视神经对物体的印象却不会立即消失,而是要延续0.1〜0.4秒的时间,这就形成了视觉暂留现象。

空中成像

我们的眼睛从二维图像上可以得到平面图像信息,但从一根直线上,能获得二维图像信息吗?中国科学技术馆中的“空中成像”展品会给我们带来答案。

“空中成像”展品主要由启动开关、成像杆、控制系统及操作台组成。成像杆可绕一端固定轴在一定角度范围内左右摆动,其上安装有一根直线形发光条,发光条上有按直线均匀排列的多个LED灯,当展品被启动时,我们就可从快速摆动的成像杆上看到各种文字或者图案。

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为什么会产生这样奇妙的现象呢?其原因就在发光条上的LED灯上。在系统的控制下,成像杆的摆动速度与其上面的LED灯的闪烁频率可进行调整和控制。运用数字显示技术,通过程序控制成像杆在摆动到不同位置时每个LED灯的亮灭次序,是形成展品展示效果的关键。通过协调LED灯的闪频速度与发光条的摆动速度,在成像杆快速、匀速摆动时,摆动到不同位置的LED灯分别给人留下短暂的视觉残留影像,这些影像在脑中组合起来就形成了一幅完整的画面,展示出各种文字和图案。

成像杆驱动装置是由直流伺服驱动器及电机构成的,使成像杆能按照给定的速率匀速旋转。控制系统控制成像杆的伺服驱动器运行,同时根据伺服驱动器的转速控制LED矩阵装置,使其按照对应的频率扫描,使成像杆呈现文字或图案。

视觉暂留性质首先是被中国人应用的,民间风俗中的走马灯便是应用人体视觉暂留性质的最早历史记载。走马灯外形多为宫灯状,内以剪纸粘一轮,将绘好的图案粘贴其上。燃灯以后热气上熏,纸轮辐转,灯屏上即出现人马追逐、物换景移的影像。后来法国人保罗·罗盖发明了留影盘,盘的一面画了1只鸟,另一面画了1个空笼子,将1根绳子穿过圆盘,当圆盘快速旋转时,视觉中鸟在笼子里的画面就出现了。

视觉暂留原理普遍应用在我们常见的电影、电视等视觉媒体制作和放映中。当我们欣赏电影时,电影机在屏幕上每秒钟匀速播放24幅静止的画面,而在电视荧光屏上,图像是几十万个像素按一定顺序轮流发光,使我们看到连续的画面,这正是利用视觉暂留特性的结果。

乘坐地铁时,地铁运行稳定后,我们在地铁隧道中经常可以看到“动态”的宣传广告,仿佛有一幅屏幕在和列车同步前进,它们也是利用视觉暂留原理制成的。在隧道的一段墙壁上有一排长长的水平方向等距1米多、垂直安装的LED灯带,每条LED灯带相当于一列像素,上面分布着几百个发光点,如果列车静止下来,我们能看到每根LED灯带上的各种颜色的光点。当列车快速运动起来,速度较为稳定的时候,我们就可以欣赏到动态画面了。如果列车的速度稍有变化,我们就会觉得画面的位置在动,向前移动或者向后移动。

奇幻之水

大家都知道,在重力场中,物体在重力的作用下都有从高处向低处下降的趋势。但从中国科学技术馆展品“奇幻之水”中可以看见,水流不仅可以从上向下流动,还可以从下往上流,形成壮观的“倒流水帘”,这是为什么呢?

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图3 展品“奇幻之水”结构示意图

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图4 展品“奇幻之水”原理图

“奇幻之水”展品主要由水泵、水循环系统、幕墙、频闪灯、音效装置组成。水泵和水循环系统提供水源,使水不断从高处的一排出水孔滴落下来;幕墙用于遮光,营造出较暗的环境;频闪灯置于展品的顶端,由程序控制频闪灯的闪烁速度,使其与水流的速度匹配;音效装置播放的音乐节奏与水的流动效果相配合,加强奇特效果的感染力。

当我们进入展品的展示区后,传感器接收到信号,控制程序启动系统开始工作。水开始从上方的一排出水孔滴下来,灯光熄灭的时候一片黑暗,我们看不到水的流动过程,当灯光快速闪亮的一刹那,我们就能看到水滴下落的某一瞬间状态的景象。当频闪灯不断地闪亮和熄灭,并且切换速度足够快、眼睛看到的相邻景象都有微小和规律的变化时,在我们的视觉中就会产生动态的画面,可能看到水在向下流动,也可能看到水在向上流动。

这个展品通过自动控制调整水的流速和频闪灯的频率配合实现展示效果,能让我们先看到水从上向下流动的正常景象,接下来水流方向时而向上、时而向下地交替变化,有时甚至会看到水滴仿佛悬停在空中,同时音效装置播放动感较强的音乐,音乐节奏与灯闪变化相配合,使我们沉浸在“倒流水帘”的奇妙情景之中。

在生活中我们也会发现类似的现象,比如我们有时看到向前跑的汽车,它的轮子的转动方向却是向后转的,还有我们眼睛看到的转动的风扇的转动方向,有时也与扇叶实际转动的方向相反,其原理都与“奇幻之水”展品相似,这些都是人眼的视觉暂留特性所引起的奇特视觉感受。

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