第九卷 第九期 - 2009年七月二十四日 PDF
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利用非對稱循環圖案產生會動的錯覺影像
紀明德1李同益1,*、屈穎歌2、黃田津2

1國立成功大學電機資訊學院資訊工程學系
2香港中文大學 資訊工程學系
tonylee@mail.ncku.edu.tw

ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH 2008 issue), Vol. 27, No. 3, August 2008, pp. 62:1-62:8.

 
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Project Web Site: http://graphics.csie.ncku.edu.tw/SAI/

(1) our work is selected as one of four highlight papers from 518 ACM SIGGRAPH 2008 technical paper submissions and 2) a recent article (2008 Sept. Issue) published at Newsweek/Russia reports our research. 


類的視覺系統無庸置疑是遠比當今最先進的相機更為精緻。所謂: 「我看故我知」不一定皆是對的,因為我們常受限於本身視覺系統的誤導而有錯誤判斷。人類的視覺會俱有一些特殊的錯覺現象,因此人類的視覺感知和儀器的測量所得的結果可能會有很大差異。譬如: 運動視錯覺(illusory motion)是其中最有趣的心理現象,這種現象描述一張由特殊顏色樣式(color patterns)所構成的靜態影像,能令人視覺系統感知到運動(motion)的錯覺。在運動視錯覺研究中,就以日本學者北岡明佳(Akiyoshi KITAOKA)所設計的Rotating Snake [1](圖1)最具代表性,這張靜態影像透過排列許多環狀的蛇形花紋,使得人眼可以自發性地感受到移動的錯覺。此類視覺藝術,本文稱之Self-animating影像。

過去運動視錯覺研究上,心理學家整理出構成視錯覺現象的刺激圖案(stimulus)基本元素。這些基本元素主要是以四個不同亮度的顏色(黑、深灰、白、淺灰)為主的循環圖案,又稱之為非對稱循環圖案(repeated asymmetric pattern, RAP)[2]。往往單一的刺激圖案無法產生強烈的視錯覺效果,而必需由多組圖案經過特殊排列,才能產生一致且強烈的錯覺效果。這些錯覺的展示提供了有趣的視覺體驗。一幅會自己產生運動的靜態圖畫,本身就具有藝術觀賞的價值,且對於娛樂和廣告上的應用面有深厚的潛力。雖然目前心理學家可以利用RAP基本元素設計出具有強烈運動錯覺的Self-animating影像,不過,仍存在著大量的限制,尤其是在顏色和花紋的選擇。而且目前既有的錯覺作品往往需要手動去設計,缺乏完善的指引去設計出一個具有強烈運動視錯覺的效果,如何突破這些限制是本論文主要研究重點。
圖1. Rotating snakes [1]

基於現有視錯覺理論基礎[3] ,本文研究[4]提出自動產生運動視錯覺Self-animating影像的方法,主要步驟如圖2所示。(1)首先,使用者輸入一影像,並透過影像簡化和分割演算法將此影像分成數個任意形狀的區塊。(2) 使用者可輸入一流場資料(vector field)以排列基本的錯覺圖案產生運動視錯覺的效果或利用本研究所提出最佳化方法自動將每個區塊的流場流向安排成彼此相對交錯,藉此強化視錯覺強度。(3) 自動將非對稱循環圖案(RAP)沿著流線(streamlines)擺放,並對其擺放位置最佳化處理,避免產生過短而不規律的流線,減少非對稱循環圖案間的互相干擾而減低視錯覺強度。(4) 最後利用最佳顏色選擇演算法將非對稱循環圖案(RAP)上色,完成Self-animating影像。
圖2. 本研究基本流程 [4].

運動視錯覺是個迷人且有趣的現象,它對於一張靜態的影像增添了另一個維度的資訊,使得靜態的影像動起來。本文研究成果可應用在電腦圖學上如圖3為 ACM SIGGRAPH LOGO 海報與廣告設計的應用。向量場的視覺化一直是科學視算重要主題,研究洋流(ocean flow)時大都將資料以流場動畫方式呈現,無法以靜態影像呈現出動態資訊。利用本文研究成果卻能讓靜態的流場產生動態的錯覺(圖4)。運動視錯覺與電腦圖學的結合是一深具挑戰與跨領域的研究,每個人感受到視錯覺強度因人而異且與RAP解析度大小相關,太小解析度RAP將無法產生運動視錯覺。然而如果能更進一步,做出更接近顏色細節的錯覺的圖畫,運動視錯覺在電腦圖學應用將會更為寬闊,也是未來本研究努力的方向。最後,值得一提是本文研究被國際頂尖會議ACM SIGGRAPH從518投稿論文中獲選為4篇Highlight論文之一,並獲得俄羅斯 Newsweek 於2008年九月刊登報導[5],詳情與更多實驗成果可在本研究網站獲得: http://graphics.csie.ncku.edu.tw/SAI/
圖3. 會動SIGGRAPH logo海報 [4]
圖4. 會動靜態的洋流流場 [4].
圖5. 本研究獲俄羅斯 Newsweek 於2008年九月刊登報導[5]

參考文獻

[1] KITAOKA, A., 2003. Rotating snakes. http://www.psy.ritsumei.ac.jp/~akitaoka/rotsnakee.html .
[2] BACKUS, B. T., AND ORUC, I. 2005. Illusory motion from change over time in the response to contrast and luminance. J. Vis. 5, 11 (12), 1055–1069.
[3] KITAOKA, A. 2006. The effect of color on the optimized fraserwilcox illusion. the 9th L’ORE’AL Art and Science of Color Prize, 1–16.
[4] Ming-Te Chi, Tong-Yee Lee, Yingge Qu and Tien-Tsin Wong, " Self-Animating Images: Illusory Motion Using Repeated Asymmetric Patterns", ACM Transactions on Graphics (SIGGRAPH 2008 issue), Vol. 27, No. 3, August 2008, pp. 62:1-62:8.
[5] http://graphics.csie.ncku.edu.tw/SAI/illusia_newsweek_russia.pdf
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