Was hat es mit den „mysteriösen Mustern“ auf der Stuhllehne auf sich? Gibt es einen Fehler auf der Welt?

Was hat es mit den „mysteriösen Mustern“ auf der Stuhllehne auf sich? Gibt es einen Fehler auf der Welt?

Nachdem er mehrere Senioren verabschiedet hatte, wurde der Computerstuhl mit den patinierten Armlehnen schließlich ehrenvoll in den Ruhestand geschickt. Als der „aktuelle Besitzer“ des Stuhls, Wang, ein Foto für die Verschrottungsbeantragung machen wollte, sah er zufällig ein „wellenartiges“ Muster auf der Rückenlehne des Stuhls. Die Rückenlehne des Stuhls besteht aus Netzgewebe, das vertikal und horizontal sehr geordnet ist und sich nicht spontan verändern kann. Vor nicht allzu langer Zeit sprach Wang beim Chatten auch mit seinen Klassenkameraden über die Möglichkeit, dass es auf der Welt Fehler gibt. Könnte es sein, dass die Welt auf einem Computer mit niedrigerer Spezifikation läuft und die Rechenleistung zum Rendern des feinen Netzes daher nicht ausreicht?

Wangs Computerstuhl. Quelle: Fotografiert von Wang

Dieses mysteriöse Muster mit seinem eigentümlichen Stil ist nicht aus dem Nichts aufgetaucht. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft wird es als Moiré bezeichnet.

Magische Wellen von beiden Seiten sichtbar

Bei zwei gleichmäßig verteilten vertikalen Streifenmustern A und B sehen diese sehr ähnlich aus, die Streifendichte ist jedoch unterschiedlich. Wenn diese beiden Bilder überlagert werden, sind die Anfangspositionen und Dichten der Streifen in den beiden Bildern unterschiedlich, sodass sich die hellen und dunklen Streifen im Raum gegenseitig blockieren oder verstärken und helle und dunkle Streifen bilden. Dann tritt ein magisches Phänomen ein:

Die Streifen im Überlappungsbereich wurden durch die Überlagerung nicht dichter, sondern es entstanden periodische „große schwarze Linien“, die deutlich weniger dicht als die in A und B und deutlich dicker sind.

Moiré-Muster, die durch Überlagerung vertikaler Streifen entstehen, Quelle: Google-Bild, Creative Commons-Lizenz

Das Schwebungsprinzip besagt, dass sich bei der Überlagerung zweier Sinuswellen mit gleicher Amplitude und ähnlicher Frequenz die Amplitude des zusammengesetzten Signals entsprechend der Frequenzdifferenz der beiden Signale ändert. Das Streifenmuster kann als eine im Raum verteilte Sinuswelle betrachtet werden, mit hellen Streifen am Wellenberg und dunklen Streifen am Wellental. Die Frequenz spiegelt die Dichte des Musters im Raum wider. Bei der Überlagerung der beiden höherfrequenten Streifenmuster A und B sind die Streifen mit bloßem Auge nicht mehr voneinander zu unterscheiden, es ist nur noch das Interferenzmuster zu erkennen. Die Frequenz des Musters ist die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Signalen A und B. Dieses Muster ist das Moiré-Muster.

Moiré ist ein Interferenzbild, das durch überlappende Streifen entsteht. Im wirklichen Leben kann es aus jedem Winkel betrachtet werden. Das „wellenartige Muster“, das Wang auf der Stuhllehne entdeckte, ist das Moiré, das durch die Überlappung der vorderen und hinteren Sitzflächen entsteht. Wenn Sie genau hinschauen, können Sie es sogar auf dem elektrischen Ventilator finden.

Moiré-Muster auf dem Fächer, Quelle: Google-Bild, Creative Commons-Lizenz

Moiré-Muster, die durch Überlagerung radialer Streifen entstehen, Quelle: Google-Bild, Creative Commons-Lizenz

Das Moiré-Muster auf dem Lüfter entsteht durch die Überlagerung von Streifengittern auf der Vorder- und Rückseite des Lüfters und ähnelt in seiner Form stark den magnetischen Flusslinien eines Stabmagneten.

Wenn wir Fotos machen, in denen wir Kleidung mit ausreichend dünnen Streifen tragen, werden wir dieses wunderbare Muster auch auf dem Foto finden. Aber wie können andere Streifen eine einzelne Lage gestreifter Kleidung beeinträchtigen? Vergessen Sie nicht: Die lichtempfindlichen Elemente von Digitalkameras, Scannern und anderen Geräten haben regelmäßig angeordnete Pixel und ihre Anordnung hat ebenfalls eine räumliche Frequenz.

Wenn wir mit unseren Mobiltelefonen den Computerbildschirm vor uns im richtigen Winkel aufnehmen, tritt zwischen dem Farbfilter-Array (CFA) der Kamera und dem Subpixel-Layout des Bildschirms ein Frequenz-Aliasing auf, das auch als komplexes Texturmuster erscheint.

Wangs „Augenschutz“-Computer-Hintergrundbild, Quelle: Fotografiert von Wang

Wenn Sie sich dem Bild nähern, treten auch Moiré-Muster auf. Quelle: Fotografiert von Wang

Ist das menschliche Auge besser als eine Kamera?

Wenn Sie mit einem Mobiltelefon ein Foto vom Bildschirm machen, entstehen Moiré-Muster. Doch egal aus welcher Richtung das menschliche Auge auf den Bildschirm blickt, intuitiv sind keine Muster zu erkennen. Bedeutet dies, dass das menschliche Auge in manchen Aspekten besser ist als die Kamera?

Zweifle nicht an der Subtilität deiner Augen! Bevor der Schöpfer die Evolutionstheorie zur Erklärung der Struktur des menschlichen Auges heranzog, glaubte er, dass die Schönheit der Struktur des Auges ein eindeutiger Beweis für die Existenz Gottes als Schöpfer sei. Sogar Darwin schrieb damals in einem Brief an einen Freund: „Jedes Mal, wenn ich an die Struktur des Auges denke, schaudert es mich.“

Tatsächlich ist die Anordnung der Sehzellen im menschlichen Auge nicht so regelmäßig wie die Anordnung der Pixel im lichtempfindlichen Element. Ohne diese periodische Anordnung können keine Schläge entstehen. Darüber hinaus werden die vom menschlichen Auge wahrgenommenen Bilder vollständig vom Gehirn verarbeitet. Das Gehirn muss die Bilder synthetisieren, die das linke und das rechte Auge aus verschiedenen Winkeln sehen. Das synthetisierte Bild ist nicht mehr das Originalbild, daher kann das menschliche Auge keine Moiré-Muster auf dem Bildschirm erkennen.

Die romantische und ätherische Leinwand der Olympischen Winterspiele

Die „magischen“ Moiré-Muster beim Fotografieren des Bildschirms sind in der Tat ein Albtraum für Fotografie-Enthusiasten. Diese Muster erscheinen wie ungebetene Gäste auf den Fotos und mindern die Bildqualität und das Seherlebnis.

Im Allgemeinen ist die Pixeldichte relativ gering, um den gleichen Inhalt auf einem großen Bildschirm anzuzeigen, und das Moiré-Phänomen ist deutlicher, was in Situationen, in denen eine Übertragung auf einem großen Bildschirm erforderlich ist, immer schwieriger wird. Erwähnenswert ist, dass bei der Eröffnungszeremonie der Olympischen Winterspiele in Peking, die die Welt in Erstaunen versetzte, der damals größte LED-Bildschirm der Welt ein Bodenbildschirm war, der aus 42.208 LED-Modulen mit einer Seitenlänge von 50 Zentimetern bestand. Die LED-Lichtmaske wurde zerstäubt, um die Körnigkeit der Pixel zu reduzieren und die periodische Diskontinuität des Bildes zu beseitigen. Dadurch wurde ein nahezu perfekter Anti-Moiré-Effekt erzielt und eine reine, ungestörte Videoanzeige bei allen Brennweiten für die Kameraübertragung bereitgestellt, was wirklich einzigartig ist.

Die Eröffnungszeremonie der Olympischen Winterspiele 2022 in Peking, Quelle: Wiki

Der Licht- und Schattenmantel im Stadthimmel

So wie Moiré die Bildqualität eines Fotos mindert, zerstört sein Auftreten auf Gebäuden oft die vom Architekten gewünschte visuelle Wirkung. Es kommt häufig vor, dass die Schönheit eines Gebäudes durch das Vorhandensein von Moiré beeinträchtigt wird. Wenn manche Designer Sicherheitsfaktoren berücksichtigen oder einen transparenten Effekt erzielen möchten, entwerfen sie die Fassade mit verschachtelten Metallgittern. Dadurch entsteht ein ungeordnetes Moiré-Muster, das bei Büroangestellten Schwindelgefühle und Konzentrationsstörungen hervorruft und für Passanten und Fahrzeuge Sichtstörungen verursacht. Es kann neben der Spiegelung der Glasvorhangfassade als eine weitere große Lichtverschmutzung angesehen werden.

Aus dieser Perspektive betrachtet, scheint Moiré nichts anderes zu sein als chaotische Interferenzmuster, die das Seherlebnis beeinträchtigen.

Sich selbst und seinen Feind zu kennen, kann die Gefahr in einen Vorteil verwandeln – Sun Wu

Wenn wir uns nur auf den unbekannten Eindruck des Mysteriums dieses visuellen Phänomens beschränken, könnten wir denken, dass diese Muster den Willen der Götter darstellen, genau wie die Menschen in der Vergangenheit, die an die Wahrsagung durch Schildpatt glaubten. Allerdings kann es den Menschen niemals zufriedenstellen, an der Oberfläche zu bleiben. Neugier ist ihr angeborener Hintergrund, der in die Welt der Entdeckungen eingreift und einzigartige Muster hervorbringt. Wenn wir die Entstehungsgesetze hinter diesem Phänomen entdecken und analysieren, können wir dafür sorgen, dass die Darstellung von Moiré-Mustern nicht mehr zufällig, sondern kontrollierbar ist.

Dali Boutique in Taiwan, meinem Land, Quelle: Google-Bild, Creative Commons-Lizenz

Das Dali Boutique Museum steht in Kaohsiung, Taiwan. Die Glas- und Metallgitter an den Außenwänden sind abwechselnd angeordnet. Durch die Übersetzung des Musters des Moiré-Effekts weist die hervorstehende Vorderseite des Gebäudes bei Betrachtung aus unterschiedlichen Entfernungen unterschiedliche glatte Formen auf, wie ein riesiges fließendes Kreuz (aufmerksame Leser werden feststellen, dass diese Form dem von Wangs Computer erfassten Moiré sehr ähnlich ist), als ob das Gebäude mit einer Schicht aus „Licht und Schatten“ überzogen wäre.

Die Entwicklung und Anwendung des Moiré-Phänomens durch diejenigen, die die Schönheit der Welt suchen, und ihre technologischen Kollegen dringen mit jedem Tag in alle Aspekte des Lebens vor. Im Bereich der Sicherheit verbessert das beim Scannen von Banknoten entstehende Moiré die Fälschungssicherheit erheblich. im Kleidungsdesign bereichert Moiré die Ausdruckskraft der Kleidung; Beim Verpackungsdesign kombinieren Designer den Ausziehvorgang beim Öffnen der Verpackung bewusst mit dem Moiré-Effekt. Eines der typischsten Beispiele ist die Gewinnerarbeit der Global Packaging Design Awards 2018 – das Verpackungsdesign der NORD STREAM Seafood Food Company. Der Designer LOCO Studio verwendet eine herausziehbare Verpackungsbox, auf deren Innenbox die Silhouette von Meeresfrüchten aufgedruckt ist. Beim Herausziehen der inneren Box ist durch den Zaun der äußeren Box die Moiré-Animation der schwankenden Meeresfrüchte zu erkennen, die eindrucksvoll die Botschaft „Frische“ der Zutaten vermittelt.

Von der Welt um uns herum bis zu unseren weit entfernten Häusern: Die magischen Moiré-Wellen, die aus allen Richtungen sichtbar sind, tauchen mit Hilfe von Wissenschaft und Technologie aus dem dunstigen Nebel der Welt auf und erreichen die Heimat der Menschheit. Das durch das Stapeln von Graphen gebildete Moiré-Gitter beeinflusst die Spitzenforschung. Der Einsatz von Technologie in Architektur, Verpackung und Kleidung unterstreicht Kunst und Schönheit. Die Welt ist auf geniale Weise innovativ, was die Integration wissenschaftlicher Forschung und technologischer Praxis angeht. Die sich ständig verändernde Welt, die sich in der menschlichen Sicht bewegt, zeigt sich im Fortschritt:

Wissenschaft ist eine Art Schönheit.

Die Anwendung der Wissenschaft schafft eine schönere Welt.

Quellen:

[1]https://www.ceta.com.cn/210/202301/2497.html

[2]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_16703944

[3] Yang Guang, E. Yuping, Wang Jiajun. Forschung zum Verpackungsinteraktionsdesign basierend auf Moiré-Generierungsregeln[J]. Grüne Verpackungen, 2023, (06): 107-111. DOI: 10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2023.06.022.

[4] https://www.unstudio.com

[5] Ma Yibo. Eine vorläufige Studie zur Anwendung architektonischer Formen basierend auf dem Moiré-Effekt[J]. Architekt, 2022, (05): 99-106.

[6] Dacen W, Ellis T, Esmeralda A, et al. Gemischtdimensionale Moiré-Systeme aus verdrillten dünnen Graphitfilmen. [J].Nature,2023,620(7975):750-755.

Autor: Li Wenjie Populärwissenschaftlicher Autor

Gutachter: Li Ming, Forscher, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Creation Cultivation Program erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.