电影的原理:视觉暂留还是“似动现象”?

其实实在是很不想再碰这个话题了……但是就算刻意不去想也一直在脑子里回绕,还不如写出来这样舒服一些。咳,回到正题。其实还是上次提到的那个撕逼视频又出了续集,作者这次专注于讨论电影(准确地说,motion pictures)的工作原理到底是怎样。

电影的原理,就是指一切从走马观花到电影到动画到任何视频甚至到显示器的原理——快速播放一系列稍有差异的静止图像,会让人感觉图像中的物体动了起来这一现象。

和上次一样,电影的工作原理也有所谓“主流”观点和“新”观点两种。主流观点就是视觉暂留。什么是视觉暂留(persistence of vision)?这种理论声称,人眼(准确地说是视神经)有一种生理特性,就是当一个物体被视神经看到之后,其像会在视神经上暂留一段时间,具体时长约为0.1秒至0.4秒,视光的强度而定。当然,这种说法有些含糊:这种特性的背后的原因是什么(比如是什么生理构造导致的?),“暂留”的像是稳定持续然后突然消失还是逐渐消失?不过还好,这些细节问题和今天的讨论的话题无太大关系。

可以说,视觉暂留是一种被广泛观察到并且实验可以确认的现象。一个最简单的实践例子就是CRT显示器或者是日光灯管这类频闪发光的设备——CRT显示器的原理大家应该知道,就是一个电子枪从上到下逐行扫射,其实每个“像素”的发光时间只有很短,绝大部分时间(按比例)都是黑的;但是由于扫射的频率足够高,人眼就看不出区别。但是由于是这种高频的脉冲信号,如果用其他以固定采样率采集的设备(如摄像机)去拍摄,就会看出闪烁和滚动的现象。如果人眼没有视觉暂留现象,则无可能接受这样的图像。这里需要注意的是LCD或者说电影/动画的成像原理则完全不同——这两者都是持续发光的,也就是说如果是24帧每秒的的电影,每一帧都会持续显示1/24秒,而不是CRT那样的脉冲信号。也就是说即使人眼没有视觉暂留现象,看这些设备也不会觉得“闪”(但是有个特例:传统电影胶片放映机中会用遮挡板加入黑场;这个则必须要有视觉暂留才能消除)。

但是关键问题是,是否是视觉暂留导致了人会将连续放映的静止帧视为运动。要回答这个问题,得先看看两者之间到底有什么不同,以及视觉暂留到底能否“修正”这个不同。很显然,一个真正运动的物体其像是完全连续的——具体的连续程度视人眼的“采样率”或者说时间分辨率和运动速度而定——但是motion pictures则仅仅是一堆不断变化位置的静止图像。那么,将视觉暂留的效果加在这个上面,会导致什么结果呢?如果是真实运动,以观察一个物体直线匀速运动0.5秒为例,假设运动了300单位,而视觉暂留的时间是0.1秒(假设完全暂留,没有渐隐效果),那么在最后一秒你眼中呈现的形象应该是类似下图这样的拖影效果:

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如果是是静止图像组成的“运动”呢?假设帧率是20fps,那么这0.1秒内也就只有两帧,也就是一头一尾两个图像:%e6%9c%aa%e6%a0%87%e9%a2%98-2

因为中间的图像根本就不存在,所以就算你如何“残留”,也就是只有两个完全不相连的图像不断自己叠加而已。

不过,如果不断地提升帧率,最后达到一个类似这样的结果:

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这样,可以说是和真实运动的“像”比较接近了。可以看到,如果两帧之间的运动足够接近,在经历视觉暂留后,可以逐渐达到一个接近真实运动(也是after 视觉暂留)的感觉。另外用类似的方法,也可以推导出动态模糊在低帧数的下的效果(注意:这里用PS滤镜模拟,运动物体的信号强度被背景给平均掉了。在真实摄影中,由于相机是持续曝光的,实际效果要强于这个。懒得作图了!):

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同样只有2帧的情况下,效果要比上面那个图强不少。

至于多少FPS才算够用,还是之前的理论:物体帧间位移要足够小才行。或者分子分母同时除以个时间,物体运动速度比帧率的比值要低。这倒也算容易理解:只有够小了,整个“轨迹”才够连续,和“真实运动”的能相近似。

说了这么多,在我看来视觉暂留现象,至少逻辑上能够自洽。那么“似动现象”又是什么新理论呢?注意这里我打了个引号——因为“似动”其实就是指这种渐进的静止图像被人眼错以为是运动,所以叫似动(apparent motion或者apparent movement),是对这一“幻觉”的描述而不是解释。不过中文文献中似乎莫名地喜欢用这个名字来和“视觉暂留”相对立,这里也姑且用一下。

事实上,不止是这个名字,整个所谓“新理论”都语焉不详,或者说很难概括出中心思想。这里推荐真心感兴趣的看一下这篇为新理论摇旗呐喊的旗舰级文章,The myth of persistence of vision revisited——因为几乎所有的中文文献,都是从此综述中摘取的观点,包括这篇最为详尽的,某学报上的几乎全篇纯翻译上文的“论文”。大致上来说,此文有这么几个观点(依研究的时间顺序):

1)用“视觉暂留说”来解释运动知觉(或者说,似动幻觉)是不对的或者说至少是不全面的,应该从更“后面”(即大脑或意识层面)来分析。也就是说,争论的焦点就是到底不同像之间的“熔合”(即暂留)到底是在视网膜/视神经上发生的,还是大脑内补完的?

让我无法接受的是作者并没有给出任何解剖学或者生理学上的证据来证明这一点,只是罗列了一堆19世纪研究者的观点之后然后泛泛地说“从20世纪初起,基本心理学家研究都认为是后者(“occurring in the brain or the central nervous system”),而不是前者了”。

之所以强调证据,因为在我看来只有如此,才能区别这两者——因为如果把从人眼到大脑整个部分视为一个黑箱,两者在外表象上并无本质区别——你无法仅仅通过心理实验,就证明是A不是B。例如,上面提到的由于视觉暂留而导致人眼无法察觉到频闪的问题,也完全可以从“视神经上暂留”转移成“大脑里暂留”,没有任何区别。

2)格式塔学派的奠基人之一马科斯·韦特墨1912年提出的新理论,beta movement和phi movement。其中beta movement是指“the object at A seen as moving across the intervening space to position B”——也就是说一个物体如果从A“瞬移”到B,在一定情况下会被人眼认为是平滑运动——phi movement则是“objectless or pure motion”——无物体的或纯运动。如果不是很能理解是什么意思,可以看图说话:

(左beta,右phi,图片来自Wikipedia)

嗯等等……是不是哪里不对?这不过就是把似动现象更详细的描述了一下吧!尤其是左边那个不就是动画吗啊喂!解释呢?好像有一条来自某个学者的:“As an alternative explanation Munsterberg proposed a central “filling-in” or impletion process. In the traditional two-element display, he would argue, the two stimuli are perceived at different locations at different times, and the observer’s mind fills in the gap — movement is “not seen from without, but is superadded, by the action of the mind.””嗯大概就是说人的意识脑补了中间并没有看见的的运动?在我看来这是正确的废话:地球人都知道中间的运动并不存在,但是被人当成了存在了;你这一句mind fills in the gap根本就是把现象换了个方式再说了一遍。而且这充其量算是定性,为什么gap大了不行?gap多小才算可以?

呃那我们再看看维基吧——“[Beta movement] is caused by the fact that the human optic nerve responds to changes in light at about 10 cycles per second,[citation needed] so changes about double of this are registered as motion instead of being separate distinct images.”喂这根本又绕回去视觉暂留了吧!而且那个citation needed好刺眼!

3)第三章则有点意思。作者把似动分成了“短程似动”和“远程似动”,并且提出两者的机制是不同的。其主要论据是,实验发现当两个点先后点亮时,如果两个点相距非常远,反而会被人感知成运动;当距离逐渐缩近后,似动的错觉消失了,直到两个点足够接近才会恢复。作者也提供了一些临床证据来背书这一理论。最后作者提到,在电影中出现的似动现象,应属于短程似动,其感知的原理应该和真实的运动的感知原理一样(即对人来说,两者感知上是一样),而不是上面提到的“视觉暂留”或者“phi现象”。那么,到底是什么原理呢?这很重要还是全文引用吧:

If we viewers process the motion in a motion picture the same way we process motion in the real world, then we must ask how we process motion in the real world. The short answer to this question is that we process movement in active meaning-seeking ways. We rapidly sample the world about us, noting the things that change and the things that do not change. We turn our heads for a better view; we move left or right to gain additional information provided by a different angle. We move closer or farther away. We actively seek more information about things that interest us. We seek greater clarity of both our vision and our understanding. And our perceptual system continuously notes whether everything in our field of vision is moving or whether only certain things are moving, the former indicating that we are moving, and the latter that something else is moving. These are elements to ponder in a new theory of the motion picture.

就不完整翻译了,大致意思是,人是“主动地”去感知这个世界的。通过比较物体位置的变化,人可以区分出什么物体是在运动,或者是自己在运动。我们应该从这个角度出发去研究电影的原理(这个说法倒是让我立刻想到了坐火车的时候有时候会分不清到底是对面的车再走还是自己的车再走的问题——其实人脑还是挺容易被骗到的啦)。是不是有点抽象?

虽然前面吐槽了那么多,其实看到这里反正稍微有点可以理解作者的中心思想了。让我们假设人的视神经完全没有视觉暂留,而人脑中也不会有视觉刺激上的“暂留”——但是人显然依然可以感觉到运动:因为你记忆中(而不是在视觉信号上有残留)就知道这个物体原来在哪,而他现在又在哪。只要你的意识(自主地不自主地)比较这两个位置,自然可以知道物体的移动。不过其实还是上面那个“mind fills in the gap”的问题,说的是挺好,但是太笼统,而且似乎上升到了讨论“意识到底是什么”的哲学范畴(似乎这恰恰就是“格式塔学派”要解决的问题)。

大体来说,“视觉暂留”和新的心理学角度出发的理论感觉都有其各自的道理,而且说不定两者根本不矛盾,无非是不同的出发点。不过我的潜意识里还是觉得,既然人能把高频闪光当成连续亮光(这个好像只能用视觉暂留来解释了?),那相似位置的离散图像当成运动的单一物体似乎也挺自然而然的。所以还是更倾向于“暂留”理论。哦不过,到底“暂留”现象是不是存在在视神经层面,倒是可以用临床证据证明一下,不知道有没有相关的研究。我倒是对这点并没有什么执着,就算眼睛没有暂留,也无非是把这种现象转移到大脑内部罢了。

而且民科一下,如果假设人眼的采样率有极限,其实也能解释前面提过的远程似动问题:所以如果一个真实物体运动过快,连人眼都无法捕捉到连续的运动轨迹。与此同理,如果有两个闪光相距很远先后点亮,虽然中间“缺帧”非常严重,但是由于和现实中的超高速运动物体的表征一样,人眼反而觉得是在运动了。

最后提一下视频中的另外一个话题,critical thinking。对于这种偏冷门的或者说没有定论的消息,切勿看了一个说法就信以为真,或者觉得字多就是真。最基本的基本,要先看看逻辑说不说的通。如果逻辑都不通,那就算有真理在,至少这个版本的解释是不靠谱的。或者是一到重点问题就支支吾吾的类型,比如视觉暂留,我随便看了几篇的说法都是只提视觉暂留,就是不说视觉暂留为啥能导致似动,也说不清楚。看维基也是,虽然维基总体而言在技术条目上完全胡扯的比较少,但是你得多留点心才能搞清楚到底哪些才是“主流观点”,哪些是“新理论”。这现象在小众条目里很常见,一般来说就是一个编辑持有观点A,先把条目都编辑了一遍,后来又来了个编辑B,可能刚看了篇儿网上的“谣言终结”的文章正兴奋呢,感觉“诶你看看你,还在扯这老黄历”去其中几个条目改吧改吧……这么翻来覆去几次,互相矛盾也就不足为奇了。你看视觉暂留,里面说被beta和phi movement理论给disprove了;你看beta movement,又说他的原因是视觉暂留…

小众问题其实还有个问题就是愿意写干货就那么多,经常你交叉看了4、5个地方发现都是车轱辘话来回说,好歹自己动动脑子把线条捋一捋吧…当然更多的是直接复制直接不带脑子的,中文社区太多了就不提了。

 

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