Объяснение иллюзии Призрака Пеппера в рамках геометрической оптики

Объяснение иллюзии Призрака Пеппера в рамках геометрической оптики

В 2012 году, гости Калифорнийского музыкального фестиваля Коучелла были шокированы, увидев на сцене выступление рэп-исполнителя Тупака Шакура. Почему? Потому что знаменитый музыкант к этому времени был мертв в течение почти двух десятилетий. В распространившихся со скоростью эпидемии откликах это цифровое выступление назвали “голограммой”, что на самом деле совершенно неправильно. Этот фокус является примером оптической иллюзии Призрака Пеппера, которую можно объяснить в рамках геометрической оптики.

Призрак Пеппера: исторический обман и современная иллюзия

В 1860-ом, один изобретатель по имени Генри Диркс (Henry Dircks) сконструировал более старую итальянскую оптическую иллюзию, которая использовала визуальные эффекты, управляемые при помощи света и стекла. Генри назвал ее Дирксианской Фантасмагорией (Dircksian Phantasmagoria). Этот фокус так никогда и не приобрел популярности, поскольку был слишком сложным и дорогостоящим, да и к тому же требующим полной перестройки театров для внедрения этой иллюзии.

Джон Пеппер (John H. Pepper), который читал в это время лекции в Королевском Политехническом институте в Лондоне, придумал более простой способ реализации идеи Диркса в существующих театрах, используя при этом только лист стекла. Поскольку именно Пеппер популяризировал иллюзию, она стала носить название Призрак Пеппера. Пеппер начал показывать иллюзию, разъезжая по театрам Англии и Австралии, неизменно удивляя публику. Одна местная газета даже сообщала, что известный физик Майкл Фарадей, после просмотра иллюзии, разыскал Пеппера и потребовал объяснений фокуса.

Оригинальная оптическая иллюзия Призрак Пеппера предполагает размещение под углом большого куска стекла между ярко освещенной “сценической” комнатой, в которой зрители смотрят прямо перед собой и скрытой комнатой. Стекло частично отражает происходящее в скрытой комнате, сохраняемой в темноте и содержащей “призрачную” сцену. Когда свет в скрытой комнате слегка усиливается для освещения сцены, свет в сценической комнате слегка тускнеет, и “скрытое” видение проявляется перед зрителями.

За кулисами простейшей ллюзии Призрака Пеппера. Image by Wapcaplet — Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.

В течение многих лет, парки развлечений и дома привидений стали приспосабливать различные вариации Призрака Пеппера для достижения эффекта призрачного появления в своих постановках.

Сегодня, благодаря высококачественной технологии видеопроецирования, которая сочетает в себе технологию захвата движений с 3D компьютерной графикой (computer-generated imaging — CGI), “цифровые двойники” знаменитостей и мировых политических лидеров могут быть виртуально спроецированы перед большими скоплениями людей, с помощью отображения графики благодаря хитроумным приспособлениям для полномасштабной иллюзии Призрака Пеппера. Эта быстро развивающаяся компьютерная технология делает возможной иллюзию движущихся объектов, при помощи комбинации технологии анимации с предварительно отснятым цифровым материалом с использованием различных спецэффектов и суперсовременного программного обеспечения. Такие спецэффекты часто используются в кинематографии.

В случае Тупака Шакура, прозрачную пленку натянули под углом в передней части сцены. Кадры, отснятые во время последних живых выступлений музыканта, были показаны на этой пленке, используя скрытый проектор за кулисами. Для выступления, отснятый материал бал отредактирован и смонтирован в программе анимации для создания безупречного видео с высоким разрешением. С помощью анимации, видеозапись была смонтирована таким образом, чтобы создать впечатление, как будто бы Тупак общается с другими исполнителями на сцене. В противоположность иллюзии Призрака Пеппера старого времени, которая была призрачной и “жуткой”, современное качество анимационной графики заставляет наблюдателей ошибаться, принимая проецируемое изображение за реальность.

Подход геометрической оптики

Призрак Пеппера можно объяснить в рамках геометрической оптики. Для начала отметим, что стекло или прозрачная пленка, используемая в иллюзии Призрака Пеппера, имеет иной показатель преломления, чем окружающий его воздух; то есть, свет в двух средах распространяется с различной скоростью. Когда свет достигает границы раздела между двумя материалами с различными показателями преломления, часть света, как правило, отражается, а оставшаяся часть преломляется, и проходит во вторую среду под некоторым углом,отличным от первоначального направления распространения. Количество отраженного и преломленного света регулируется соотношениями Френеля и зависит от угла падения и поляризации падающего света, а также показателей преломления соседствующих материалов.

Рассмотрим схему, используемую для классической иллюзии Призрака Пеппера, состоящую из сцены, дополнительной комнаты вне прямой видимости зрителей и стеклянной стены, расположенной под углом (диагонально) между аудиторией и обеими комнатами. Свет от освещенной сцены преломляется, проходя через стеклянную панель. Зрители могут видеть сцену, но не стекло, так как будто они смотрят только стандартную сценическую постановку. Когда свет в боковой комнате включается, свет распространяется от “призрака” к стеклу. Часть света отражается стеклом и попадает в аудиторию. Толпа видит лучи света, “приходящие” и от нормальной сцены, и от скрытой комнаты. Таким образом, скрытое изображение проецируется полупрозрачным, или “призрачным”, способом.

В схеме изображенной выше, часть падающих лучей от освещенной сцены, преломляется стеклом в направлении зрителей, а часть падающих лучей, приходящих из скрытой комнаты, отражается от стекла. Изображения в двух комнатах вместе, накладываясь друг на друга, достигают аудитории, создавая иллюзию Призрака Пеппера.

Сделайте свой собственный проектор Призрака Пеппера

В канун Хэллоуина, мой коллега Matt Milhomme за компанию со мной, сконструировал собственный проектор Призрака Пеппера из нескольких старых футляров для CD и мобильного сотового телефона.

Вы сможетедовольно просто воспроизвести наше устройство и сделать свой собственный проектор Призрака Пеппера, если выполните следующую инструкцию:

1. Вырежьте четыре одинаковых ромбовидных фигуры из коробок для компакт-дисков или другого вида прозрачного пластика
2. Склейте или скрепите скотчем пластиковые части в форме пирамиды
3. Найдите видео для реализации эффекта Призрака Пеппера*
4. Настройте свой сотовый телефон для проигрывания этого специального видео
5. Переверните вашу пластиковую пирамидальную структуру вверх ногами и разместите ее над центром вашего мобильного телефона для воспроизведения видео
6. Не забудьте выключить свет!

*Мы сделали свое собственное видео для воспроизведения СВЧ-моделирования на нашем самодельном проекторе Призрака Пеппера. Вместо него, вы можете выбрать любое из множества видео на YouTube, предназначенных спеуциально для реализации эффекта Призрака Пеппера. Данные ролики состоят из четырех одинаковых анимаций на черном фоне, отображаемых в углах симметричной квадратной формы. Вы сможете найти подборку видео для воспроизведения на своем проекторе, если зададите в опциях поиска: “3D голографическое видео” (“3D Hologram Video”).