不可能楼梯的起起落落

对经典错觉的 3D 重新构想揭示了新的深度

在施罗德阶梯中,A 墙看起来离你最近,但如果你将图像倒置,B 墙则会显得最近。

杉原厚吉

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相对性,荷兰艺术家 M.C. 埃舍尔 的石版画作品,描绘了一个具有三个正交重力源的世界,人们在其中攀登和下降似乎向上和向下延伸的楼梯。这件令人不安的艺术品基于 施罗德阶梯,这是一种二维歧义图像,以其同名 创作者 命名。尽管埃舍尔普及并扩展了施罗德的概念,但他将其保留在二维平面上。但是 施罗德阶梯 是否可以在 3D 空间中存在?

2013 年 YouTube 上 视频 由当时的电影和动画研究生 Michael Lacanilao 在纽约 罗切斯特理工学院 (RIT) 制作,展示了 RIT 的“真实版埃舍尔楼梯”。唉,这是一个聪明的 恶作剧。“非常明显,现实世界中不存在任何违反物理定律的‘埃舍尔楼梯’,”事实核查网站 Snopes 解释说。“该视频是通过使用欺骗性的摄像机角度、精心编辑和数字效果创建的把戏。”

虽然“埃舍尔楼梯”的真实实例仍然遥不可及,但日本明治大学数学家 杉原厚吉 的新错觉,即 2020 年 年度最佳错觉大赛 的获胜者,可能已在我们的现实中尽可能接近它。


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杉原的“3D 施罗德阶梯”表明,我们将 3D 物体解释为我们视角的函数。上面的图像展示了从两个不同但同时的视角(通过镜子)看到的同一个楼梯。因此,在一个视角中,我们看到交通锥在楼梯的顶部,但在第二个视角中,锥体似乎在楼梯的底部。实际上,楼梯像台球桌一样平坦,但形状恰到好处,具有数学精度,因此相同的绘制线交叉点从一个视点看起来是凹形的,但在其镜像中是凸形的。因此,“楼梯”从一个角度来看是向下的,而从另一个角度来看是向上的。

杉原说,这种感知失调可能与我们的大脑偏爱矩形形状“在无限多种可能的解释中”有关。“大脑通常会尝试将 [平面物体] 解释为尽可能多矩形的物体,在这种情况下,它就是一个楼梯。”   

杉原的版本将这种经典的 2D 错觉带入 3D 空间。请注意,红色锥体如何在镜像图像中从顶部台阶切换到底部台阶。实际上,3D 物体是基于由成角度的多边形腿支撑的楼梯的平面图。感知结果是从给定角度看到的上升楼梯,以及从不同角度看到的下降楼梯。图片来源:杉原厚吉

Stephen Macknik 是纽约州布鲁克林纽约州立大学下州健康科学大学的眼科、神经病学和生理学与药理学教授。他与 Susana Martinez-Conde 和 Sandra Blakeslee 合著了获得 Prisma 奖的Sleights of Mind。他还与 Susana Martinez-Conde 合著了Champions of Illusion。在 Twitter 上关注 Macknik @stephen_macknik

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Susana Martinez-Conde 是纽约州布鲁克林纽约州立大学下州健康科学大学的眼科、神经病学和生理学与药理学教授。她与 Stephen Macknik 和 Sandra Blakeslee 合著了获得 Prisma 奖的Sleights of Mind,并与 Stephen Macknik 合著了 Champions of Illusion

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SA Mind Vol 32 Issue 3本文最初以“不可能楼梯的起起落落”为标题发表在 SA Mind 第 32 卷第 3 期(),第 37 页
doi:10.1038/scientificamericanmind0521-37
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