【存在问题】解释为什么旋转的物体有时看着像在倒转

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 楼主 | 2018-7-9 18:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 greedyhao 于 2018-7-25 23:27 编辑
今天在马路边观察了一下,日光下车轮确实不会发生倒转这种现象,只有隔着栅栏观察才会出现这种情况,确实是我记错了,感谢指正。



描述现象
相信大家都有过这么的经历,旋转的物体,有时候看着觉得在倒转。

比如汽车的车轮,从静止开始发动汽车,这个过程中,汽车的车轮看起来就是从正转到反转或停止,当汽车减速的时候,汽车车轮看起来就又恢复成正转了。(只有当灯源是离散的情况下)

学过信号与系统的或许知道奈奎斯特采样定律————最小采样频率是信号频率的两倍。

我在一开始也是不理解的,为什么刚刚好就要两倍,感觉很随意一样,别人家的黄金分割比都是小数0.618,听起来也酷,为什么奈奎斯特家的是整数。

虽然我也知道以低于两倍信号频率采样的时候,会欠采样,丢失信号信息,但是具体怎么个丢失法,也是不了解的。直到我开始学习数字信号处理(DSP),才总算是晓得了这么个东西。

解释原理
以下材料来自中国大学MOOC https://www.icourse163.org/learn/UESTC-236010?tid=1002753005#/learn/announce

有点懒得自己用Matlab画图(其实是自己学的不够好),就使用我在网上学习的课程中使用的图来解释吧。

图中是使用Fs=10Hz的信号对3Hz、7Hz、13Hz的信号采样的结果


采样间隔为0.1s,采样得到的序列为g1[n]=cos(0.6πn) g2[n]=cos(1.4πn) g1[n]=cos(2.6πn),从图中的采样点可以看出,采样点为三个信号的交点,所以采样得到的信号都是一样的,这种现象就是欠采样的效果:混叠现象

从频域上进行分析


使用10Hz的信号采样的效果相当于,将一个信号在频谱上分别向左和右搬移了20π。对于7Hz的信号来说,14π-20π=-6π,-14π+20π=6π,而3Hz的信号的频谱也在-6π和6π,所以无法分别到底是3Hz的信号还是7Hz的信号。如果将采样结果还原,得到的也只有3Hz的信号。同理可得13Hz信号的结果。

解释现象
一般来说,人眼能感受到的闪烁频率最高到60Hz,汽车车轮直径大概在737.6mm。也就是说,汽车车轮转动的频率超过30Hz,人眼就会出现“幻觉”了。

根据路程-速度-时间的关系,可以知道这个出现“幻觉”的速度为:v=30*737.6*10^(-3)=22.128(m/s)=79.6608(km/s)

所以说,一旦汽车的速度到了差不多80km/h的速度后,在人眼看来,车轮就有倒转的现象。

再现混叠现象
如果没条件把汽车架起来测试这个效果,可以选择平民化的测试方法。

手机摄像头的采集视频的刷新速度比人眼低很多,可以用手机摄像头对着电风扇拍视频,可以明显的看见电风扇也出现了“倒转”现象。

解决方法
在数字信号处理这个领域,为了解决这个问题,一般会在采样的前级加上一个抗混叠滤波器,通带为±二分之一的采样率,避免无法完全采样的频率“混叠”频谱。





 楼主 | 2018-7-9 18:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 greedyhao 于 2018-7-10 22:09 编辑

......
| 2018-7-10 00:02 | 显示全部楼层
很简单,采样频差造成
| 2018-7-10 09:55 | 显示全部楼层
分析那么多,就一句话:人眼的视觉暂留
| 2018-7-10 10:01 | 显示全部楼层
“所以说,一旦汽车的速度到了差不多80km/h的速度后,在人眼看来,车轮就有倒转的现象。”

没有的事情。
| 2018-7-10 18:26 | 显示全部楼层
在自然光和人工光源下可是不同的。在自然光源下,汽车车轮根本就不会出现什么“倒转”错觉,自己好好去观察吧,别想象。
| 2018-7-10 18:29 | 显示全部楼层
“手机摄像头的采集视频的刷新速度比人眼低很多”,中学课程看来都是传达室老头教的么?
 楼主 | 2018-7-10 21:54 | 显示全部楼层
本帖最后由 greedyhao 于 2018-7-10 22:01 编辑
chunyang 发表于 2018-7-10 18:29
“手机摄像头的采集视频的刷新速度比人眼低很多”,中学课程看来都是传达室老头教的么? ...

人眼正常刷新速度大约有24fps。但是摄像头视频采集时,分辨率高了后刷新速度会低,而且我自己测试自己的摄像头在5寸屏上只有15fps,有毛病?
而且我以前也尝试过,对于旋转的风扇,肉眼看不出的频率混叠,在摄像头下是会发生的。
 楼主 | 2018-7-10 22:06 | 显示全部楼层
maychang 发表于 2018-7-10 10:01
“所以说,一旦汽车的速度到了差不多80km/h的速度后,在人眼看来,车轮就有倒转的现象。”

没有的事情。 ...

很抱歉,我无法同意,印象中在高速路上见过这种情况,除非我记错了

评论

cjseng 2018-7-10 23:53 回复TA
可能你的眼睛与常人不同 
| 2018-7-11 08:00 | 显示全部楼层
某些场景在视频中才出现
| 2018-7-11 10:04 | 显示全部楼层
greedyhao 发表于 2018-7-10 22:06
很抱歉,我无法同意,印象中在高速路上见过这种情况,除非我记错了

cjseng的评论不错:可能你的眼睛与常人不同。
爱因斯坦说过:“谁也无法证明你看到的红色和我看到的红色是相同的,虽然它们很可能是相同的。”
| 2018-7-12 16:46 | 显示全部楼层
greedyhao 发表于 2018-7-10 21:54
人眼正常刷新速度大约有24fps。但是摄像头视频采集时,分辨率高了后刷新速度会低,而且我自己测试自己的摄 ...

摄像头的帧率可以设置,可以比24高,常规的都可以到60帧
| 2018-7-12 17:26 | 显示全部楼层
在太阳光或白炽灯光下(就是不闪烁的光),人眼是看不出什么倒转的,因为人眼看东西的影像感觉是连续的,没有采样间隔。

说有倒转的,都是从视频观看,或者透过某种旋转的栅格类物体观看,也就是有“采样”时,才会出现的。
| 2018-7-12 18:08 | 显示全部楼层
greedyhao 发表于 2018-7-10 21:54
人眼正常刷新速度大约有24fps。但是摄像头视频采集时,分辨率高了后刷新速度会低,而且我自己测试自己的摄 ...

“人眼正常刷新速度大约有24fps”

你从哪里得出的结论?
| 2018-7-12 21:23 | 显示全部楼层
首先是说人眼镜有采样率,打死我也不相信。
人的视觉是模拟电路,连续的,不可能是周期性采样,采样间隔内保持不变的采保电路。
视觉分辨不开,是因为有视觉残留,等效于模拟滤波的效果。导致帧频太高了没有用。
对于欠采样后,确实有楼主说的现象,关键是眼镜没有采样率一说。

汽车轮子倒着转,路上没有大注意,电视上经常见。
但是电风扇会倒着转,我见过,小时候在老家见的,只是不知道有没有开白炽灯了。

所以楼主的我不相信,老爷子的说法我暂时也半信半疑。明天中午休息的时候去门口数车。
| 2018-7-13 20:51 | 显示全部楼层
greedyhao 发表于 2018-7-10 21:54
人眼正常刷新速度大约有24fps。但是摄像头视频采集时,分辨率高了后刷新速度会低,而且我自己测试自己的摄 ...

人眼正常刷新速度大约有24fps——如果你能证明这一点,你就是历史上最伟大的人,比任何科学家都伟大,说你是“科学家”都成了对你的侮辱。
 楼主 | 2018-7-14 21:28 | 显示全部楼层
chunyang 发表于 2018-7-13 20:51
人眼正常刷新速度大约有24fps——如果你能证明这一点,你就是历史上最伟大的人,比任何科学家都伟大,说 ...

我不明白你这个人为什么火药味那么大
我需要说明的是,人眼是有极限的,不然也不会有视觉暂留这么一个东西
虽然视觉信号在神经中以模拟信号传输,但是传输速度是一定的
我说的24fps指的就是这么一个传输的时间,网上可以轻松查到的好吗,暂留时间大概就是1/24s,OK?

评论

不起眼 2018-7-15 12:04 回复TA
我觉得说人眼“刷新速度是24fps没什么错”,至于24fps是不是准确那就是扯淡了,人跟人不同。 
| 2018-7-15 11:54 | 显示全部楼层
**,一个很好的介绍抗混叠的帖子,莫名其妙的变了味儿。

评论

chunyang 2018-7-18 23:41 回复TA
可惜,楼主说的“现象”却是不存在的,不信自己在光天化日之下去马路边看看。用正确的理论去诠释错误的现象,那会是个什么结果?楼主帖除非大改,否则别看洋洋洒洒,只会让人误入歧途。 
| 2018-7-15 11:56 | 显示全部楼层
他介绍的这个,在很多fft的应用中很重要。
| 2018-7-15 12:08 | 显示全部楼层
当然也有一些地方会应用(利用)它。
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