为什么汽车轮子高速运转的时候看起来像是在往后退?

我不知道是我的眼睛有问题还是大家都有这样的感觉,求解答。

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15个答案
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anpopo脑科学博士,科学松鼠会成员

2012-02-07 14:27

嗯,根据我知道的一些知识,我觉得这是人视觉上能感受到的频率和车轮转速之间的关系决定的。首先我们能看见一个轮子在转,是因为轮子上有一些标志物帮助我们判断,一个完全光滑的圆环是很难看出它在不在转的。那这些标志物,就拿辐条作例子吧,在转动的时候就以某个频率经过我们的视线。当一根辐条经过某一点的时候被我们看见了,它经过下一点的时候又被我们看见了,如果下一点在前一点的逆时针方向,我们就判断说轮子在逆时针转,即车子在向前进。

想象一下我们给轮子拍照片,拍完了排列起来看轮子的转动。如果轮子每转一圈我们拍两张,那么拍出来都是半圈半圈的照片,无法判断转动方向。如果每转一圈我们拍3张、4张,或者更多张,就能判断出来了。如果转了大半圈才拍一张,排列起来,车轮看起来就像在倒退。

我们的视觉是神经细胞放电形成的,当辐条经过我们视线的频率太高时,不是每次都能被神经细胞感知。这样的话,当辐条转了超过大半圈才被眼睛再一次看到,我们就会觉得它处在上次看到的那个点的顺时针方向,我们的大脑就凭此判断轮子在顺时针转,车子在后退。

======== 到这里可以结束了,如果你时间多的话。。。 =============

这个解释有两个假设:1. 神经细胞能感受到的频率有个极限; 2.大脑凭物体的相对位置来判断它们的运动方向。这两个假设目前都有一些科学实验结果来支持。

对于假设1,这个极限和神经细胞放电有关。运动的辐条刺激视网膜上的神经细胞放电,神经细胞把电信号传送给大脑产生视觉。从上一次传送信息到下一次传送信息之间有间隙,并且大脑整合这些信息也需要时间,在这个很短的时间里就有可能错过一些视觉信息。比如一根转得“太快”的辐条,当神经细胞花时间处理它上一次经过的信息时,它在这个间隙里经过的那些点就没被察觉,当它转了超过大半圈时才再一次被感知。这样大脑得到的信息就是辐条下一个位置在前一个位置的顺时针方向了。

和意识相关的脑电波超过60赫兹算少见的高频。普通轿车车轮直径约60厘米,转一圈约算2米的话,160公里/时 速度下每秒22转左右。要看见辐条在转,那它转一圈的过程中至少要被感知2次以上。脑电波频率因人而异,如果某些同学的视觉感知使用的脑波频率比44赫兹低的话,有可能就是看见车轮反转的原因之一。

对于假设2,有人设计过实验,受试者报告说看见了运动中的物体,但实际上只是视野中有一部分物体在闪烁产生的视错觉。研究人员根据类似的实验证据,分析认为我们对物体运动方向的判断,很大程度上取决于物体之间的相对位置。那么我们看见辐条下一次出现在顺时针的方向,就下意识地“脑补”了它顺时针的运动。

======= 到这里可以结束了,但如果你还有时间的话 ==============

其实这个问题如果是拍照片,就完全是个物理问题,只和开头提到的那个采样频率原理有关系。不过既然提到为什么人看见车轮倒退,就涉及到是什么决定了人能看见的频率,而人的意识是个复杂过程。有个小知识,说来不妨。如果人是通过对比两次看见的辐条位置来判断运动的,那大脑就要在短时间内记住上一次在哪看见了它。目前人们发现,大脑试图在短时间内记住一些信息时,一些10-20赫兹左右的脑电波和这种行为关系很密切。也许这有助于解释,为什么视网膜细胞可以达到每秒上百次的活动频率,但仍然不足以“对抗”车轮倒转。因为看见倒转这件事,不光只有感受这么简单,还涉及到记忆等等其他大脑功能,任何一个环节跟不上,都可能造成判断错误。

========= 这回是真的结束了,有没有谁来补充。。 =====================

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isnowfy算法工程师,黑白纵横小组管理员

2012-02-06 13:20

这和眼睛能分辨清的频率有关,你可以这样想像,你的眼睛其实看到的是一个画面一个画面的,假设再下一个画面时轮子转过了5度,那么你认为是装过了5度,如果转过了355度,那么大脑会认为他其实是倒着转过了5度,因而产生了这种错觉

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0.618果壳网心事鉴定组编辑,科学松鼠会成员

2012-02-07 14:50

我来贡献个视频

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想起之前某项目中某客户也问了同样的问题。
简单来说,其实这是一种视觉误差,当车辆加速前进时,随着车轮角速度的逐渐增大,视觉上会出现车轮反转的现象,当车减速的时候情况会相反变化。

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Lithium42地球科学、心理学专业,科学松鼠会成员

2012-02-07 14:42
支持者: Maverick506 0.618

维基上有一个词条专门解释这一问题

Wagon-wheel effect

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Maverick506非爱好翻译者

2013-05-26 21:18

http://www.guokr.com/blog/450608/
马车轮效应(又名驿马车轮效应,频闪观测效应)是一种视觉幻象,指的是有轮辐的车轮转动时在旁观者看来和其真实转动方向不一致的现象。车轮有可能看起来比真实转动速度慢,有可能看起来处于静止状态,也有可能看起来往真实转动方向的反方向转动。最后这一种形式有时也被称作“逆旋(动)效应”(reverse rotation effect)。

马车轮效应经常出现在有驿马车或货运马车的美国西部电影或电视中,虽然任何正常的辐条轮转动时都会出现此现象,比如直升机螺旋桨和飞机发动机(客机,运输机那种)。在这些录像中,这种效应是由瞬间图像失真(temporal aliasing,aliasing是指由于在3D图像中,受分辨的制约,物体边缘总会或多或少的呈现三角形的锯齿,anti-aliasing就是抗锯齿,也叫抗图像折叠失真)造成的。这种现象也经常出现在用频闪光照射的转轮上。这些形式的车轮效应也被称为频闪观测效应:原本平滑流畅转动的车轮看起来像是间歇转动的。还有一种版本的马车轮效应也可以在持续光照下显现。


频闪条件下的马车轮效应

频闪条件确保了对旋转车轮的观测被分解为一系列很短的视觉片段。在这些片段中,车轮的转动要么不可见(在电影镜头的例子中),要么很微小(在频闪灯光下)。这些片段中间夹着时间较长的不可见片段(即频闪灯光不亮的时候)。我们通常把前一种片段叫做“帧”。电影摄像机拍摄的画面是24帧每秒,或者25帧每秒(欧洲标准),或者29.97帧每秒(北美标准)。一台标准的电视一秒钟播放59.94或50幅画面。一台频闪观测仪的频率可以设定为任意值。人工灯光在交流电供电下是时间调制的(temporally modulated,译名参考自http://wenku.baidu.com/view/5ffc4401bed5b9f3f90f1ce2.html),以两倍于输电线电流的频率闪烁。

想象一下一个四轮辐(十字形)的车轮按照顺时针方向转动。假设当第一个瞬间人看到的车轮是一个轮辐在12点钟方向,这个人看到的下一个象是之前在9点钟方向的轮辐移动到了12点钟方向,观察者会感觉轮子没有转动。如果这个人看到的下一个象是之前在9点钟方向的轮辐转动到了11:30分方向,那么观测者会感觉车轮在逆时针转动。如果之前在9点钟方向的轮辐转动到了12:30分的方向,那么这个观察者会感觉车轮的确是在顺时针转动,然而比真实的转速要慢一些。这种效应依赖于人的一种叫做β似动现象的运动感受机制:人是通过视野内两个物体在不同时间的不同位置来判断事物的运动的,只要这两个物体很相似(对于轮辐来说的确是这样,每一个轮辐和其它轮辐都完全一样)而且位置上很接近。

马车轮效应在工程学上被用来校准引擎。同样的效果出现在转动的机器如车床上,尤其在人工灯光的照射下,可能因为被人误以为转动缓慢或停止而产生危险。

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支持者: mclase

不是人眼的采样率问题,人眼在观看连续的画面时并不是有一个固定的采样频率,而是用模糊的影像连接画面的。之所以会看到车轮倒转,是因为:
1. 观察的是拍摄的影像。摄像机有固定的采样率,因此会因为楼上所说的原因而看到车轮似乎在倒转。
2. 在黑暗中观察时,因为灯光会频闪的(大部分是50Hz,市电频率,有些灯会改变市电频率),因此产生了和摄像机拍摄相同的效应。在日光下亲眼观察旋转的车轮不会产生倒转的感觉。

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就好像车轮上的标志物每转过n+k圈时(k<1),人眼刚好能看到一帧的图像

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所以计算机图形技术在实现某些快速旋转的例如直升机螺旋桨和汽车轮胎时,实际就是让模型倒着转的

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这就是所谓的频闪!
简单地说,人类的视觉存在视觉暂留,拿简单一点的风扇来说吧!
当某片扇叶处于位置a,下一次看到的时候处于位置b,a在b后面或者是前面,
由于视觉暂留,就造成了正常转和反转

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电影游戏帧数太高也会出现这个问题吗?

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人眼是不能分辨出某一个标志物的高速存在的。
人眼只是在上一次视觉暂留处最近处发现又一个标志物,必须是最近的——这符合视觉规律。
这样如果最近处在其前面就是正转,反之是反转。

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傻逼飞通信工程在读生

2013-05-25 23:29

我记得我信号与系统老师讲的是跟奈奎斯特采样定理有关

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额,记得在一个心理网站说是人左右脑不同而产生的幻觉?还给一张跳舞女郎图片,和弟弟一起看真发现我和他看女郎转的方向是不同的

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