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摘要: 2012 年,在一个叫做“科切拉”的加利福尼亚音乐节上,在场嘉宾们被说唱艺术家图派克·夏库尔的登台表演震惊了


2012 年,在一个叫做“科切拉”的加利福尼亚音乐节上,在场嘉宾们被说唱艺术家图派克·夏库尔的登台表演震惊了。原因何在?因为这位著名的音乐家当时已经去世近二十年了。人们通常不假思索地将这种数字表演称为“全息影像”,但实际上这种说法是错误的。这种特技是一个佩珀尔光幻象的例子,我们可以用射线光学来解释。


佩珀尔幻象:历史戏法与现代幻象 


在十九世纪六十年代,一位名叫亨利·德克斯的发明家在古老的意大利光幻象的基础上进行了创新,利用玻璃和光来操控视觉效果,这种光幻象称为德克斯幻觉效应。由于这种视觉效果的产生极其复杂且成本高昂,需要完全重建剧院才能将特技展现出来,因此并未得到推广。


约翰 H. 佩珀尔于同一时期在伦敦皇家理工学院演讲时提出,用一种简单的方法在既有的剧院环境中实现德克斯的视觉效果,即仅仅使用一片玻璃。由于佩珀尔使这种幻象普及开来,因此被称为佩珀尔幻象。 佩珀尔开始在英国和澳大利亚的各个剧院表演幻术,令观众甚感玄秒。当地一家报纸甚至报道了学识渊博的物理学家迈克尔·法拉第在观看了佩珀尔的幻象表演后找到佩珀尔请他解释其中的原理。


最初,要产生佩珀尔光幻象,需要在一个明亮的(观众能直接看到的“舞台”)房间与一个隐秘的房间之间以某个角度放置一大块玻璃。这块玻璃会反射隐秘的房间,房间保持黑暗,从而制造出“幽灵”场景。当隐秘房间里的灯光逐渐变亮,照亮整个场景时,作为舞台的房间里的灯光同时变暗,这时,观众就看到了幽灵般的幻象。


佩珀尔幻象幕后图。图像由 Wapcaplet 自行拍摄。已获 CC BY-SA 3.0 许可, 通过 Wikimedia Commons 共享。


早在多年以前,游乐园和鬼屋就开始变着法子利用佩珀尔幻象在表演中达到幽灵再现的效果。


如今,有一种超高质量的影像投影技术将动作捕捉技术与三维计算机成像 (CGI) 结合起来,使用这种技术,知名人士和政治领导人的“数字影像”可以通过投影展现给大群观众,这是借助一个大型的佩珀尔幻象装置显示图像来实现的。这种新兴的计算机成像技术使用各种先进特效并利用软件将动画技术与提前录制的数字影像相结合,从而形成移动物体的幻象。这种特效也在电影中广泛使用。


在图派克·夏库尔的案例中,舞台前方以某个角度悬挂了一张透明胶片。使用舞台外的一台投影仪将这位音乐家过去的现场表演片段显示在胶片上。这个表演片段经过处理,并与动画软件相结合,从而制作出具有高分辨率的清晰录像用于表演。通过制作动画,这个录像片段已巧妙地处理成如同图派克正在与舞台上的其他表演者互动一样。与旧时佩珀尔幻象的透明和“恐怖”效果不同,动态影像的高质量使观众误以为看到的投影就是真实的场景。


射线光学现象 


佩珀尔幻象可以用射线光学来进行解释。首先,佩珀尔幻象中使用的玻璃或透明胶片与周围空气的折射率不同,也就是说,光在这两种介质中以不同的速度传播。当光到达这两种具有不同折射率的材料的边界时,通常一部分光会被反射,而其余的光则以某个角度折射,或称作透射。反射光和折射光的量可以通过菲涅耳方程来控制,同时还取决于入射角度、入射光的偏振以及相邻的材料。


我们来看看经典佩珀尔幻象的场景布置:一个舞台、观众视线以外的另一个房间,以及在观众与两个房间之间以某个角度摆放的玻璃墙。从明亮舞台发射出来的光在进入和离开玻璃平面时发生了折射。观众可以看到舞台,却看不到玻璃,就像他们正在观看任何旧舞台剧一样。当打开隔壁房间的灯时,光从“幽灵”向玻璃传播。其中一部分光被玻璃反射,并进入观众视线。此时观众看到的其实是同时来自舞台和隐秘房间的光线。这样就会投射出半透明的隐藏影像或“幽灵”效果。


在上述场景中,来自明亮舞台的部分入射光线在穿过玻璃射向观众时发生折射,而来自隐秘房间的部分入射光线则被玻璃反射。两个房间的影像都会进入观众视线,从而呈现佩珀尔幻象。


制作您自己的佩珀尔幻象投影仪 


就在万圣节前,我和我的同事 Matt Milhomme 用一些旧塑料唱片盒和一部手机制作了我们自己的佩珀尔幻象投影仪。



我们制作了一幅 "三维全息图"来投影手机中的 COMSOL 模型。


只需遵循以下步骤,您就可以非常轻松地重现和我们一样的装置,制作您自己的佩珀尔幻象投影仪:

  1. 将唱片盒或其他透明塑料制品剪成四个完全相同的菱形

  2. 用胶水或胶带将这几张塑料片粘在一起,呈金字塔状

  3. 准备一段录像来实现佩珀尔幻象效果*

  4. 设置您的手机来播放这段特效录像

  5. 倒置塑料金字塔结构,在播放录像时将它放在手机中心位置

  6. 千万别忘了将灯光调暗!


*我们使用自制的佩珀尔幻象投影仪录制了一段录像来播放射频仿真过程。您也可以从 YouTube 上提供的各种视频中选择可以实现佩珀尔幻象效果的视频。这些视频由四个完全相同的动画简单制作而成,并且每个动画都显示在黑色背景的对称正方形上。通过搜索 “3D Hologram Video”,就能找到一些可以使用您的投影仪来播放的视频。

本文内容来自 COMSOL 博客

小编:子如

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