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中科院物理所 今天

以下文章来源于数字北京科学中心 ，作者北京科学中心

数字北京科学中心
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北京科学中心是北京市科学技术协会建设的面向公众开放的大型科技场馆，是服务于公众的公益性社会科普教育基地。


审稿：吴宝俊
理论物理博士

生活中，大家可能都有过这样的体验：
 
• 拍照之前摄影师千叮咛万嘱咐尽量不要穿条纹的衣服。

 斑马：所以是不给我照相了吗

• 如果电视节目主持人的衣服上有条纹图案，在移动时观众们往往能看到一些动态的条纹，长时间盯着屏幕看还可能给人一种晕眩感。

小姐姐挺酷的，为啥衣服看起来有点让人头晕呢

• 上课想拍下老师ppt的内容，却发现用手机拍摄电视或电脑屏幕时，也总会出现一条条不断变化的讨厌条纹。移动手机位置时，条纹还会跟着发生不规则的变化，这些魔性的条纹，简直是影响了我们向学霸进阶的步伐啊。

拍摄电脑显示器时产生条纹

这些令人眼花的场景，其实是对应了一种叫摩尔纹的东西。

前面提到的这些现象便都是摩尔纹在生活中的实例。那么摩尔纹是怎样产生的？我们又可以通过哪些途径减轻或消除摩尔纹的影响？它在其他方面又有什么应用？今天，我们就来一场摩尔纹大揭秘。


1

摩尔纹如何产生？

摩尔（Moiré）是一个法语单词，原指古代法国人从中国进口的丝绸上的水波条纹。
 
这类条纹图案有一个特点，就是每隔一段距离，完全相同的图案就会重复一次，我们把这种特点称为周期性，两个相同图案之间的距离就叫做周期。
 
周期越大，条纹看起来越稀疏；周期越小，就越密集。
 
摩尔纹十分类似物理中的干涉现象，要想产生摩尔纹，最关键的一点就是要有两个都具备周期性的图案，且二者的周期比较接近，比如这样：
       摩尔纹产生示意动图

当这样两个周期相近的图案叠加到一起时，就会产生周期更大的图案，如果你仔细观察，会发现新产生的图案的周期是原来两个图案周期的最小公倍数。
 
下面，我们就用几张图来形象地理解一下摩尔纹形成的原理。
 
假设有两个周期只有很小差异的条纹，它们最左端的黑色线条开始位置相同，可以完全重合，但由于间隔不同，向右看去二者的线条逐渐就不能重合了。
         摩尔纹形成图一

按理说周期小的条纹会越来越远，差距越来越大。然而，由于两个图案有周期性，当周期小的图案中的某一个条纹与大周期图案相同位置的条纹相差更远时，意味着它与大周期图案中前一个条纹离得越来越近。
 
随着我们向右看，会发现上下两个图案之间的差距先是越来越大，然后又越来越小，形成了更大的变化周期。
         摩尔纹形成图二

如果两个条纹的频率差异再稍微扩大一些，就能形成密集程度不同的摩尔纹了。

       摩尔纹形成图三


  摩尔纹形成图四

可不要以为摩尔纹只会在条形的图案里出现，只要具有周期性，不管密密麻麻的点，还是排列整齐的方格子，甚至是一圈圈圆环都能形成摩尔纹。
        
     二维周期图案也能形成摩尔纹

更让人想不到的是，经过精心的设计，两个看起来再寻常不过的周期图案叠加在一起竟能形成造型独特的摩尔纹。
 
还有些设计师会把图案和文字藏在密密麻麻的周期图案中，只要在上面覆上带周期图案的透明板，被“加密”的信息就会显现出来。

       

2

为啥拍摄屏幕时会出现摩尔纹？

讲到这里，一定有小伙伴会问，既然摩尔纹是由两个周期有差异的图案产生，那为什么用手机拍摄显示屏的时候也会产生摩尔纹呢？屏幕和手机上明明看不到有周期图案的存在啊？
 
其实，显示屏和摄像头感光芯片都是由一个个小元件组成的阵列。
 
如果你放大显示屏就会发现一个个由红绿蓝三色构成的显示单元整齐地排列在一起，形成具有周期性的结构，像无数个小灯泡一般。这些小灯泡按照要求亮起，在人眼看来，就能呈现出各种画面。

放大后的显示屏

摄像头的感光芯片则由一个个感光单元排列在一起，也具有周期性的结构。不过，芯片和显示器的元件都十分的微小，换句话说就是周期极小，人眼根本无法将它们分辨出来。

放大后的CCD

不过当我们把摄像头对向屏幕时，事情就不一样了。
 
这时摄像头与屏幕各自的周期结构会叠加在一起，形成周期更大的图案，以至于可能会被我们的双眼看到。于是，画面中就出现了原本不存在的条纹。
 
为什么我们在拍摄电脑显示器、手机或LED屏幕时照片中会出现摩尔纹呢？
 
生活经验表明，如果我们移动相机或手机的位置拍摄电子屏幕时，所产生的摩尔纹也会发生移动，但奇怪的是，它的移动方向可能跟我们相机或手机的移动方向并不相同，也不一定相反。
 
其实摩尔纹形状如何变化要取决于它最初是怎么形成的，也就是拍摄设备和被拍摄物体像素元件的最初相对排列方式。
 
以下图为例，如果蓝色线条代表被拍摄物体的一个像素元件排列取样，黑色为手机相机的一个像素元件取样。

摩尔纹的变动示意图

假设我们将手机平行向右移动，其像素元件取样由黑色线条平行移动至灰色线条，则二者的交点由A向下移动到了C处，因此摩尔纹的变化方向应该是向下，而非向右或向左。


3

怎样减轻或消除摩尔纹
既然摩尔纹的存在经常会影响我们对录像或照片的观看体验，甚至阻挡了我们好好学习进阶学霸的步伐了，我们也可以根据其形成原理想办法减轻或消除摩尔纹。

首先，在拍摄设备分辨率上做文章。前面我们已经提到，只有当拍摄设备与被拍摄物体中感光原件的频率满足一定条件时才能产生摩尔纹，而照相机或摄像机等设备中的感光元件的空间频率与其分辨率有一定的关系，我们就可以想办法调整设备分辨率来消除摩尔纹。
 
当镜头的分辨率远小于感光元器件的分辨率，也就是提高镜头的像素密度时，就不会出现摩尔纹，但遗憾的是，现实中镜头的分辨率往往高于感光器件的分辨率。
 
因此，在现实生活中，有些摄影师会在传感器前方安装一块特殊的低通滤镜，它就是用来消除影像中的高频部分，使得传感器的空间频率要高于拍摄物体，从而减缓摩尔纹的产生。
 
其次，依靠强大的后期制作消除摩尔纹。
 
这种方式只适用于拍照或录播节目时使用，我们可以借助相关的图像处理软件对拍摄的视频或图像信号进行后期的数字化处理，来消除拍摄素材画面中出现的摩尔纹。
 
但这种方式对直播节目和大部分没有专业技术的人来说就很困难了，而且耗费的成本也较高。

利用后期技术消除摩尔纹

最后，运用一定的拍摄技巧。假如我们的设备并不能满足相关要求，也没有专业知识进行后期处理，那就在拍摄时运用一些小技巧，来尽量减轻摩尔纹的影响吧。
 
比如当电脑屏幕在我们的拍摄中只作为背景存在时，我们可以采用大光圈或景深模式等来暗化和模糊化屏幕，减少成像中的摩尔纹。
 
但如果我们就是要拍摄屏幕上的内容，就只能灵活调整拍摄角度和位置，调节相机的焦距，改变对焦点的位置，尽量减轻摩尔纹的影响。


4

生活中的摩尔纹

其实，不仅仅是在拍摄屏幕时我们才可以看到摩尔纹，在拍摄密集条纹形状的衣服时，相机成像元件和衣服纹路图像也有可能重叠而产生摩尔纹。
 
而且由于太阳光等白光是各种颜色的复合光，还可能产生彩色的摩尔纹条纹。甚至在拍摄玻璃窗户、大楼、电梯时都可能看到它们的身影。

拍摄大楼时产生的摩尔纹

但其实摩尔纹也不只是给人们的摄制带来不便，它也有一些应用，比如纸钞上的防伪技术就应用了摩尔纹的相关原理，感兴趣的小伙伴也可以去研究一下噢~

众多国家在纸币上加入了摩尔条纹的元素用于防伪

原标题：拍照时为什么尽量别穿条纹的衣服？摩尔纹大揭秘

来源：数字北京科学中心

编辑：Dannis

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