時間と空間を歪めた春節旅行列車に乗ってみた? ！

電車の中で奇妙なことが起こった

少し前に故郷に思いを馳せた後、電車に乗って帰りました。なだらかな山々の向こうに太陽が昇り、木々の影が流れていくにつれ、私の故郷は消え去っていきます。編集者は携帯電話を取り出して、道中の景色の写真を撮りました。

写真1はとても美しいので、「枯れ木、沈む太陽、放浪者」と名付けることにしました

しかし…待ってください？近くの電柱はちょっと変わっていて、ソフトヌードルの束のような形をしており、そこに掲げられた「高電圧危険」の標識は異常に歪んでいた。それを信じなかった編集者は、窓の外からさらに数枚写真を撮りました。

図2 奇妙な写真

写真に写っているガードレール、電柱、街灯はどれも奇妙に曲がっており、電柱の4本の柱もそれぞれ違った曲がり方をしています。彼は酔っ払って足元がふらふらしているように見えるだけでなく、元気よく体をくねらせている。

何が起こっているのか？実際のところ、これらすべてはイメージセンサーの欠陥です。ほとんどの消費者向け携帯電話やカメラは、光信号を1行ずつ電気信号に変換するローリングシャッターを使用しています。このようなスキャンの後、この歪みが発生します。

図3 ローリングシャッター |出典: Wikipedia[1]

少し前に流行った「ブルーラインチャレンジ」と同様に、このアプリは信号を読み取る走査線を遅くすることで、ネットユーザーが想像力を働かせて走査線を使ってさまざまな歪んだ写真を作成できるようにしています。ネットユーザーの中には、絵を描くためにそれを使う人もいます。

図4 青い線のチャレンジ: マスクを使用してスキャンラインに沿って衣装を描く

|画像出典: TikTok @C&D

これに編集者の興味がそそられ、彼は帰国後すぐにカメラを使ってその効果を再現しました。

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図5: 高速振動中の「Fu」という文字、ホワイトボード、ホワイトボード消しゴム

ゼリーのような弾力

自分で試してみることもできます。撮影に関するちょっとしたヒント：プロフェッショナルモードでは露出時間をできるだけ短くするようにしてください。エディターは 1/200 秒を使用します。それに応じて、ISO 感度を上げて、被写体をできるだけ明るく照らす必要があります。シャッタースピードが長くなると、モーションブラーが発生します。

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図6 はい、このようにぼやけています

そこで本日の記事では、この歪んだ「フィルター」、つまりジェロ効果についてお話します。

イメージングセンサー

まず、写真撮影におけるイメージングセンサーの基本原理について説明します。光がレンズグループを通過してイメージングセンサーに到達すると、化学的または電気的な手段によってセンサーによって記録され、固定されます。

写真史の古代では、カメラは光を記録するために感光フィルムを使用していました。フィルム上のハロゲン化銀（主に臭化銀）は、光にさらされて現像されると銀に還元されます。銀微粉末は黒いため、定着液で余分なハロゲン化銀を洗い流すと、白黒が反転したネガフィルムが出来上がります。白黒画像を元の状態に戻すには、ネガフィルムを再度露光するだけです。このようにして、露光段階の画像が化学的に記録されます。

カメラが電子化されてからは、主流の画像センサーはCCDとCMOSになりました。動作プロセスには、光電変換、電荷収集、電荷転送、電荷測定の 4 つのステップが含まれます。

CCD（電荷結合素子）、電荷結合素子。光子がフォトダイオードに当たると、光電子が刺激されます。各ピクセルの電子は集められて電荷パケットを形成し、前の行のピクセルから次の行のピクセルに順番に転送され、最後に測定回路に送られてそれぞれの電気信号を出力します。

図 7 CCD 構造の概略図 |出典：エドマンド[2]

CMOS（相補型金属酸化膜半導体）、相補型金属酸化膜半導体。 CCD との違いは、各ピクセルにアナログ回路が組み込まれていることです。したがって、CCD では列全体をまとめて完了する必要がある読み取り操作が、CMOS では 1 つのピクセルで完了します。

図 8 CMOS 構造の概略図 |画像出典：エドマンド[2]

ここから、CCD の読み出し均一性の方が優れていることがわかります。結局のところ、これらは同じ読み出し回路を共有しているからです。 CMOS 上の数千万のピクセルはそれぞれ独自の考えを持っており、各ピクセルの増幅器が完全に一貫していることは保証できないため、初期の CMOS の歩留まりは確かに高くありませんでした。さらに、CCD は開口率が大きいため、より多くの光を取り込むことができ、より高い信号対雑音比を実現します。それに比べて、CMOS の各ピクセルには読み取り回路が占めるスペースがあるため、1 つのピクセルの受光面積は CCD よりも小さくなります。

しかし、CMOS にも利点はあります。 CMOS は読み出し回路が 1 つのピクセルの電気信号を増幅するだけでよいため消費電力が少なく、CCD はピクセルの列全体の信号を増幅する必要があります。さらに、CMOS は安定性が高くなります。 CCD のピクセルが損傷すると、ピクセル列全体の伝送チャネルが切断され、信号が遮断され、画像が消え、デッドブラックスポットの列全体が高地を占有します。

曹操：偶然ですね、私もそう思いました。

まさにこの 2 つの点が CCD が棚上げになっている理由であり、CCD は主に高精度が求められる科学研究や医療の場面でのみ使用され、一方、民生用カメラは基本的に CMOS です。

ローリングシャッターとグローバルシャッター

上記の動作原理により、ほとんどの消費者向け CMOS はローリングシャッターを使用します。名前が示すように、ローリングシャッターは、ローリングシャッターのようにピクセルアレイ上の光信号を行ごとに読み取ります。グローバルシャッターは、すべてのピクセルアレイ上の光信号を同時に読み取ります。

図 9 ローリングシャッターとグローバルシャッター |出典: Wikipedia[1]

CCD は電気信号を読み取る際に、前の行の電荷を次の行に垂直に転送する必要があります。転送プロセス中、これらのピクセルは転送プロセスの処理に使用され、光に敏感であり続けることはできません。そうしないと、画像の品質に影響します。したがって、CCD ではすべてのピクセルが同時に露光されるようにグローバルシャッターを実装することが容易です。それに比べて、CMOS では、追加のトランジスタの追加と別の同期回路の設計が必要になるため、グローバルシャッターの使用ははるかに困難であり、コストが増加し、市場競争に悪影響を及ぼします。

ローリングシャッターの影響としては、ゼリーのような動く物体が歪むことに加え、1 枚の写真内での露出の変化も含まれます。雷がまだ落ちていないときに、シャッターが上部を読み取っているところを想像してください。雷が落ちて空が明るくなった後、シャッターが下の部分を読み取り始めます。撮影した写真は上部が暗く、下部が明るく表示されます。

図 10 CMOS で捉えた雷 |出典: Wikipedia[1]

この現象は、高輝度光源を高速で点滅させることによって実験室で再現することもできます。

ローリングシャッターのちらつき

グローバルシャッターフリッカー

図 11 2 種類のシャッターフリッカー |出典: bilibili@陈大陈[3]

カメラを回す

以前は、カメラはスキャン方向に対して垂直な方向に移動していました。カメラをスキャン方向と平行な方向に回転するとどうなるでしょうか?ドキュメンタリー「カラスのように考えろ」[4]の第15話で、司会者がこれに関する実験を行いました。

図12 興味深い実験

|画像出典: カラスのように考える [4]

携帯電話を 90 度回転させると、撮影した電車の幅が広くなったり、傾いたり、狭くなったり、別の方向に傾いたりすることがわかります。上記の原則を理解しているなら、立ち止まって何が起こっているのか考えてみるのもよいでしょう。

図13 異なる方向におけるジェロ効果

|画像出典: カラスのように考える [4]

答え：

この実験で使用した携帯電話のカメラは、図①に示すように、電車の進行方向と同じ方向である右から左へスキャンして読み取ります。一つの窓が走査線を通過するのにかかる時間が長くなるため、列車の幅が広く見えるようになります。図③はその逆です。

図②では走査線が上から下へ掃引されており、下の画像は列車の動きが左に傾いていることがわかります。図 4 では、走査線が下から上に掃引され、上の画像は列車の左への動きに傾いています。

ジェロ効果行動賞

この時点で、ゼリー効果のメカニズムについては誰もが非常によく理解しています。高度な CMOS の背後にこのような小さな欠陥があり、フィルム時代にはごく当たり前だったグローバルシャッターが今では贅沢品になっているとは思いもしませんでした。しかし、欠けていく月が独特の弧を描く美しさを持っているように、すべてのものには二面性があります。次に、ジェロ効果によってもたらされるユニークな視覚効果のいくつかを見てみましょう。

5.1

ギター弦

図14 ギター弦のジェロ効果

|画像出典: bilibili@Fun Science[5]

ギターの弦の振動周波数は、おおよそ 100 ～ 1000 Hz の範囲です。露出時間がこのレベルに近い場合、1 つのフレームをスキャンすると、ギターの弦の振動サイクルが数回実行されるため、「オシロスコープ」のような効果が得られます。ギターの弦の本来の動きをはっきりと見るためには、図 15 の左側の画像を撮影するために、露出時間が 1/20000 秒という短い高速カメラを使用する必要があります。もちろん、図 16 に示すように、カメラを 90 度回転させると、この現象を排除できます。

図15 ギター弦のゼリー効果の比較

|画像出典: youtube@SmarterEveryDay[7]

図16 ギターの弦は回転後にゼリー効果がほとんどなくなる

|画像出典: bilibili@Fun Science[5]

5.2

オーディオ

図 17 サウンドシステムのゼリー効果 |出典: bilibili@子岚[8]

ギターの弦と同様に、スピーカーから再生される音の主な周波数がビデオのフレームレートに近づくと、鼓膜は混沌とした振動から魔法のようなねじれに変化します。

5.3

プロペラ

図18 プロペラ側面図

|画像出典: youtube@SmarterEveryDay[7]