这种魔性条纹毁掉过无数照片,但也可以这么美

作者: 焦述铭

来源: 果壳

发布日期: 2020-04-20

摩尔纹是一种在两个高频率图案叠加时产生的低频率图案效果,这种现象不仅在童年回忆中的解密卡上出现,也在日常生活中如拍摄屏幕时常见。摩尔纹不仅在科学和艺术中有应用,如显微镜技术的改进和艺术创作,还在防伪技术中发挥了作用。

在不少90后的童年回忆中,都有一套名叫《冒险小虎队》的书,和一张神秘的“解密卡”。每当小说扣人心弦的故事进入高潮时,书页上的下一段突然没有了文字,而是出现一堆杂乱无章的条纹,“想知道接下来发生了什么?请取出解密卡”。这张神秘的小卡片给很多人的童年带来了快乐。覆盖上这张特制的小卡片,谜底就从无序的花纹中浮现出来,这到底是怎么回事?

其实,同样的现象你可能每天都会在生活中遇到——就在你掏出手机拍摄屏幕的时候。这种现象就是摩尔纹(Moiré Pattern)效应。在生活中,我们常以这种烦人的方式与摩尔纹见面。“摩尔纹”到底是什么呢?让我们先从简单的条纹讲起。在下面的图中,我们会看到A和B两个竖条纹图案,它们看起来很相似,但条纹的频率稍有不同——在这里,频率用来描述空间维度。下面,我们把A和B叠在一起。

得到的结果C并不会让你产生密集恐惧症,反倒可以发现,图案里细栅栏好像共同组成了一些巨粗无比的立柱。两个高频率图案的邂逅到一起,会“自甘堕落”,衍生出低频率的图案效果,这就是摩尔纹效应。从数学上来说,两个频率接近但不同的余弦周期函数相乘,结果中会出现他们之间频率差值的低频周期信号。当然,这些高频率图案不一定非要是条形的。它们可以是密集的点阵图案,也可以是密集的圆环,同样都可以制造出摩尔纹效应。

《冒险小虎队》书页上的条纹和解密卡上的条纹就分别相当于上面的A和B。其实原本书页上打印的图案里也包含着隐藏的文字,不过就像穿着迷彩服躲藏在树丛中的士兵一样,文字淹没在了密集条纹之中,人眼难以察觉。解密卡使用之后,在低频率摩尔纹映衬之下,原本隐藏的文字就暴露了出来。事实上,各种拍摄和显示图像的数码设备普遍都是像素阵列结构。

无论电视电脑的屏幕,扫描仪投影仪,还是手机和数码相机里面的传感器,都是由一个个周期性的像素单元组成,它们都可以看成是高频率阵列图案。而当这些“高频率阵列图案”彼此组合,或者再遇上别的什么密密麻麻的细节图像,各种魔性的摩尔纹效果就出现了。生活中最烦人的还是拍摄手机/电脑屏幕时的摩尔纹,它们不止花纹魔性,而且还五彩斑斓。这奇怪的颜色是怎么回事?要解释它,我们首先要了解一下数码设备上彩色像素的组成。

显示屏上的每一个像素,实际都是由相邻的红、绿、蓝三个像素组成,它们通过不同的明暗组合显示色彩。这些像素尺寸和间距都很小,人眼并不能把它们区分开。但是,单独排列的三色像素就意味着出现了三个不同的高频率阵列。这样一来,产生的摩尔纹就更加复杂了。摩尔纹并不总是丑陋碍事的奇怪条纹,在艺术家与设计师手中,它们其实也有很美的一面。

日本平面设计师Takahiro Kurashima创作了一本书“Poemotion”,书上没有完整成形的图片,可只要覆盖上条纹状胶片,上下左右来回滑动,就能看到摩尔纹产生的奇幻效果,宛如纸上的游乐场。而设计师John Leung则通过摩尔纹把静止的图像变成了一群游动的鲤鱼。只要一边移动视角,一边透过带有条纹的玻璃咖啡桌注视下方,就会看到鱼群摆尾的景象。

意大利设计师Andrea Minini也脑洞大开,使用类似摩尔纹的曲线,为不同动物绘制了一系列抽象肖像“Animals in Moiré“, 表现出了精致细腻的美感。图中展现的分别是猫头鹰,眼镜蛇,蝙蝠和孔雀。不只是“解密卡”或者“魔法鲤鱼”,摩尔纹还有更加高端的应用——比如说,可以用它来看清显微镜下十分微小的细节。受摩尔纹启发,科学家们发明了一种名叫“结构光照明显微成像” (SIM)的技术。

它可以超越普通光学显微镜的限制,看清尺度更小的细节。这种显微镜的使用方法是:每次给样本(比如微小的细胞)投影不同的高频率条纹光图案,样本的高频率细节纹理和投影光图案共同作用产生了低频率摩尔纹,前者原本是超出显微镜放大倍数的,无法被看清,可产生的低频率摩尔纹却是在显微镜放大倍数以内的,于是通过各种摩尔纹可以间接地还原出物体的细节是什么样子,使得显微镜相比于原本的放大极限更加放大很多倍。

将高频条纹光与不容易分辨的“高频细节”叠加,得到更容易分辨的低频图案,这种方法能帮研究者间接看清微小的细节。钱币的防伪识别也常会用到摩尔纹的原理。在2018年的电影《无双》中,周润发和郭富城饰演的假币制造团伙就遇到了不小的麻烦:即便使用高清打印机来复制假币,也会让钞票上产生摩尔纹瑕疵,容易被识破。这就是钞票上细密的条纹图案与打印的像素点阵叠加造成的结果。电影《无双》中提及的摩尔纹。

不仅如此,就连手机拍屏幕时难看的条纹其实也可以“变废为宝”。近来,有研究者巧妙地利用了这种摩尔纹,设计了能够防止被“盗扫”的二维码。我们在使用一部手机拍摄另一部手机屏幕时,摩尔纹常常会出现,并且和拍摄时两部手机的距离和角度都有关系,在研究者所设计的方案中,只有从特定的距离和角度拍摄,拍到的摩尔纹里才能提取出正确的二维码图案,否则无法看到受保护二维码的样子。

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