В отличие от зрения человека, камера получает картинку покадрово. В кино это обычно 24 кадра в секунду, в телефонах чаще 30 или 60. Например, основная камера Nothing Phone (3a) от британского производителя смартфонов Nothing снимает 4K-видео только 30 кадров в секунду. Между двумя кадрами — пусто, и все, что объект успел сделать за 1/30 или 1/24 секунды, наш мозг достраивает сам, сопоставляя каждую деталь нового кадра с ближайшей похожей деталью старого.
У колеса все спицы одинаковые, и определить, какая из них какая, невозможно. Допустим, колесо между кадрами повернулось на 90% расстояния между соседними спицами. Тогда каждая спица на новом кадре стоит чуть позади того места, где на прошлом кадре стояла соседняя. Но для мозга короткий путь кажется правдоподобнее длинного.Так возникает эффект колеса телеги. Если колесо между кадрами проходит ровно один промежуток между спицами, спицы выглядят неподвижными, а если чуть меньше, ползут назад.
Почему колесо замирает на 43 км/ч
Возьмем легковую машину с пятью спицами на диске и шинами 205/55 R16. Диаметр такого колеса около 63 см, длина окружности около 2 метров. Соседние спицы стоят на одной пятой оборота друг от друга. При съемке 30 кадров в секунду колесо должно поворачиваться ровно на эту пятую часть за кадр, то есть делать 6 оборотов в секунду. По расчетам, это около 43 км/ч. Именно на такой скорости спицы замирают. При 24 кадрах в секунду то же происходит на скорости около 34 км/ч.
Дальше логика такая: чуть медленнее этой скорости колесо на видео ползет назад, чуть быстрее ползет вперед. Если за кадр колесо проходит ровно два промежутка между спицами, оно замирает снова. При 30 кадрах это около 86 км/ч, затем около 129 км/ч. Поэтому при разгоне машины на видео колеса несколько раз останавливаются и меняют направление, хотя скорость растет без перерыва. У диска с десятью спицами промежутки вдвое короче, и первая остановка наступает уже на 21 км/ч.
Лопасти вертолета
С вертолетным винтом работает то же правило, только считать нужно сколько лопастей в секунду проходит через одну точку. Лопасти одинаковые, и камера их не различает, поэтому важно, сколько лопастей за секунду проносится через одну точку. В руководстве для операторов приведен такой пример: пятилопастный винт делает 300 оборотов в минуту, то есть 25 проходов лопастей в секунду. При съемке 25 кадров в секунду каждый кадр ловит лопасти на одних и тех же местах, и винт выглядит неподвижным. Авторы отдельно отмечают, что нужна короткая выдержка, иначе лопасти смажутся.
На реальных машинах картина другая. Несущий винт Ми-8 пятилопастный и делает около 192 оборотов в минуту. Это 3,2 оборота и 16 проходов лопастей в секунду. Замереть он мог бы при 16 кадрах в секунду, но не при 24 или 30. У двухлопастного американского вертолета Robinson R44 главный винт после редуктора вращается со скоростью 408 оборотов в минуту. Это 6,8 оборота и 13,6 прохода в секунду.
Чтобы пятилопастный винт замер на 30 кадрах, ему нужно 6 оборотов в секунду, то есть 360 в минуту. Двухлопастному нужно в два с половиной раза больше, 15 оборотов в секунду. Ни у Ми-8, ни у R44 винты так не крутятся. Поэтому на обычных роликах винт чаще вращается лениво, подергивается или идет назад, а полную неподвижность дает только удачное совпадение. Тот же счет справедлив для квадрокоптеров и других аппаратов с быстрыми винтами.
Почему винт гнется
Есть и второй обман зрения, не связанный с частотой кадров. Матрица большинства телефонов и веб-камер считывает картинку построчно. Верхние строки кадра фиксируются чуть раньше нижних, и между началом и концом считывания проходит заметное время. Так устроен построчный затвор. Быстрый винт успевает за это время провернуться, и одна лопасть оказывается запечатлена в разных положениях на разной высоте кадра.
Результат выглядит странно. Прямая лопасть изгибается дугой, у вертолета лопасти кажутся отогнутыми назад сильнее, чем на самом деле. Винт самолета может выглядеть как набор изогнутых полос, а иногда лопасти даже кажутся не соединенными в центре. Если матрица считывается целиком одновременно, такого искажения нет. Это называется глобальным затвором, но такие камеры дороже. Кинокамеры высокого класса считывают кадр быстрее, и перекос у них слабее.
Почему колесо крутится назад даже без камеры
Но почему подобное иногда видно и без камеры? Спицы колеса на солнце порой на мгновение кажутся вращающимися в обратную сторону, хотя свет непрерывный и никаких кадров нет. Ученые предложили два объяснения. В 1996 году исследователи Первс, Пайдарфар и Эндрюс предположили, что мозг сам воспринимает мир порциями, как кинокамера.
Эксперименты Клайна, Холкомба и Иглмана в 2004 году эту версию поставили под сомнение: два одинаковых вращающихся узора, размещенных рядом, меняли направление не синхронно, а мозг, делающий общие снимки, менял бы его у обоих сразу. Большинство данных говорит в пользу второго объяснения. Клетки зрительной системы, настроенные на движение в противоположные стороны, соперничают между собой: при долгом вращении часть клеток, настроенных на противоположное направление, начинает побеждать и подменяет верное ощущение. Механизм до сих пор обсуждают, и единого вердикта нет.
Насколько надолго замирают колеса
Напоследок вернемся к камере: полная неподвижность на видео требует совпадения с точностью до нескольких процентов. Допустим, скорость машины на 5% ниже 43 км/ч. Тогда при съемке 30 кадров в секунду спицы уезжают назад на 1,5 промежутка между спицами каждую секунду. Это медленный, но заметный дрейф. На реальной дороге скорость постоянно колеблется, поэтому колеса замирают лишь на пару секунд, а затем снова пирходят в движение. С винтами то же самое: обороты у них держатся стабильно, но попасть точно в частоту кадров получается редко, и операторы подгоняют частоту кадров под винт заранее, как в примере с 25 кадрами в секунду.
Ранее мы рассказывали про дрон Supercam S180, который уклоняется от дронов-перехватчиков.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
