ワゴンホイール効果

荷馬車の車輪効果（駅馬車の車輪効果とも呼ばれる）は、スポーク付きの車輪が実際の回転とは違った方向に回転しているように見える錯覚です。車輪は実際の回転よりもゆっくりと回転しているように見えたり、静止しているように見えたり、実際の回転とは逆方向に回転しているように見えたりします（逆回転効果）。

ワゴンホイール効果は、映画やテレビの西部劇の駅馬車や荷馬車の描写で最もよく見られますが、ヘリコプターのローター、航空機の プロペラ、車のリムなど、規則的にスポークが付いた回転体の録画でも見られます。これらの記録されたメディアでは、この効果は時間的エイリアシングの結果です。^[1]また、回転する車輪がちらつく光で照らされたときにもよく見られます。これらの形式の効果はストロボ効果として知られており、車輪の本来の滑らかな回転が断続的にしか見えません。ワゴンホイール効果の一種は、連続照明の下でも見ることができます。

ストロボ条件により、回転するホイールの可視性は、ホイールの動きがまったくない (映画カメラの場合) か最小限である (ストロボの場合) 一連の短いエピソードに分割され、より長い不可視エピソードによって中断されます。前者のエピソードをフレームと呼ぶのが慣例です。フィルムに画像を記録するアナログ映画カメラは通常 24 フレーム/秒で動作しますが、デジタル映画カメラは25 フレーム/秒 (PAL、欧州規格) または 29.97 フレーム/秒 (NTSC、北米規格) で動作します。標準的なテレビは 59.94 または 50 画像/秒で動作します (ビデオ フレームは 2 つの別々の画像です。インターレース を参照)。カメラのシャッター動作はエイリアシングに影響します。時間の経過に伴う露出の全体的な形状によって、エイリアシングの重要な要因であるサンプリング前のシステムの帯域制限が決まるためです。カメラに時間的アンチエイリアシングフィルタを適用すると、帯域制限が改善され、ワゴンホイール効果を軽減することができます。^[2]

ストロボスコープの周波数は、通常、任意の値に設定できます。ガス放電ランプ(ネオン、水銀灯、ナトリウム灯、蛍光灯など)などの交流電流で駆動すると時間的に変調される人工照明は、電力線の周波数の 2 倍で点滅します(たとえば、50 サイクルのラインで 1 秒あたり 100 回)。電流の各サイクルでは、電力が 2 回ピークに達し (1 回は正電圧、もう 1 回は負電圧)、2 回はゼロになり、光の出力はそれに応じて変化します。これらのすべての場合において、ストロボスコープの条件下では、回転するホイールが見えます。

4本スポークの車輪の本当の回転は時計回りだと想像してください。^[3]車輪が最初に見えるのは、1本のスポークが12時の方向にあるときかもしれません。次に見えるようになったときに、それまで9時の位置にあったスポークが12時の方向へ動いていれば、見る人は車輪が止まっていると認識します。2回目に見えたときに、次のスポークが11時30分の方向へ動いていれば、見る人は車輪が逆回転していると認識します。2回目に見えたときに、次のスポークが12時30分の方向へ動いていれば、見る人は車輪が実際に回転しているよりも遅いとはいえ、車輪が前向きに回転していると認識します。この効果は、ベータ運動と呼ばれる運動知覚特性に依存しています。つまり、異なる時間に視野内の異なる位置にある 2 つの物体の間で運動が見られるのは、物体が類似している場合 (スポーク付きの車輪の場合に当てはまります。各スポークは基本的に他のスポークと同一です) であり、物体が近い場合 (元々 9 時の方向にあったスポークが 2 番目の瞬間に当てはまり、元々 12 時の方向にあったスポークよりも 12 時に近くなります) です。

Finlay、Dodwell、Caelli (1984 ^[4] )およびFinlayとDodwell (1987 ^[5] )は、各フレームの持続時間が観察者が実際の回転を見るのに十分長い場合の、ストロボ照明下での回転する車輪の知覚を研究した。それにもかかわらず、回転方向はワゴンホイール効果によって支配されていた。FinlayとDodwell (1987)は、ワゴンホイール効果とベータ運動の間にはいくつかの重要な違いがあると主張したが、彼らの主張はコンセンサスを妨げなかった。

ワゴンホイール効果は、エンジンのタイミング調整などの一部のエンジニアリング作業で利用されています。これは、ビニールレコード用の一部のターンテーブルでも使用されています。音楽再生のピッチは回転速度に依存するため、これらのモデルでは回転プラッターの側面に規則的なマークが付いています。これらのマークの周期は、ローカル電源周波数 (50 Hz または 60 Hz) で、回転が正確に 33 + 1/3 rpm の希望速度に達したときに、マークが静止しているように見えるように調整されています。

ラッシュトン（1967 ^{[6] ）は、連続照明の下で}ハミングをしながらワゴンホイール効果を観察した。ハミングは眼窩の中で眼を振動させ、眼の中にストロボ状態を効果的に作り出す。回転周波数の倍数の周波数でハミングすることで、彼は回転を止めることができた。わずかに高い周波数と低い周波数でハミングすることで、彼は回転をゆっくりと逆方向に動かし、回転方向にゆっくりと回転させることができた。同様のストロボ効果は現在、人々がテレビを見ながらニンジンなどのカリカリした食べ物を食べることでよく観察されており、画像が揺らめいて見える。^[7]カリカリという音は、テレビのフレームレートの倍数で目を振動させる。目の振動の他に、振動する鏡を介して車輪を観察することによってもこの効果を生み出すことができる。振動する車のバックミラーでもこの効果を生み出すことができる。

真に連続的な照明（太陽など）の下でワゴンホイール効果を初めて観察したのは、スハウテン（1967 ^[8]）でした。彼は、主観的ストロボスコピーをアルファ、ベータ、ガンマと名付けた3つの形式に区別しました。アルファストロボスコピーは、1秒間に8～12サイクルで発生します。ホイールは静止しているように見えますが、「一部のセクター（スポーク）は、立っているスポークに対してハードルレースをしているように見えます」（p. 48）。ベータストロボスコピーは、1秒間に30～35サイクルで発生します。「パターンの明瞭さはほとんど消えています。時々、灰色がかった縞模様の明確な逆回転が見られます」（pp. 48～49）。ガンマストロボスコピーは、1秒間に40～100サイクルで発生します。「ディスクは、すべてのセクター周波数で、立っている灰色がかったパターンが見られることを除いて、ほぼ均一に見えます...震えるような静止状態です」（pp. 49～50）。ショウテンは、ベータストロボスコピー、つまり逆回転を、人間の視覚系に動きをエンコードするためのライヒャルト検出器があることと一致すると解釈しました。ショウテンが使用したスポークホイールパターン (放射状格子) は規則的であるため、真の回転の検出器を強く刺激しますが、逆回転の検出器も弱く刺激します。

実際に連続した照明の下でのワゴンホイール効果については、2 つの大まかな理論があります。1 つ目は、人間の視覚は視覚シーンの一連の静止フレームを捉え、動きは映画のように認識されるというものです。2 つ目は、Schouten の理論です。つまり、動画は実際の動きに敏感な視覚検出器と、時間的なエイリアシングからの反対の動きに敏感な検出器によって処理されるというものです。どちらの理論にも証拠がありますが、証拠の重みは後者に有利です。

Purves、Paydarfar、Andrews (1996 ^[9] ) は離散フレーム理論を提唱しました。この理論の証拠の 1 つは、Dubois と VanRullen (2011 ^{[10] ) によるものです。彼らは}LSD使用者の体験を調査しました。彼らは、薬物の影響下では動く物体の後ろに一連の静止画像が続くのが見えることが多いと報告しています。彼らはそのような使用者に、薬物の影響下ではないときに見たそのような追跡画像をシミュレートした映画と薬物体験を一致させるように依頼しました。彼らは、ユーザーが 15～20 Hz 程度の映画を選択したことを突き止めました。これは、Schouten のアルファ レートとベータ レートの間です。

Kline、Holcombe、およびEagleman (2004 ^[11] ) は、回転ドラム上の等間隔のドットによる逆回転の観察を確認しました。彼らはこれを「錯覚的な運動反転」と呼びました。彼らは、これが回転するディスプレイを長時間 (約 30 秒から、一部の観察者では 10 分ほど) 見た後にのみ発生することを示し、また、逆回転のインスタンスが視野の異なる部分で独立していることを示しました。これは、視覚シーン全体をカバーしている離散フレームとは矛盾しています。Kline、Holcombe、およびEagleman (2006 ^[12] ) はまた、視野のある部分での放射状格子の逆回転が、視野の同じ部分で重ね合わされている直交運動とは独立していることを示しました。直交運動は、放射状格子と同じ時間周波数を持つように収縮する円形格子の運動でした。これは、視覚シーンの局所的な部分をカバーする離散フレームとは矛盾しています。Kline ら逆回転は、回転の逆方向が十分に活性化し、一種の競合関係において真の回転の知覚を支配するようになるというライヒャルト検出器と一致していると結論付けた。逆回転を知覚するのに長い時間がかかることから、弱く刺激された逆回転検出器が知覚に寄与する前に、真の回転に反応する検出器の 神経適応が起こる必要があることが示唆される。

Kline et al. (2004) の結果に対するいくつかの小さな疑問が、離散フレーム理論の支持者を支えている。これらの疑問には、Kline et al. が、偶然に予想されるよりも多くの視野の異なる部分からの同時反転の例を一部の観察者で発見したこと、および一部の観察者で、反転の持続時間の分布が純粋な競合プロセスによって予想されるものと異なることを発見したこと (Rojas、Carmona-Fontaine、López-Calderón、Aboitiz、2006 ^[13] ) が含まれる。

2008年、クライン氏とイーグルマン氏は、空間的に重なり合う2つの動きの錯覚的な反転が別々に知覚されることを実証し、錯覚的な動きの反転が時間的サンプリングによって引き起こされるのではないというさらなる証拠を示した。^[14]彼らはまた、錯覚的な動きの反転が非均一かつ非周期的な刺激（例えば、回転するサンドペーパーのベルト）で発生することを示したが、これも離散的サンプリングとは両立しない。クライン氏とイーグルマン氏は、代わりにこの効果は「動き中の効果」、つまり動きの後効果が実際の動きに重ね合わされることから生じると提唱した。

この効果により、旋盤などの回転機械は人工照明下で操作すると危険になる場合があります。特定の速度では、機械が停止しているか、またはゆっくりと動いているように見えるためです。このため、作業場や工場では単相照明を避けることをお勧めします。たとえば、単相電源で基本的な蛍光灯で照らされている工場では、主電源周波数の2倍のちらつきが発生し、100 Hzまたは120 Hz（国によって異なります）になります。そのため、この周波数の倍数で回転する機械は回転していないように見える場合があります。^{[引用が必要]}

最も一般的なタイプの AC モーターは主電源周波数に固定されているため、旋盤やその他の回転機器のオペレーターにとって大きな危険をもたらす可能性があります。^{[引用が必要]}

解決策としては、完全な3相電源で照明を配置するか、より安全な周波数で照明を駆動する高周波コントローラを使用する方法があります。^[15]わずかな変調で連続的に光るフィラメントを使用する従来の白熱電球も、消費電力の増加を犠牲にしてはいますが、別の選択肢を提供します。小型の白熱電球を機器の作業用照明として使用することで、この影響に対抗し、作業場で大量の白熱電球を運用するコストを回避することができます。^[要出典]

• エイリアシング
• ストロボ効果
• ローリングシャッター

• 目の錯覚を示すインタラクティブなデモ。