【存在问题】解释为什么旋转的物体有时看着像在倒转

发表于 2018-7-9 18:05

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。

发表于 2018-7-9 18:07

本帖最后由 greedyhao 于 2018-7-10 22:09 编辑

......

发表于 2018-7-10 00:02

很简单，采样频差造成

发表于 2018-7-10 09:55

分析那么多，就一句话：人眼的视觉暂留

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。

发表于 2018-7-10 18:26

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。

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？

发表于 2018-7-10 21:54

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。

发表于 2018-7-10 22:06

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

发表于 2018-7-11 08:00

某些场景在视频中才出现

发表于 2018-7-11 10:04

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。”

发表于 2018-7-12 16:46

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

发表于 2018-7-12 17:26

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。

发表于 2018-7-12 18:08

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？

发表于 2018-7-12 21:23

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。

发表于 2018-7-13 20:51

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。

发表于 2018-7-14 21:28

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*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？

发表于 2018-7-15 11:54

**，一个很好的介绍抗混叠的帖子，莫名其妙的变了味儿。

发表于 2018-7-15 11:56

他介绍的这个，在很多fft的应用中很重要。

发表于 2018-7-15 12:08

当然也有一些地方会应用（利用）它。

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