一款易于操作的視覺暫留現象實驗演示裝置的設計

文/方 猛 張愛群 陳志杰 張東衛

（合肥通用機械研究院有限公司）

一、引言

眼睛的一個重要特性是具有視覺惰性，即光像一旦在視網膜上形成，視覺將會對這個光像的感覺維持一個有限的時間，即光的作用結束后，視覺形象并不立即消失，這種殘留的視覺稱“后像”，視覺的這一現象稱為“視覺暫留”，又稱為“余暉效應”。視覺暫留現象是1824 年由英國倫敦大學教授皮特?馬克?羅葛特在他的研究報告《移動物體的視覺暫留現象》中最先提出的。其實，視覺暫留現象最先是被我國人運用的，在宋代以前就已經出現的走馬燈是有歷史記載的最早的對于視覺暫留現象的運用。

視覺暫留是由視神經的反應速度造成的。視覺實際上是靠眼睛的晶狀體成像，感光細胞感光，并且將光信號轉換為神經電流，傳入大腦引起視覺。感光細胞的感光需要要依靠感光色素，而感光色素的形成是需要一定時間的，這就是形成視覺暫留現象的原因。

目前所開展的用于觀察視覺暫留現象的人體視覺惰性實驗多采用如下兩種方案。一是圓盤式，通過繩索等將一個圓盤在外側水平兩端固定（也就是一個被繩子在兩面穿過的圓盤），使得圓盤可以圍繞著繩索旋轉，在圓盤的兩面畫上有一定關聯的不同圖案。此時，如果快速旋轉圓盤就會發現，兩幅圖案會形成一幅圖案。比如，在圓盤的一面畫一只鳥，在圓盤的另外一面畫一只鳥籠子，在圓盤高速旋轉的情況下，觀眾看到的是一幅鳥籠子中有一只鳥的畫面。二是圓筒式，通過軸承等方式支撐一個圓筒，圓筒可以自由地旋轉，在圓筒的內壁貼上一組相關聯的畫面，此時如果快速旋轉圓盤就會發現，圓筒內會形成了一幅圖案。

不過，上述兩種類型的演示裝置存在著以下問題：首先，圓盤旋轉形成的是一幅靜態畫面，并且在這種條件下人眼還是可以斷續地看出獨立的兩個畫面；其次，由于圓筒內壁一組相關聯的畫面會使得實驗者產生錯覺，認為僅僅是在圓筒內部貼畫才會有類似現象發生；再者，由于受到了畫面、旋轉體、光線等因素的影響，這類實驗的畫面模糊不清，嚴重的還會使實驗者感到頭暈、惡心。

二、設計

針對上述現有技術中的不足之處，本文提出設計一款易于操作的視覺暫留現象的實驗演示裝置，能讓實驗者或參觀者更加清晰和直觀地感受到視覺暫留現象。

國內有學者對立體視覺類科普展品“三色鳥”的設計開發過程進行過探討[1]，尤其是對其控制系統做過詳細的描述。“三色鳥”成功地通過不同色光的混合展示了紅、綠、藍三基色的合成，并且將這種色光的合成與影像的動態效果相融合，取得了令人滿意的效果。

在類似展教品方面，也有學者將發明問題解決理論（TRIZ）應用在科普展品的創新設計中[2，3]，提出了根據科普展品的不同類型，可以選擇最為適宜的TRIZ分析步驟；在利用TRIZ 進行分析的過程中，可根據問題靈活運用不同的分析技巧。

因此，作者仍以飛鳥圖案為例，通過利用系統分析、系統裁剪、因果分析、資源分析、矛盾分析、物場分析、進化分析等TRIZ 工具對該案例進行分析，并在結構中的轉筒圓周筒壁上設置均勻的條狀開口（槽），使其達到了視覺中的鳥籠和頻閃燈的效果。所設計的視覺暫留現象實驗演示裝置結構如圖1 所示，飛鳥模型圖案如圖2 所示。

圖1 視覺暫留現象實驗演示裝備結構示意圖

圖2 飛鳥模型圖案

該視覺暫留現象實驗演示裝置包括設置在支撐臺面上的框架底座和固定軸底座，在固定軸底座上安裝了固定軸，固定軸通過軸承支撐軸承座，軸承座與轉盤連接，轉盤上設有轉筒和一組飛鳥模型，轉筒的圓周筒壁上設置有均勻的條狀開口（槽），飛鳥模型連接在轉盤上并與轉筒的條狀開口對應且設置在轉筒外側，固定軸底座上端安裝有可以發光的燈盤組件（LED），燈盤組件（LED）通過傳感器和控制電路啟動或關閉發光元件。支撐臺面上有透明外罩罩住該實驗演示裝置。

三、應用

首先，實驗人員或參觀人員以順時針方向旋轉手輪，驅動主皮帶輪、皮帶、副皮帶輪旋轉，從而驅動轉盤旋轉。轉盤的旋轉帶動了與轉盤連接在一起的轉筒和飛鳥模型同步一起旋轉，此時轉盤的旋轉觸發了傳感器，啟動了燈盤組件（LED）開始發光，實驗人員或參觀人員就可以觀察到：飛鳥模型飛進了轉筒內，就像是有一只鳥在鳥籠內的空中動態飛翔。

與原有的實驗演示裝置相比，該視覺暫留現象實驗演示裝置具有以下明顯的提高和改進。

1.用立體模型替代了平面畫

客觀世界因雙眼而立體，平面圖像無法躍然紙上。我們在生活中看到的事物都是立體的，因此，立體模型替代平面畫能夠更加貼近生活，更能夠真實地反映客觀世界的現象，而這些是平面畫所無法做到并產生效果的。

2.實驗畫面動態、豐富

按照飛鳥案例，實現了畫面動態，展現了飛行姿態，隨著燈光的開啟，展現出了飛翔的鳥飛入鳥籠的情景；同時，根據不同的立體模型，同樣可以展示奔馳的駿馬、火車、汽車和飛機等動態場景。

3.畫面清晰、流暢

由于采用了立體模型和燈光，展現出來的動態畫面輪廓清晰、畫面動感流暢。

4.實驗操作方法簡單和多樣化

實驗方法操作簡單、可靠。傳動方式上，本案例選擇了皮帶傳動，實際上傳動方式還包括直聯、齒輪、鏈條等；動力方式包括用手撥動、用手輪旋轉等，也可以通過電動機驅動實現長時間運轉。傳動方式和動力方式可以根據實驗和教學現場條件進行選擇。

5.降低了外界因素對實驗的干擾

該視覺暫留現象實驗演示裝置設有活動連接的透明外罩，可根據使用需要安裝或拆卸透明外罩。透明外罩降低了演示過程中外界因素對實驗的干擾，為實驗和教學成果提供了保證；同時，透明外罩也具有長期放置時的保護和防塵作用。

6.節能環保，適合于長期實驗教學

該視覺暫留現象實驗演示裝置可由人力驅動，燈盤組件采用LED 光源，可根據實際需要在各種場所進行演示，符合節能減排的社會需要，并且結構簡單，實驗費用和維護費用低廉，適合于長期的實驗和教學使用。

四、結論

本文提出的一款視覺暫留現象實驗演示裝置操作方法多樣，可以廣泛運用于教學演示和科普教育。隨著技術進步，尤其是3D 打印技術的發展，用立體模型替代平面模型在類似裝置中使用將是一個發展趨勢。立體模型配合燈光系統和音效系統等，不僅僅可以演示動態畫面，還可以實現特定的故事場景，可以給實驗者和參觀者產生場景帶入感，進一步激發實驗者和參觀者的情趣，改善了實驗和教學環境。