Ich bin in den Reisezug zum Frühlingsfest eingestiegen, der Zeit und Raum verzerrt hat? !

1

Seltsame Dinge passierten im Zug

Vor einiger Zeit stieg ich, nachdem ich in Erinnerungen an meine Heimatstadt geschwelgt hatte, in den Zug nach Hause. Die Sonne geht über den sanften Bergen auf und meine Heimat verschwindet, während die Schatten der Bäume vorbeifliegen. Der Redakteur nahm sein Mobiltelefon und machte unterwegs Fotos von der Landschaft.

Bild 1 ist so schön, dass ich beschlossen habe, es „Toter Baum, untergehende Sonne und Wanderer“ zu nennen.

Aber… warte? Der nahe Strommast war etwas seltsam, er hatte die Form eines Bündels weicher Nudeln und das Schild „Gefahr durch Hochspannung“ darauf war ungewöhnlich verzerrt. Der Redakteur, der es nicht glaubte, machte noch ein paar Fotos aus dem Fenster.

Abbildung 2 Einige seltsame Fotos

Die Leitplanken, Strommasten und Straßenlaternen auf dem Foto sind alle seltsam schief, und die vier Säulen des Strommasts sind alle auf unterschiedliche Weise schief. Er sieht nicht nur aus wie ein Betrunkener, der unsicher auf den Beinen ist, sondern dreht auch noch schwungvoll seinen Körper herum.

Was ist los? Tatsächlich ist dies alles die Schuld des Bildsensors. Die meisten Mobiltelefone und Kameras für den Endverbraucher verwenden einen Rolling Shutter, der Lichtsignale zeilenweise in elektrische Signale umwandelt. Nach einem solchen Scan tritt diese Verzerrung auf.

Abbildung 3 Rollladen | Quelle: Wikipedia[1]

Ähnlich wie bei der vor einiger Zeit beliebten „Blue Line Challenge“ verlangsamt die APP die Scanlinie, die das Signal liest, sodass die Internetnutzer ihrer Fantasie freien Lauf lassen und mithilfe der Scanlinie verschiedene verzerrte Fotos erstellen können. Einige Internetnutzer verwenden es sogar zum Malen.

Abbildung 4 Blaue Linie Herausforderung: Verwenden Sie eine Maske, um ein Kostüm entlang der Scanlinie zu zeichnen

| Bildquelle: TikTok @C&D

Dies weckte das Interesse des Redakteurs und er reproduzierte den Effekt sofort mit einer Kamera, als er zurückkam.

つ(*▽*)つ

٩(*▽*)٩

Abbildung 5: Das Wort „Fu“, das Whiteboard und der Whiteboard-Radiergummi unter Hochgeschwindigkeitsschütteln

Geleeartige Elastizität

Sie können es auch selbst ausprobieren. Hier noch ein kleiner Tipp zum Fotografieren: Versuchen Sie im Profi-Modus die Belichtungszeit möglichst zu verkürzen. Der Editor verwendet 1/200 s. Entsprechend sollte man die ISO-Empfindlichkeit erhöhen und das Motiv möglichst gut ausleuchten. Bei längerer Verschlusszeit kommt es zu Bewegungsunschärfe.

つ(*////▽////*)つ

٩(*\\\\▽\\\\*)٩

Abbildung 6 Ja, es ist so verschwommen

Im heutigen Artikel sprechen wir also über diesen verzerrten „Filter“ – den Wackelpudding-Effekt.

2

Bildsensoren

Lassen Sie uns zunächst über die Grundprinzipien von Bildsensoren in der Fotografie sprechen. Nachdem das Licht die Linsengruppe passiert und den Bildsensor erreicht hat, wird es vom Sensor auf chemischem oder elektrischem Wege aufgezeichnet und eingefroren.

In den Anfängen der Fotografiegeschichte verwendeten Kameras lichtempfindliche Filme als Lichtaufnehmer. Das Silberhalogenid (meistens Silberbromid) auf dem Film wird nach Belichtung und Entwicklung zu Silber reduziert. Da das feine Silberpulver schwarz ist, erhält man nach dem Auswaschen des überschüssigen Silberhalogenids mit einem Fixierer einen Negativfilm mit umgekehrten Schwarz-Weiß-Farben. Um das Schwarzweißbild wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen, müssen Sie den Negativfilm lediglich erneut belichten. Auf diese Weise wird das Bild während der Belichtungsphase chemisch aufgezeichnet.

Mit dem Eintritt der Kameras in das elektronische Zeitalter sind CCD und CMOS zu den gängigen Bildsensoren geworden. Ihre Arbeitsprozesse umfassen vier Schritte: fotoelektrische Umwandlung, Ladungssammlung, Ladungsübertragung und Ladungsmessung.

CCD (Charge-Coupled Device), ladungsgekoppeltes Gerät. Wenn Photonen auf die Fotodiode treffen, werden Fotoelektronen angeregt. Die Elektronen jedes Pixels werden zu einem Ladungspaket zusammengefasst, das dann von den Pixeln der vorherigen Reihe nach auf die Pixel der nächsten Reihe und schließlich an die Messschaltung übertragen wird, um die jeweiligen elektrischen Signale auszugeben.

Abbildung 7 Schematische Darstellung der CCD-Struktur | Quelle: Edmund [2]

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), komplementärer Metalloxid-Halbleiter. Der Unterschied zu CCD besteht darin, dass jedes seiner Pixel über integrierte analoge Schaltkreise verfügt. Daher wird der Lesevorgang, der bei CCD eine ganze Spalte erfordert, bei CMOS von einem einzelnen Pixel ausgeführt.

Abbildung 8 Schematische Darstellung der CMOS-Struktur | Bildquelle: Edmund [2]

Daraus können wir ersehen, dass die Gleichmäßigkeit der CCD-Auslesung besser ist, schließlich nutzen sie dieselbe Ausleseschaltung. Die zig Millionen Pixel auf CMOS haben ihre eigenen Ideen, und es kann nicht garantiert werden, dass die Verstärker jedes Pixels vollständig konsistent sind, sodass die Ausbeute des frühen CMOS tatsächlich nicht hoch war. Darüber hinaus verfügt das CCD über ein größeres Öffnungsverhältnis, wodurch mehr Licht eindringen kann und ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis erreicht wird. Im Vergleich dazu wird bei jedem CMOS-Pixel ein Teil des Platzes von der Leseschaltung eingenommen, wodurch die Lichtempfangsfläche eines einzelnen Pixels kleiner ist als bei CCD.

Aber CMOS hat auch seine Vorteile. CMOS verbraucht weniger Strom, da seine Ausleseschaltung nur das elektrische Signal eines einzelnen Pixels verstärken muss, während CCD das Signal einer ganzen Pixelspalte verstärken muss. Darüber hinaus weist CMOS eine höhere Stabilität auf. Wenn ein Pixel des CCD beschädigt ist, wird der Übertragungskanal der gesamten Pixelspalte unterbrochen, das Signal wird abgeschaltet, das Bild verschwindet und die gesamte Spalte toter schwarzer Punkte nimmt die Anhöhe ein.

Cao Cao: Was für ein Zufall, das dachte ich auch.

Genau diese beiden Punkte haben CCD in den Hintergrund gedrängt und es wird hauptsächlich nur noch in der wissenschaftlichen Forschung und in medizinischen Szenarien mit hohen Präzisionsanforderungen eingesetzt, während zivile Kameras im Grunde CMOS sind.

3

Rolling Shutter und Global Shutter

Aufgrund der oben beschriebenen Funktionsprinzipien verwenden die meisten CMOS-Systeme für den Verbraucherbereich Rolling Shutter. Wie der Name schon sagt, liest ein Rolling Shutter wie ein Rollladen das Lichtsignal auf dem Pixelarray zeilenweise aus. Der Global Shutter liest die Lichtsignale auf allen Pixel-Arrays gleichzeitig.

Abbildung 9 Rolling Shutter vs. Global Shutter | Quelle: Wikipedia[1]

Beim Lesen elektrischer Signale muss das CCD die Ladung der vorherigen Reihe vertikal auf die nächste Reihe übertragen. Während des Übertragungsprozesses werden diese Pixel zur Verarbeitung des Übertragungsprozesses verwendet und können nicht weiterhin lichtempfindlich sein, da sonst die Bildqualität beeinträchtigt wird. Daher ist es für CCD einfach, einen Global Shutter zu implementieren, sodass alle Pixel gleichzeitig belichtet werden. Im Vergleich dazu ist es bei CMOS viel schwieriger, einen Global Shutter zu verwenden, da hierfür zusätzliche Transistoren und die Entwicklung einer separaten Synchronisationsschaltung erforderlich sind, was die Kosten erhöht und sich nachteilig auf den Wettbewerb auf dem Markt auswirkt.

Zu den Folgen des Rolling Shutter gehören neben der Verzerrung bewegter Objekte wie Wackelpudding auch Belichtungsänderungen innerhalb eines einzelnen Fotos. Stellen Sie sich vor, der Verschluss liest den oberen Teil, wenn noch kein Blitz eingeschlagen ist. Nachdem der Blitz eingeschlagen ist und den Himmel erhellt, beginnt der Verschluss, den unteren Teil zu lesen. Das aufgenommene Foto erscheint oben dunkel und unten hell.

Abbildung 10: Blitz, erfasst durch CMOS | Quelle: Wikipedia[1]

Dieses Phänomen kann auch im Labor reproduziert werden, indem man eine Lichtquelle mit hoher Helligkeit schnell aufblitzen lässt.

Rolling-Shutter-Flimmern

Global Shutter-Flimmern

Abbildung 11 Zwei Arten von Verschlussflimmern | Quelle: bilibili@陈大陈[3]

4

Drehen Sie die Kamera um

Bisher bewegte sich die Kamera in einer Richtung senkrecht zur Scanrichtung. Was würde passieren, wenn wir die Kamera so drehen würden, dass sie sich parallel zur Scanrichtung bewegt? In Folge 15 der Dokumentation „Think Like a Crow“[4] führte der Moderator hierzu ein Experiment durch.

Abbildung 12 Ein interessantes Experiment

| Bildquelle: Think Like a Crow [4]

Es ist zu erkennen, dass der fotografierte Zug breiter, schräger, schmaler und in eine andere Richtung geneigt wird, wenn das Telefon um 90° gedreht wird. Wenn Sie die oben genannten Grundsätze verstehen, können Sie auch innehalten und darüber nachdenken, was vor sich geht.

Abbildung 13 Jello-Effekt in verschiedene Richtungen

| Bildquelle: Think Like a Crow [4]

Antwort:

Die in diesem Experiment verwendete Handykamera scannt und liest von rechts nach links, wie in Abbildung ① gezeigt, was der gleichen Richtung wie die Bewegung des Zuges entspricht. Die Zeit, die ein einzelnes Fenster benötigt, um die Scanlinie zu durchlaufen, ist länger, wodurch der Zug breiter erscheint. Abbildung ③ zeigt das Gegenteil.

In Abbildung 2 verläuft die Scanlinie von oben nach unten, und das Bild darunter ist stärker zur Bewegung des Zuges nach links geneigt. In Abbildung 4 verläuft die Scanlinie von unten nach oben, und das Bild oben ist stärker zur Bewegung des Zuges nach links geneigt.

5

Jello Effect Behavior Awards

An diesem Punkt ist jedem der Mechanismus des Gelee-Effekts völlig klar. Ich hätte nicht erwartet, dass sich hinter dem fortschrittlichen CMOS ein so kleiner Fehler verbirgt, sodass der Global Shutter, der im Filmzeitalter eine Selbstverständlichkeit war, heute zu einem Luxus geworden ist. Allerdings hat alles zwei Seiten, so wie auch der abnehmende Mond seine ganz eigene, einzigartige Bogenschönheit hat. Als Nächstes wollen wir einige der einzigartigen visuellen Effekte bewundern, die der Wackelpudding-Effekt mit sich bringt.

5.1

Gitarrensaiten

Abbildung 14 Der Wackelpudding-Effekt von Gitarrensaiten

| Bildquelle: bilibili@Fun Science[5]

Die Schwingfrequenz einer Gitarrensaite liegt ungefähr im Bereich von 100 bis 1000 Hz. Wenn die Belichtungszeit nahe an diesem Wert liegt, werden beim Scannen eines einzelnen Frames lediglich mehrere Schwingungszyklen der Gitarrensaite durchlaufen, was zu einem „oszilloskopähnlichen“ Effekt führt. Um die ursprüngliche Bewegung der Gitarrensaiten deutlich zu erkennen, muss zur Aufnahme des Bildes auf der linken Seite von Abbildung 15 eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Belichtungszeit von nur 1/20.000 s verwendet werden. Dieses Phänomen lässt sich natürlich durch eine Drehung der Kamera um 90° beseitigen, wie in Abbildung 16 gezeigt.

Abbildung 15 Vergleich des Jello-Effekts von Gitarrensaiten

| Bildquelle: youtube@SmarterEveryDay[7]

Abbildung 16 Die Gitarrensaite hat nach der Rotation fast keinen Wackelpudding-Effekt

| Bildquelle: bilibili@Fun Science[5]

5.2

Audio

Abbildung 17 Der Wackelpudding-Effekt des Soundsystems | Quelle: bilibili@子岚[8]

Ähnlich wie bei Gitarrensaiten ändert sich die chaotische Vibration des Trommelfells zu einer magischen Drehung, wenn die Hauptfrequenz des vom Lautsprecher wiedergegebenen Tons nahe an der Bildrate des Videos liegt.

5.3

Propeller

Abbildung 18 Propeller-Seitenansicht

| Bildquelle: youtube@SmarterEveryDay[7]

Abbildung 19 Propeller-Vorderansicht

| Bildquelle: youtube@SmarterEveryDay[7]

Ich hoffe, dass die obigen Beispiele jeden dazu inspirieren können, auf physikalische Phänomene im Leben zu achten. Hinter den scheinbar seltsamen Phänomenen verbergen sich immer Pläne von Menschen mit guten Absichten. Ich freue mich über alle, die im Kommentarbereich bessere Ideen vorschlagen. Ich wünsche Ihnen alles Gute für Ihre Rückkehr zur Arbeit~

Verweise

[1] Rolling Shutter – Wikipedia

[2] Bildgebungselektronik 101: Kamerasensoren für Anwendungen der industriellen Bildverarbeitung verstehen (edmundoptics.com)

[3] Der Unterschied zwischen CCD und CMOS_bilibili

[4] Denke wie eine Krähe_Episode 15_bilibili

[5] 【Fun Science】Staffel 1, Folge 19 - Verstehen Sie das Prinzip des Jello-Effekts in drei Minuten, und Sie können auch coole Filme mit Ihrem Telefon aufnehmen_bilibili

[6] [Hardcore Science] Das Geheimnis des Katzenrennens - Time Domain Sampling_bilibili

[7] Warum machen Kameras das? | Rollladen erklärt – Smarter Every Day 172 – YouTube

[8] Das Tragen von Kopfhörern ist nicht gestattet! Super-Niederfrequenz-Testsong! Testsong zum Jello-Effekt! _bilibili

Herausgeber: Muyu

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften