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，視覺是人體感知環境的五大感官之一。《義務教育小學科學課程標準》中指出，為了使學生獲得“人體由多個系統組成，分工配合，共同維持生命活動”這樣的科學概念，要求學生學習“人體有感知各種環境刺激的器官”的科學內容，還提出了要求學生能“說出細胞是生物體的基本組成單位”這樣的學習目標。由韋鈺院士翻譯的《科學教育的原則和大概念》中，在關于生物的基礎構成部分中指出“生命的所有基本功能都源于這些構成生命體的細胞內發生的過程”的科學概念。

那么人體細胞內發生了怎樣的過程，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生的呢？對于人體的神秘微觀層面，學生理解起來十分困難，但是可以來中國科技館，借助展覽設計者們把抽象的科學概念設計成的能直觀反映科學概念的展品，通過親身互動體驗，就能逐步理解抽象的科學概念了。

在中國科技館“探索與發現”A廳的“光學”展區，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的科學內容。

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

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？中國科學技術館中的“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、成像桿、控制系統及操作臺組成。成像桿可繞一端固定軸在一定角度范圍內左右擺動，其上安裝有一根直線形發光條，發光條上有按直線均勻排列的多個LED燈，當展品被啟動時，我們就可從快速擺動的成像桿上看到各種文字或者圖案。

為什么會產生這樣奇妙的現象呢？其原因就在發光條上的LED燈上。在系統的控制下，成像桿的擺動速度與其上面的LED燈的閃爍頻率可進行調整和控制。運用數字顯示技術，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鍵。通過協調LED燈的閃頻速度與發光條的擺動速度，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。

成像桿驅動裝置是由直流伺服驅動器及電機構成的，使成像桿能按照給定的速率勻速旋轉。控制系統控制成像桿的伺服驅動器運行，同時根據伺服驅動器的轉速控制LED矩陣裝置，使其按照對應的頻率掃描，使成像桿呈現文字或圖案。

視覺暫留性質首先是被中國人應用的，民間風俗中的走馬燈便是應用人體視覺暫留性質的最早歷史記載。走馬燈外形多為宮燈狀，內以剪紙粘一輪，將繪好的圖案粘貼其上。燃燈以后熱氣上熏，紙輪輻轉，燈屏上即出現人馬追逐、物換景移的影像。后來法國人保羅·羅蓋發明了留影盤，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，當圓盤快速旋轉時，視覺中鳥在籠子里的畫面就出現了。

視覺暫留原理普遍應用在我們常見的電影、電視等視覺媒體制作和放映中。當我們欣賞電影時，電影機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光，使我們看到連續的畫面，這正是利用視覺暫留特性的結果。

乘坐地鐵時，地鐵運行穩定后，我們在地鐵隧道中經常可以看到“動態”的宣傳廣告，仿佛有一幅屏幕在和列車同步前進，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燈帶相當于一列像素，上面分布著幾百個發光點，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。當列車快速運動起來，速度較為穩定的時候，我們就可以欣賞到動態畫面了。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。但從中國科學技術館展品“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、水循環系統、幕墻、頻閃燈、音效裝置組成。水泵和水循環系統提供水源，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奏與水的流動效果相配合，加強奇特效果的感染力。

當我們進入展品的展示區后，傳感器接收到信號，控制程序啟動系統開始工作。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的景象。當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律的變化時，在我們的視覺中就會產生動態的畫面，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整水的流速和頻閃燈的頻率配合實現展示效果，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，有時甚至會看到水滴仿佛懸停在空中，同時音效裝置播放動感較強的音樂，音樂節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現類似的現象，比如我們有時看到向前跑的汽車，它的輪子的轉動方向卻是向后轉的，還有我們眼睛看到的轉動的風扇的轉動方向，有時也與扇葉實際轉動的方向相反，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。