Diese magischen Streifen haben unzählige Fotos ruiniert, aber sie können auch so schön sein!

Dieser magische Streifen hat unzählige Fotos ruiniert, aber er kann auch so schön sein

Jiao Shuming Greater Bay Area University

(Ursprünglich veröffentlicht auf dem öffentlichen Konto „Guokr.com“)

In den Kindheitserinnerungen vieler Menschen, die in den 1990er Jahren geboren wurden, gibt es eine Buchreihe mit dem Titel „Die Abenteuer der kleinen Tiger“ und eine mysteriöse „Entschlüsselungskarte“. Immer wenn die packende Geschichte des Romans ihren Höhepunkt erreicht, enthält der nächste Absatz auf der Seite plötzlich keinen Text mehr, sondern stattdessen ein paar unordentliche Streifen: „Wollen Sie wissen, wie es weitergeht? Nehmen Sie bitte die Entschlüsselungskarte heraus.“

Diese geheimnisvolle kleine Karte hat vielen Menschen Freude in ihrer Kindheit bereitet

Bedecken Sie es mit dieser speziell angefertigten kleinen Karte und die Antwort wird aus dem ungeordneten Muster hervorgehen. Was ist los? Tatsächlich kann es sein, dass Sie in Ihrem Leben jeden Tag auf dasselbe Phänomen stoßen: wenn Sie Ihr Mobiltelefon herausnehmen, um ein Foto vom Bildschirm zu machen.

Dieses Phänomen ist der Moiré-Muster-Effekt.

Im Leben begegnen wir Moiré häufig auf diese ärgerliche Art und Weise.

Woher kommt Moiré?

Was genau ist „Moiré“? Beginnen wir mit einfachen Streifen.

Im Bild unten sehen wir zwei vertikale Streifenmuster, A und B, die ähnlich aussehen, aber leicht unterschiedliche Streifenfrequenzen aufweisen – hier wird die Frequenz verwendet, um die Dichte in der räumlichen Dimension zu beschreiben.

Als nächstes stapeln wir A und B zusammen. Ergebnis C führt nicht dazu, dass Sie Trypophobie entwickeln. Stattdessen werden Sie feststellen, dass die dünnen Zäune im Muster riesige und dicke Säulen zu bilden scheinen.

Wenn zwei hochfrequente Muster aufeinandertreffen, „degenerieren“ sie und erzeugen einen niederfrequenten Mustereffekt, den Moiré-Effekt. Mathematisch gesehen entsteht bei der Multiplikation zweier periodischer Kosinusfunktionen mit ähnlichen, aber unterschiedlichen Frequenzen im Ergebnis ein niederfrequentes periodisches Signal mit der Frequenzdifferenz zwischen ihnen.

Natürlich müssen diese Hochfrequenzmuster nicht unbedingt balkenförmig sein. Dabei kann es sich um dichte Punktmuster oder dichte Kreisringe handeln, die beide einen Moiré-Effekt erzeugen können.

Die Streifen auf den Seiten von „Adventure Tigers“ und die Streifen auf der Entschlüsselungskarte entsprechen jeweils A und B oben. Tatsächlich enthält das auf die Buchseiten gedruckte Originalmuster auch versteckten Text, doch genau wie bei einem Soldaten in Tarnuniform, der sich im Gebüsch versteckt, ist der Text in den dichten Streifen verborgen und für das menschliche Auge schwer zu erkennen. Nach der Verwendung der Entschlüsselungskarte wurde der ursprünglich verborgene Text vor dem Hintergrund niederfrequenter Moiré-Muster sichtbar.

Magische Muster in Fotos

Tatsächlich verfügen alle Arten digitaler Geräte, die Bilder aufnehmen und anzeigen, im Allgemeinen über eine Pixelarray-Struktur. Ob es sich um den Bildschirm eines Fernsehers oder Computers, einen Scanner oder Projektor oder die Sensoren eines Mobiltelefons oder einer Digitalkamera handelt, sie alle bestehen aus periodischen Pixeleinheiten, die als hochfrequente Array-Muster betrachtet werden können.

Wenn diese „Hochfrequenz-Array-Muster“ miteinander kombiniert werden oder auf andere detailreiche Bilder treffen, treten alle möglichen magischen Moiré-Effekte auf.

Magisches Moiré in Fotos

Das Ärgerlichste im Leben ist das Moiré-Muster beim Fotografieren von Handy-/Computerbildschirmen. Die Muster sind nicht nur magisch, sondern auch farbenfroh.

Was ist mit dieser komischen Farbe? Um dies zu erklären, müssen wir zunächst die Zusammensetzung der Farbpixel auf digitalen Geräten verstehen. Jedes Pixel auf dem Bildschirm besteht eigentlich aus drei nebeneinander liegenden roten, grünen und blauen Pixeln, die Farben durch unterschiedliche Hell-Dunkel-Kombinationen darstellen.

So sehen die Pixel auf dem Display vergrößert aus | extremetech.com

Diese Pixel sind in Größe und Abstand so klein, dass das menschliche Auge sie nicht unterscheiden kann. Durch die individuelle Anordnung der dreifarbigen Pixel entstehen jedoch drei unterschiedliche Hochfrequenzfelder. Dadurch entstehen komplexere Moiré-Muster.

Moiré ist auch Kunst

Moiré-Muster sind nicht immer hässliche, aufdringliche Streifen; In den Händen von Künstlern und Designern können sie tatsächlich sehr schön sein.

Der japanische Grafikdesigner Takahiro Kurashima hat ein Buch mit dem Titel „Poemotion“ geschaffen. Das Buch enthält keine vollständig geformten Bilder, aber wenn Sie es mit Streifenfolie abdecken und nach oben, unten, links und rechts schieben, können Sie den magischen Effekt des Moiré-Musters sehen, genau wie bei einem Spielplatz auf Papier.

Der Designer John Leung verwendet Moiré-Muster, um ein Standbild in einen Schwarm schwimmender Karpfen zu verwandeln. Ändern Sie einfach Ihre Perspektive und blicken Sie durch den Couchtisch aus gestreiftem Glas nach unten, um Fischschwärme zu sehen, die mit ihren Schwänzen wedeln.

"Magisches Karpfen-Haustier", johnleungdesign

Auch der italienische Designer Andrea Minini hatte viele kreative Ideen. Er verwendete Kurven, die Moiré ähneln, um eine Reihe abstrakter Porträts verschiedener Tiere zu zeichnen, „Tiere in Moiré“, die eine zarte und exquisite Schönheit zeigen.

Die Bilder zeigen eine Eule, eine Kobra, eine Fledermaus und einen Pfau | Andrea Minini

Dadurch können Sie auch Details sehen, die Grenzen durchbrechen

Moiré-Muster sind nicht nur eine „Entschlüsselungskarte“ oder ein „Zauberkarpfen“, sondern haben auch komplexere Anwendungsmöglichkeiten – sie können beispielsweise dazu verwendet werden, unter einem Mikroskop sehr kleine Details zu erkennen.

Inspiriert von Moiré-Mustern erfanden Wissenschaftler eine Technologie namens „Strukturierte Beleuchtungsmikroskopie“ (SIM). Es kann über die Grenzen gewöhnlicher optischer Mikroskope hinausgehen und kleinere Details erkennen. Die Methode zur Verwendung dieses Mikroskops besteht darin, jedes Mal ein anderes hochfrequentes Streifenlichtmuster auf die Probe (z. B. winzige Zellen) zu projizieren. Die hochfrequente Detailtextur der Probe und das projizierte Lichtmuster erzeugen zusammen niederfrequente Moiré-Muster. Ersteres übersteigt ursprünglich die Vergrößerung des Mikroskops und kann nicht deutlich gesehen werden, aber die erzeugten niederfrequenten Moiré-Muster liegen innerhalb der Vergrößerung des Mikroskops. Daher können verschiedene Moiré-Muster verwendet werden, um die Details des Objekts indirekt wiederherzustellen, wodurch das Mikroskop um ein Vielfaches über seine ursprüngliche Vergrößerungsgrenze hinaus vergrößern kann.

Überlagern Sie hochfrequentes Streifenlicht mit den schwer zu unterscheidenden „hochfrequenten Details“, um ein leichter unterscheidbares niederfrequentes Muster zu erhalten.

Diese Methode kann Forschern helfen, winzige Details indirekt zu erkennen

Das Moiré-Prinzip wird auch häufig zur Fälschungssicherheit von Münzen eingesetzt. Im Film „Der Affenkönig 3“ aus dem Jahr 2018 geriet die von Chow Yun-fat und Aaron Kwok gespielte Bande von Falschgeldherstellern in erhebliche Schwierigkeiten: Selbst wenn zum Kopieren des Falschgeldes ein hochauflösender Drucker verwendet wurde, bildeten sich Moiré-Fehler auf den Banknoten, wodurch diese leicht zu erkennen waren. Dies ist das Ergebnis der Überlagerung des feinen Streifenmusters auf der Banknote und der aufgedruckten Pixelmatrix.

Moiré-Muster, die im Film „Wushuang“ erwähnt werden

Und nicht nur das: Auch die unschönen Streifen auf dem Display beim Fotografieren mit dem Handy lassen sich in wertvolle Schätze verwandeln. Kürzlich haben einige Forscher dieses Moiré-Muster geschickt genutzt, um einen QR-Code zu entwerfen, der „Scan-Betrug“ verhindern kann. Wenn wir mit einem Mobiltelefon Bilder vom Bildschirm eines anderen Mobiltelefons aufnehmen, treten häufig Moiré-Muster auf, die mit der Entfernung und dem Winkel der beiden Mobiltelefone beim Aufnehmen zusammenhängen. Bei der von den Forschern entwickelten Lösung kann das richtige QR-Code-Muster nur durch Aufnahmen aus einer bestimmten Entfernung und einem bestimmten Winkel aus den Moiré-Mustern extrahiert werden. Andernfalls ist die Darstellung des geschützten QR-Codes nicht erkennbar.

Verweise

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[3] H. Pan, YC Chen, L. Yang, G. Xue, CW You und X. Ji, (2019, Oktober). mQRCode: Sicherer QR-Code durch Nichtlinearität der räumlichen Frequenz im Licht. In der 25. jährlichen internationalen Konferenz zu Mobile Computing und Netzwerken (S. 1–18).

[4] http://mt.sohu.com/20170628/n498989826.shtml

[5] https://www.sohu.com/a/195950561_224832

[6] http://art.ifeng.com/2018/0720/3431657.shtml

[7] https://www.damanwoo.com/node/79518

[8] https://news.artron.net/20180608/n1006101.html