Почему на видео колеса машины крутятся назад, хотя она едет вперёд

Машина едет вперёд, а колёса на записи вдруг начинают крутиться назад. Иногда они вообще на секунду застывают, хотя автомобиль продолжает разгоняться. Это легко принять за глюк видео, но на самом деле здесь сходятся особенности съёмки и то, как мозг собирает картинку из того, что видит. И самое интересное — этот эффект появляется не случайно: у него есть вполне конкретные условия, которые можно посчитать.

Вращающееся колесо автомобиля на высокой скорости

Камера снимает кадры, а мозг дорисовывает промежутки

Глаз видит мир непрерывно, а камера снимает его отдельными кадрами. В кино обычно 24 кадра в секунду, в телефонах чаще 30 или 60 кадров. Между кадрами ничего не записывается. Чем объект занимался эти 1/30 или 1/24 секунды, мозг додумывает сам: он соединяет каждую деталь нового кадра с самой похожей деталью предыдущего.

Со спицами колёс это срабатывает таким странным образом, потому что все они одинаковые. Допустим, между кадрами колесо повернулось на 90% расстояния между соседними спицами. Тогда каждая спица на новом кадре стоит чуть позади того места, где была соседняя. Короткий путь мозгу кажется правдоподобнее, поэтому колесо будто откатывается назад. Так проявляется эффект алиасинга, известный как эффект колеса телеги. Если колесо за кадр проходит ровно один промежуток между спицами, они выглядят неподвижными.

При 30 кадрах в секунду спицы замирают на 43 км/ч

Возьмем обычную легковушку с пятиспицевыми дисками и шинами 205/55 R16. Диаметр такого колеса около 63 см, а окружность около 2 метров. Чтобы колесо замерло при съемке 30 кадров в секунду, за каждый кадр оно должно поворачиваться ровно на пятую часть оборота. Получается шесть оборотов в секунду, то есть примерно 43 км/ч. При 24 кадрах в секунду то же самое случится на скорости около 34 км/ч.

Колесо движущегося автомобиля с почти неподвижными спицами

Если ехать чуть медленнее, колеса на видео ползут назад, а если чуть быстрее, то вперед. Колесо снова замирает, когда за кадр проходит ровно два промежутка между спицами. При 30 кадрах это около 86 км/ч, а потом около 129 км/ч. Поэтому на видео с разгоняющейся машиной колеса несколько раз останавливаются и меняют направление, хотя скорость растет без перерыва.

На число спиц тоже стоит обратить внимание. У диска с десятью спицами промежутки вдвое короче, и в первый раз колеса замирают уже на 21 км/ч.

Колеса стоят на месте лишь пару секунд

Чтобы колесо на видео полностью застыло, скорость должна совпасть с расчетной с точностью до нескольких процентов. Если машина едет на 5% медленнее 43 км/ч, при 30 кадрах в секунду спицы каждую секунду смещаются назад на полтора промежутка. Дрейф медленный, но его хорошо видно.

На дороге скорость все время немного меняется, поэтому колеса замирают ненадолго: на пару секунд, а потом снова приходят в движение.

Вертолетный винт замирает только при удачном совпадении

С винтом работает то же правило. Лопасти вертолёта тоже одинаковые, поэтому считать надо, сколько лопастей в секунду проходит через одну точку. Например, пятилопастный винт делает 300 оборотов в минуту, это 25 проходов лопастей в секунду. Если снимать его с частотой 25 кадров в секунду, каждый кадр застает лопасти на одних и тех же местах, и винт висит неподвижно. Только выдержка должна быть короткой, иначе лопасти смажутся.

Вертолёт с визуально неподвижными лопастями винта

Настоящие вертолеты с такими цифрами совпадают редко. Пятилопастный несущий винт Ми-8 делает около 192 оборотов в минуту, то есть 16 проходов лопастей в секунду. Замереть он мог бы при 16 кадрах в секунду, но не при 24 или 30. У двухлопастного Robinson R44 винт крутится со скоростью 408 оборотов в минуту, это 13,6 прохода в секунду.

На 30 кадрах пятилопастному винту для этого нужно 360 оборотов в минуту, а двухлопастному 900 оборотов в минуту. Так быстро ни один из этих винтов не крутится. Поэтому на обычных роликах винт чаще вращается лениво, дергается или идет назад. Квадрокоптеры и другие аппараты с быстрыми винтами ведут себя на видео так же. Когда винт нужно снять неподвижным, операторы заранее подбирают под него частоту кадров.

Построчный затвор изгибает лопасти дугой

Есть и второй обман, с частотой кадров не связанный. Матрица большинства телефонов и веб-камер считывает картинку построчно, сверху вниз, а не всю сразу. Это называется построчным затвором. Пока камера дойдет до нижних строк, быстрый винт успеет повернуться, и одна и та же лопасть попадет в кадр в разных положениях на разной высоте.

Из-за этого прямая лопасть изгибается дугой, а у вертолета лопасти кажутся сильнее отогнутыми назад, чем на самом деле. Винт самолета может превратиться в набор изогнутых полос, а иногда лопасти даже как будто отрываются от центра.

Изогнутые лопасти вертолёта из-за построчного затвора

У камер с глобальным затвором матрица считывает весь кадр одновременно, и такого искажения нет, но стоят они дороже. Дорогие кинокамеры считывают кадр быстрее, поэтому перекос у них слабее.

Еще больше познавательных материалов вы найдете в нашем Telegram-канале. Обязательно подпишитесь!

Колесо крутится назад даже без камеры

Самое интересное, что иногда этот эффект видно и вживую. Спицы колеса на солнце порой на мгновение кажутся вращающимися в обратную сторону. Но солнечный свет непрерывный, и никаких кадров тут нет.

Сначала предположили, что мозг тоже видит мир порциями, как кинокамера. Но эксперименты эту версию пошатнули. Два одинаковых вращающихся узора, стоящих рядом, меняли направление не одновременно. А мозг, который делает общие снимки, перевернул бы оба сразу.

Сейчас больше данных в пользу другого объяснения. В зрительной системе есть клетки, которые реагируют на движение в одну сторону, и клетки, которые реагируют на движение в противоположную. Они соперничают. Если смотреть на вращение долго, клетки «противоположного» направления иногда берут верх и подменяют настоящее ощущение. Даже мозг, который эволюция оттачивала миллионы лет, иногда ошибается. Как именно это происходит, ученые до сих пор спорят, и единого ответа пока нет.