光学魔法：《惊天魔盗团2》中，魔术师如何控制雨滴悬停？

【编者按】本文作者@看风景的蜗牛君，中科院光学工程博士。

最近《惊天魔盗团2》华丽上线，精彩的画面让大家大呼过瘾，尤其对其中魔术师控制雨滴悬停的片段津津乐道。在魔术师的控制下，磅礴的雨滴瞬间悬停在空中，而随着魔术师的手势，雨滴甚至开始向上运动，令人惊叹不已。

实际上，这并不是什么魔法，而是利用光学原理在现实中可以复现出的情景。

要解释这一现象，我们需要从运动视觉（Visual perception of motion）开始说起。运功视觉定义为对物体随时间在空间运动（位移或变化）的视知觉。除了人类，很多动物也都有运动视觉，甚至有一些动物几乎只存在运动视觉，例如青蛙。

科学研究中，我们将运动视觉分为以下三类：

1、 真实运动视觉，即现实中的物体的像以一定速度和方向在视网膜上连续改变位置。生活中绝大多数时刻，我们对运动物体的视觉反应都属于这一类，它是连续的，因此存在绝对速度阈限，过低（例如钟表上时针）和过高（例如飞行的子弹）的速度人眼都无法感知。

2、 表观似动视觉（Apparent Motion），即静止的画面在人眼视野中相继呈现产生的视觉反应，这是因为人的视觉系统有视觉暂留的作用。例如下图中交替出现的蓝色斑点，会使人产生它正在左右移动的视觉体验。

3、 运动视错觉。这是一类非常特殊的运动视觉，因为此类型中，既没有物体的真实运动，也没有画面的交替，例如下图，前后移动会出现旋转的视觉体验。

研究发现，连续的真实运动与离散的表观似动，尽管原始刺激不同，但却能够产生相同的运动视觉效果，因为运动视觉得基本刺激并不是现实的“速度”，而是与时间和空间有关的画面信息。这一原理就是目前众多显示技术的基础，即利用一帧一帧变化的画面引起的表观似动视觉，来模拟现实中物体的实际运动。最有代表性的就是电影胶片。

将画面以每秒24帧以上的速度记录下来，再回放出来，就能通过让人产生连续的表观似动视觉体验。目前电影工业技术已经达到惊人的每秒120帧，画面更加细腻生动。

要注意的是，由于表观似动视觉效应中，运动不再是固有的物理刺激，因此交替出现的画面中有相应的对应匹配法则，例如空间最相临近的像素对应匹配法则：

下图中左右两个区域都是交替出现两个白色圆形斑点，但是由于空间距离远近不同，左图区域会令人产生斑点左右运动的感觉，而右侧区域则会令人产生上下运动的感觉。

更进一步，在下图中交替出现的两幅图有很多黑色斑点，位置经过计算和设计。由于空间最相临近的像素对应匹配，第一幅图中的黑色斑点会与第二幅图中的斑点找到一一对应的关系，交替出现就会产生整体画面晃动的感觉。

除了空间最相临近的像素对应匹配，还有形状最相似的像素对应匹配、颜色最相近的像素对应匹配、平面像素间优先匹配等。电影电视、定格动画等技术就是各种匹配法则综合运用的结果。

在看电视的时候，我们会发现一些很有趣的现象，例如车轮倒转。假设拍摄时帧率为最基本的24帧/秒，如下图所示，将车轮一个位置刻上标记箭头。

当车轮转速恰好为每1/24秒转整数圈，那么拍摄时就如同A行所示，车轮呈现静止状态。这种情况是比较罕见的，因此若是拍摄时车轮转速比1/24秒转整数圈快一点点，就如同B行所示，由于空间最相临近的像素对应匹配，则会出现车轮前转的情况。同样，若是拍摄时车轮转速比1/24秒转整数圈慢一点点，就如同B行所示，则会出现车轮倒转的情况。

实际拍摄时，情况会更复杂。由于轮毂的存在，车轮往往旋转不到360°就会出现形状重合，而且车速也不会是恒定的，因此车轮会出现时而正转，时而反转的情况。

总之可以看出，在使用表观似动视觉效应来表现现实世界物体运动时，对于某些周期性的运动的物体，我们可以通过调节帧率和周期的关系，来呈现多种视觉效果。

讲到这里，朋友们应该猜到静止的雨滴到底是如何产生的了。现实中的雨滴自然无法实现雨滴的悬停和上行，但是若是将真实运动视觉转化为表观似动视觉，则可以通过调节雨滴周期和帧率，来实现魔术的效果。

电影中魔术师也提到，利用了频闪照明灯的作用。灯光以一定的频率闪烁，只要频率足够快，则不会让人察觉到，但人眼视觉系统看到的已经不再是连续的世界，而是被快速闪烁的灯光定格的一帧帧静态画面，就如同拍摄的胶片一样。

在很多科技馆中都有一个展览项目，叫做“魔幻水帘”，即一排水滴有的静止，有的上行，有的以缓慢的速度下行。要指出的是，电影中的效果还是经过了艺术夸张，毕竟电影中这样简单的洒水器其实还是很难实现所有水滴频率统一的，更不必提广场中风力等其他因素的影响了。

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