視覺暫留

王立文　王劍薇

人體的感官是感受外界事物刺激的器官，視覺是人體感知環(huán)境的五大感官之一。《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出，為了使學(xué)生獲得“人體由多個系統(tǒng)組成，分工配合，共同維持生命活動”這樣的科學(xué)概念，要求學(xué)生學(xué)習(xí)“人體有感知各種環(huán)境刺激的器官”的科學(xué)內(nèi)容，還提出了要求學(xué)生能“說出細(xì)胞是生物體的基本組成單位”這樣的學(xué)習(xí)目標(biāo)。由韋鈺院士翻譯的《科學(xué)教育的原則和大概念》中，在關(guān)于生物的基礎(chǔ)構(gòu)成部分中指出“生命的所有基本功能都源于這些構(gòu)成生命體的細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的過程”的科學(xué)概念。

那么人體細(xì)胞內(nèi)發(fā)生了怎樣的過程，從而引起人的視覺感受呢？尤其是人體的視覺暫留是怎么發(fā)生的呢？對于人體的神秘微觀層面，學(xué)生理解起來十分困難，但是可以來中國科技館，借助展覽設(shè)計(jì)者們把抽象的科學(xué)概念設(shè)計(jì)成的能直觀反映科學(xué)概念的展品，通過親身互動體驗(yàn)，就能逐步理解抽象的科學(xué)概念了。

在中國科技館“探索與發(fā)現(xiàn)”A廳的“光學(xué)”展區(qū)，有這樣2件展品——“空中成像”與“奇幻之水”，展示的就是與人體的視覺暫留特性相關(guān)的科學(xué)內(nèi)容。

視覺暫留現(xiàn)象是光對視網(wǎng)膜所產(chǎn)生的視覺在光停止作用后，仍保留一段時間的現(xiàn)象。簡單地說，就是光線已經(jīng)消失了，但是人在短時間內(nèi)還能感受到視覺的殘留。人的眼睛看到物體時，光對眼睛的視網(wǎng)膜產(chǎn)生作用，視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞感光后，將光信號轉(zhuǎn)換為神經(jīng)電流，經(jīng)過視神經(jīng)傳給大腦，從而引起人體視覺，人體感受到物體的像。但感光細(xì)胞的感光是靠感光色素實(shí)現(xiàn)的，感光色素的形成是需要一定時間的，如此，當(dāng)物體移去或光停止作用時，視神經(jīng)對物體的印象卻不會立即消失，而是要延續(xù)0.1 -0.4秒的時間，這就形成了視覺暫留現(xiàn)象。

空中成像

我們的眼睛從二維圖像上可以得到平面圖像信息，但從一根直線上，能獲得二維圖像信息嗎？中國科學(xué)技術(shù)館中的“空中成像”展品會給我們帶來答案。

“空中成像”展品主要由啟動開關(guān)、成像桿、控制系統(tǒng)及操作臺組成。成像桿可繞一端固定軸在一定角度范圍內(nèi)左右擺動，其上安裝有一根直線形發(fā)光條，發(fā)光條上有按直線均勻排列的多個LED燈，當(dāng)展品被啟動時，我們就可從快速擺動的成像桿上看到各種文字或者圖案。

為什么會產(chǎn)生這樣奇妙的現(xiàn)象呢？其原因就在發(fā)光條上的LED燈上。在系統(tǒng)的控制下，成像桿的擺動速度與其上面的LED燈的閃爍頻率可進(jìn)行調(diào)整和控制。運(yùn)用數(shù)字顯示技術(shù)，通過程序控制成像桿在擺動到不同位置時每個LED燈的亮滅次序，是形成展品展示效果的關(guān)鍵。通過協(xié)調(diào)LED燈的閃頻速度與發(fā)光條的擺動速度，在成像桿快速、勻速擺動時，擺動到不同位置的LED燈分別給人留下短暫的視覺殘留影像，這些影像在腦中組合起來就形成了一幅完整的畫面，展示出各種文字和圖案。

成像桿驅(qū)動裝置是由直流伺服驅(qū)動器及電機(jī)構(gòu)成的，使成像桿能按照給定的速率勻速旋轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)控制成像桿的伺服驅(qū)動器運(yùn)行，同時根據(jù)伺服驅(qū)動器的轉(zhuǎn)速控制LED矩陣裝置，使其按照對應(yīng)的頻率掃描，使成像桿呈現(xiàn)文字或圖案。

視覺暫留性質(zhì)首先是被中國人應(yīng)用的，民間風(fēng)俗中的走馬燈便是應(yīng)用人體視覺暫留性質(zhì)的最早歷史記載。走馬燈外形多為宮燈狀，內(nèi)以剪紙粘一輪，將繪好的圖案粘貼其上。燃燈以后熱氣上熏，紙輪輻轉(zhuǎn)，燈屏上即出現(xiàn)人馬追逐、物換景移的影像。后來法國人保羅·羅蓋發(fā)明了留影盤，盤的一面畫了1只鳥，另一面畫了1個空籠子，將l根繩子穿過圓盤，當(dāng)圓盤快速旋轉(zhuǎn)時，視覺中鳥在籠子里的畫面就出現(xiàn)了。

視覺暫留原理普遍應(yīng)用在我們常見的電影、電視等視覺媒體制作和放映中。當(dāng)我們欣賞電影時，電影機(jī)在屏幕上每秒鐘勻速播放24幅靜止的畫面，而在電視熒光屏上，圖像是幾十萬個像素按一定順序輪流發(fā)光，使我們看到連續(xù)的畫面，這正是利用視覺暫留特性的結(jié)果。

乘坐地鐵時，地鐵運(yùn)行穩(wěn)定后，我們在地鐵隧道中經(jīng)常可以看到“動態(tài)”的宣傳廣告，仿佛有一幅屏幕在和列車同步前進(jìn)，它們也是利用視覺暫留原理制成的。在隧道的一段墻壁上有一排長長的水平方向等距1米多、垂直安裝的LED燈帶，每條LED燈帶相當(dāng)于一列像素，上面分布著幾百個發(fā)光點(diǎn)，如果列車靜止下來，我們能看到每根LED燈帶上的各種顏色的光點(diǎn)。當(dāng)列車快速運(yùn)動起來，速度較為穩(wěn)定的時候，我們就可以欣賞到動態(tài)畫面了。如果列車的速度稍有變化，我們就會覺得畫面的位置在動，向前移動或者向后移動。

奇幻之水

大家都知道，在重力場中，物體在重力的作用下都有從高處向低處下降的趨勢。但從中國科學(xué)技術(shù)館展品“奇幻之水”中可以看見，水流不僅可以從上向下流動，還可以從下往上流，形成壯觀的“倒流水簾”，這是為什么呢？

“奇幻之水”展品主要由水泵、水循環(huán)系統(tǒng)、幕墻、頻閃燈、音效裝置組成。水泵和水循環(huán)系統(tǒng)提供水源，使水不斷從高處的一排出水孔滴落下來;幕墻用于遮光，營造出較暗的環(huán)境;頻閃燈置于展品的頂端，由程序控制頻閃燈的閃爍速度，使其與水流的速度匹配;音效裝置播放的音樂節(jié)奏與水的流動效果相配合，加強(qiáng)奇特效果的感染力。

當(dāng)我們進(jìn)入展品的展示區(qū)后，傳感器接收到信號，控制程序啟動系統(tǒng)開始工作。水開始從上方的一排出水孔滴下來，燈光熄滅的時候一片黑暗，我們看不到水的流動過程，當(dāng)燈光快速閃亮的一剎那，我們就能看到水滴下落的某一瞬間狀態(tài)的景象。當(dāng)頻閃燈不斷地閃亮和熄滅，并且切換速度足夠快、眼睛看到的相鄰景象都有微小和規(guī)律的變化時，在我們的視覺中就會產(chǎn)生動態(tài)的畫面，可能看到水在向下流動，也可能看到水在向上流動。

這個展品通過自動控制調(diào)整水的流速和頻閃燈的頻率配合實(shí)現(xiàn)展示效果，能讓我們先看到水從上向下流動的正常景象，接下來水流方向時而向上、時而向下地交替變化，有時甚至?xí)吹剿畏路饝彝Ｔ诳罩校瑫r音效裝置播放動感較強(qiáng)的音樂，音樂節(jié)奏與燈閃變化相配合，使我們沉浸在“倒流水簾”的奇妙情景之中。

在生活中我們也會發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象，比如我們有時看到向前跑的汽車，它的輪子的轉(zhuǎn)動方向卻是向后轉(zhuǎn)的，還有我們眼睛看到的轉(zhuǎn)動的風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動方向，有時也與扇葉實(shí)際轉(zhuǎn)動的方向相反，其原理都與“奇幻之水”展品相似，這些都是人眼的視覺暫留特性所引起的奇特視覺感受。