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揭示动画的奥秘
Updated 9 months ago
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上周六,Unity为今年的儿童节举办了一次动画工作坊的教育科普活动。以下是本次教学内容的分享。
注:本次活动为精简版,实际内容可支撑5日全天寒暑假活动。

什么是视觉暂留?

乍一听这个问题,很多电影爱好者们会脱口而出:每秒24帧!也就是说当每秒放出24个画面的时候,我们就会看到连续的动画。是这样的吗?我们来一起看看。
保加利亚有个叫Mesini Zagovezni的宗教节日,节日期间只能吃素,结束的时候,为了庆祝这个节日,当地的小朋友们会玩一个甩火球的游戏。
甩着的火球形成的漂亮的火圈可能是人类看到的最早的视觉暂留现象。
别小看了这个孩子们玩的甩火球游戏。
1740年,德国数学家、物理学家约翰·塞格纳 (Ján Andrej Segner)使用类似的甩火球方法(实际是在轮子上固定了一个烧红的煤球)测出:如果想让跟着轮子转动的火球形成一个完整的火圈,轮子转一圈的最长时间不能超过100毫秒,也就是0.1秒。
这是记载中第一次较为精确地测出人眼视觉暂留的时间。
甩火球形成的火圈是连续的,模糊的图像,与我们说的能产生清晰画面的视觉暂留稍微有点远。
人类历史上通过另外一项发明,留下了更清晰的视觉暂留观察记录:旋转的车轮。
距今7000年前,在今天的伊拉克、伊朗地区第一次出现了轮子。
我们中国人的商代祖先在3000年前也学会了制造轮子。
连接车轮中心到边缘的一根根木棍叫做辐(辐是象形字,后来才出现的radiation的中文翻译“辐射”的辐,正是来源于原始的辐条从中心扩散到边缘的结构)
在《中国古代战车揭秘》这部纪录片里,两位美国工程师和来自南京大学历史系的老师们一起使用中国战国时代可能存在的生产技术复原了一辆战国时代的战车。
注意影片中的车轮,会发现车轮带来的视觉暂留现象:
车轮有时候是正着转的,有时候是反着转,甚至是不转的。
辐条看上去的转动方向和速度与实际车轮的转速之间的差别正是视觉暂留的表现。
飞机引擎上的奇怪的图画与旋转物体产生的视觉暂留也相关。引擎旋转的时候,因为视觉暂留,地面工作人员可能看不出来它在旋转,所以就画一条奇怪的曲线,帮助戴着隔音耳罩的他们避开危险。
但这样的视觉暂留,同样是连续的模糊不清的。
不过善于观察(或者说实在是没有什么娱乐节目,闲着无聊的)古人,很早就通过连接在同一根车轴上的两个车轮,发现了,通过近处的车轮观察远处的,有的时候可以清晰的看到每根辐条。
这个现象启发了不少聪明的人类。
1832年,比利时人约瑟夫·普拉陶和奥地利人西蒙·冯施坦普费尔通过实验,发明了费纳奇镜
他们使用一根木棍作为车轴,在对应辐条的地方挖出小孔,然后通过镜子观察画在圆盘(车轮)上的静止的图像,然后旋转圆盘,当转速合适的时候,就可以看到连续的动画了。
费纳奇镜可能是第一次通过系统的模仿创造出的动画工具。但是也有明显的缺点,每次只有一个人可以看到镜子中的动画。
美国人威廉姆·林肯把费纳奇镜的边缘向上翻折90度,发明了西洋镜
通过西洋镜的缝隙,好多人都可以同时看到动画了。
可西洋镜也有明显的缺点。通过缝隙去看的时候,在两个缝隙之间的地方,全部是黑色的遮光部分,单位时间内进入人眼的光线很少,所以看到的画面就太暗了(与相机ISO测光原理其实类似)。
为解决这个问题,在西洋镜的基础上,法国老师埃米尔·雷诺制作出了活动视镜。
这一次,他在西洋镜中间加上了一个多棱柱,在每个棱面上都贴上了一片镜子,观众不再是凑进西洋镜的外壁通过缝隙观察,而是可以在合适的距离上通过镜子观察。于是,就看到了这样的画面:
这个时候,最早的电影院也就诞生了。
截止到现在,我们看到的动画工具都是圆形的,由于圆形的周长限制,每段动画的长度都很短。
接下来,就轮到我们熟悉的大发明家爱迪生登场了。他和他实验室中的威廉·肯尼迪·迪克森借鉴了活动视镜的多棱柱镜子这个工具,融合进新出现的胶卷和电灯,发明了最早的电影放映机:肯尼特
肯尼特使用了多棱镜(只是这次换成了透镜而不是反光镜,灯光从多棱镜的下方投射过棱镜进入人眼),胶卷通过滑轮一次滚动,能放映更长的动画。
当然,你知道爱迪生这个人的,他发明了什么(或者宣称发明了什么),就说什么是最好的,虽然肯尼特每次只能供一个人看,但是他就敢说人类就喜欢一个人看电影,电影院才是异端。
上面看似简单到小朋友们都可以亲手制作的动画工具,从发现车轮的视觉暂留到最后做出西洋镜,人类花了1万年时间,甚至于有两位伟大的英国物理学家,电磁理论的奠基人法拉第麦克斯韦尔都曾亲自参与西洋镜的发明和改进,并且随后把研究的结果用到了他们自身的科研和教学中去。
同学们自己不要小看平时参与的这些小制作,这些小制作里可能蕴含了很深刻的科学道理。

如何才能进行发明创造呢?

其实很简单:
  1. 懂得背后的原理
  2. 了解现有的技术
  3. 解决眼前的问题
特别爱吹牛的爱迪生,懂得了视觉暂留的原理,了解了当时的技术(活动视镜、胶卷,和他说他已经发明了但实际牛皮快吹破了才真的做出来的电灯),放在一起,解决了之前的圆形动画工具一次播放动画太短的问题,由此发明了电影放映机。

那么,究竟什么是视觉暂留呢?

后来,科学家们通过对人类神经系统的研究发现,视觉暂留其实是人类普遍存在的感觉器官记忆中的一种。
“余音绕梁”这个词大家并不陌生,说的是听觉的记忆。
在我们不小心撞到了桌子边沿,撞完了却还觉得疼,这是触觉的记忆。
而视觉暂留,是我们视觉的记忆。
视觉暂留与视觉信号的强度与展示的时间有关:
越亮,强度越强,视觉暂留的时长就越短。所以视觉暂留的时长并不是固定的0.1或1/24秒。
当我们掌握了视觉暂留背后的原理,了解了电灯的技术,不再相信爱迪生的牛皮,我们终于可以发明出现代的电影放映机了。
这个时候的电影放映机,使用旋转的圆盘作为快门,每隔一段时间遮住常亮的灯光一次(很像我们的西洋镜),来形成视觉暂留。
后来随着电子技术的进步,尤其是芯片的发明与改进,我们不再需要机械开关来控制光源点亮的时间,而是直接控制光源本身了。
频闪灯,可以每秒开关上千次的光源,有了它,我们可以丢掉所有的机械装置,用裸眼观看动画啦。
频闪灯的主要用途除了在舞池里让蹦迪的人群产生自己很酷的幻觉外,主要用来测量机械旋转部件的转速,测量的方法很简单,在旋转的部件上画一笔,调整频闪灯的开关频率,如果肉眼看到这个符是静止不动的,那么恭喜,转速rps与频闪的频率就是整数倍关系。
除了使用频闪灯造成的灯光反射来创造动画效果,我们也可以直接用光源本身来制作。
比如我们这里就用最简单的LED的电路和Arduino程序编写了一个LED魔法棒程序。
看似无规律闪烁的LED,在快速横向晃动后,可以出现预先录入的字和图案。
直接晃动Arduino的板子,因为动作太快(其实是我们故意的,Arduino可以直接控制闪烁的时间,实现慢速挥动下肉眼可见的显示效果),不容易看清楚。
如果我们自己的速度就很快的话,可能就可以解决这个问题了。
在北京、上海的地铁上,我们有时候会看到窗外的广告:
这个广告显示的原理,与我们刚才展示的Arduino LED灯一模一样,唯一不同的是,广告商在地铁隧道内安装了很多的LED灯列,并且根据地铁的行进速度调整了LED闪烁显示的时间,以确保我们看到的是连续完整的清晰画面。
(附知乎的帖子 https://www.zhihu.com/question/19796308)
当然,正如我们上面所有介绍的动画工具一样,我们把LED灯排列在圆盘上,就可以轻松实现有趣的动画效果了。
最后,祝小朋友大朋友们六一节快乐!
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Zixi
K12 Education - Marketer
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Comments
Luo Xu
5 months ago
Academic leaders
unity教学体系的亮点
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苏冠华KOOON
9 months ago
hhhhh
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KL
Kevin Liu
9 months ago
非常荣幸参加了这次活动。整个活动组织得非常非常专业!这么好的内容只放在Unity Connect太可惜了。 Thanks @Zixi !
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