行車記錄儀的 “上帝視角” 俯視圖是怎么來的？

看似神奇的畫面背后

藏著哪些光學與算法的 “組合拳”

本文帶你快速解鎖技術原理。

問答導航 Q1 喝完果啤幾個小時后，嘴里還有甜味，是什么原因？ Q2 為什么氣體分子無法靜止？ Q3 為什么大多數人在玩紙飛機時會在機頭哈氣？能讓紙飛機飛得更遠嗎？ Q4 為什么一個泡泡是彩色的，而洗手或者打沐浴露時泡泡很密集，但為什么是白色？ Q5 跨步電壓是怎么產生的？當火線觸地時電流流向哪里？電源外的電流一定要從電源正極流向電源負極嗎？ Q6 為什么加了水窗花就可以牢牢貼在玻璃上，時間久了還會在玻璃上留下印記難以撕下來? Q7 上樓時，不同的步幅消耗的能量一樣嗎？ Q8 風口（風大的地方）一般是什么地形或環境？ Q9 行車記錄儀的俯視圖是如何制作出來的？ Q10 為什么瓜果都是中心最甜？ Q11 下雨之后，在操場跑步會有吱吱的聲音？在有水的玻璃表面摩擦也會產生這樣的聲音，其中的原理是什么呢？ Q12 為什么以前的恐龍擁有很長很粗的尾巴 而現在的大動物比如大象、牛、豬的尾巴都是小小的？

Q1 喝完果啤幾個小時后，嘴里還有甜味，是什么原因？

by 白班

傳統的果啤是用麥芽、大米等為原料，加入啤酒花，經糖化、發酵并在過濾時加入果汁釀制的含有二氧化碳的酒。我們來看看它的甜味來源：水果本身帶有的果糖和葡萄糖，在發酵過程中仍會保留在酒中；麥芽糖在發酵不完全時也會有部分殘留，發酵時間越短或者發酵不完全，果啤中殘留的糖分就越多，甜味也會更明顯。但一般來說這種蔗糖或者果糖成分是不會留存很久的。

至于喝完之后嘴里的甜味保持很久，那大概是果啤里面添加的甜味劑了，比如安賽蜜、阿斯巴甜等，他們沒有任何的營養和能量只有極高的甜味，一般為蔗糖的50-20000倍不止。這類成分無法被身體代謝只能通過體液或排便排出。它們一般會在體液和組織分泌物中存在很長一段時間，導致唾液腺里分泌的唾液也含有甜味劑，所以感覺口水都是甜的。

by 藍多多

Q2 為什么氣體分子無法靜止？是因為它的伸縮振動和彎曲振動與壁相撞導致動量轉換嗎？說絕對零度會靜止是因為它停止振動了嗎？

by 化學給我A+

我們常說的分子運動是組成物質的分子在不間斷的進行無規則的運動，它們的運動與溫度有關，溫度越高，分子的運動越劇烈。對于氣體分子的運動，我們可以采用氣體動理論的說法。快速運動的分子不斷地碰撞其他分子或容器的壁，氣體分子的平均平動動能只依賴于系統溫度，所以氣體分子無法靜止主要是來源于分子的熱運動。分子間不斷彼此碰撞或與容器器壁進行碰撞，這些碰撞都是彈性碰撞。伸縮振動和彎曲振動都是原子在化學鍵的約束下進行的相對運動，這些被稱為分子振動，在量子力學中，分子振動是量子化的，可以用諧振子模型來描述，它的能量與振動頻率成正比。兩種振動模式都是被熱所激發的。因此分子無法靜止主要還是和溫度有關的。

前面說過，分子的平動動能取決于系統溫度，在絕對零度下，是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。根據熱力學第三定律，在此溫度下，物質分子沒有動能，所以也就沒有振動了；但根據量子力學，粒子在零點時能量仍然存在，所以分子又不會完全靜止。因此要解釋一種物理規律還是要看在什么范疇下來看。

by 藍多多

Q3 為什么大多數人在玩紙飛機時會在機頭哈氣？能讓紙飛機飛得更遠嗎？

by 匿名

雖然在機頭哈氣可以一定程度地改善飛機的空氣動力學行為，但是這個改變并不顯著而且還有可能讓紙飛機的情況惡化，所以說一般而言，哈氣這個動作可能更多的是一種心理暗示，或者是一種提供“儀式感”的行為。

在紙飛機的飛行過程中， 它的機翼以一定的迎角穿過空氣，也就是它的機頭要適當地抬起來；這樣一來，用一種比較簡單的說法來說，在向前飛行的過程中，紙飛機的機翼就會把迎面而來的空氣“擠下去”，由于牛頓第三定律，空氣就會給它一個向上的反作用力，讓紙飛機獲得足以抵抗自身重力的升力，紙飛機就飛起來了。

但是我們也必須考慮如果升飛機的姿態改變導致迎角過大，比如遇到上升氣流，或者投擲出去的時候角度沒有掌握好，或者是飛行時飛機遇到了擾動等，這個時候會導致空氣不能順暢地流過機翼，形成湍流，從而導致升力驟然下降，阻力猛增，導致飛機墜落或者失控（失速）；并且由于紙飛機的結構剛性很差，導致了過大的動力還會導致結構的變形，導致其無法繼續飛行。

這里的哈氣可以適當改善這個問題，首先就是哈出來的水汽可以打濕機頭，讓其頭部更重，重心前移，從而抵抗迎角過大帶來的失速行為，并且增加慣性使其飛行路徑更穩定，而且還能一定程度上增加結構剛性；但是哈氣帶來的質量增加本身即極其有限，相對于飛機的質量可以忽略不計，而且如果運氣不好，反而可能造成機翼變形，適得其反。

如果真的追求讓紙飛機飛的更遠的話， 也不一定非要追求加配重或者改善結構之類的，有一個很簡單的辦法：你可以尾隨它，拿一塊傾斜的板子向前推動，給它持續的上升氣流，就能大大提高它的航程了。

參考資料：

1. Landell-Mills, Nicholas. (2021). Newton explains lift. (Summary).

2. Landell-Mills, Nicholas. (2020). How paper airplanes fly according to Newtonian mechanics.. 2. 10.24018/ejphysics.2020.2.4.9.

by ArtistET

Q4 為什么一個泡泡是彩色的，而洗手或者打沐浴露時泡泡很密集，但為什么是白色？

單個泡泡看起來是彩色的，主要是泡泡的壁厚度并不是完全均勻的。光照射到泡泡表面時，內外表面的反射光發生干涉，根據光的干涉，不同的厚度對于不同的波長會產生干涉相消或者相長，所以形成彩色的條紋。

但沐浴露的泡沫不是單一的泡泡，它是由許多大小、形狀和厚度各不相同的氣泡組成的集合體，光線照射到泡沫上會發生米氏散射，反而使得光線在各個方向都均勻散射，因為這些光線包含了所有的可見光，那么它們合在一起就成了白光了。

by 藍多多

Q5 跨步電壓是怎么產生的？當火線觸地時電流流向哪里？電源外的電流一定要從電源正極流向電源負極嗎？

by Newtz

跨步電壓通常出現在高壓輸電線路或電氣故障的接地場地。當高壓線路發生故障（如火線觸地短路），大量電流通過故障點向地面流散；故障點周圍的地面會形成電勢梯度，也就是說離故障點越近，地面電勢越高，離遠了電勢逐漸降低；跨步電壓就是人兩腳之間由于處在不同電勢的地面，兩腳踩的地面電勢差，這個電壓會驅動電流流經人體，造成觸電危險。

假設是單相供電系統：火線（帶電線）直接接觸大地，形成短路；電流會從火線流向故障點接地處的地，然后通過大地回到變壓器中性點接地或電源負極；也就是說，電流會沿著最小阻抗路徑，從火線流向地，再回到電源（通過接地系統完成回路）；這是導致短路電流急劇上升的原因，保護設備（斷路器、熔斷器）因此動作切斷電源。三項供電系統的情況也大致如此。

電源外的電流整體是從電源正極流到電源負極的，這是一定的，但是在整個回路的某一部分，或者一些特殊的原件（比如電容、感性原件、半導體器件）里，局部的電流有可能是相反的。

by ArtistET

Q6 為什么加了水窗花就可以牢牢貼在玻璃上，時間久了還會在玻璃上留下印記難以撕下來?

by rinku

玻璃表面看似光滑，實則也是凹凸不平的。當窗花被水潤濕后，水分會填充窗花與玻璃之間的微小空隙，形成一層水膜，隔絕了窗花與玻璃之間的空氣，從而讓窗花被大氣壓吸住，類似吸盤的原理。即使內部水分蒸發了，只要窗花邊緣沒有被揭開，它依然能夠被大氣壓按在玻璃上。有的窗花表面自帶水溶性膠粘劑，加水后，膠層中的親水基團與水分子結合，膠粘劑軟化，讓窗花緊緊貼在玻璃上。 窗花貼久了材質會發生老化，比如常見的塑料窗花，長期的紫外線照射會讓它發生氧化降解，表面變黏，吸附在玻璃上就會留下印記。對于帶膠粘劑的窗花，長期暴露在空氣中膠粘劑會逐漸硬化，導致窗花不易整塊撕下來，有膠的殘留。這時候你可以嘗試用玻璃清潔劑清除，如果有殘余的膠不好扣下來，可以用吹風機加熱試試。

by Sid

Q7 上樓時，不同的步幅消耗的能量一樣嗎？比如20級臺階，一級臺階一步地上樓；和兩級臺階一步或者三級臺階一步地上樓。從公式來講，對自己做的功是一樣的，但是動作幅度卻是不一樣的。哪種方式消耗的能量多呢？

by 蝶翩不凡

在這一過程中，涉及到能量轉化效率的問題。從做功角度來講，爬相同的樓層，你對自己做的功確實是一樣的，這一部分我們叫做有用功。但是，就如同機械有機械效率一般，人體在運動的時候也存在能量轉化效率，即消耗的能量按照一定的比例轉化為做的有用功，剩下的部分以熱量等形式耗散掉。

如果是走20級樓梯這樣的過程，一般比較短，我們就暫時忽略疲勞等因素帶來的效率下降。一般而言，人體走路的步幅會影響行進過程中的能量轉化效率。在某個步幅區間內邁步，能量轉化效率是最高的。用同樣的時間爬同樣多的樓梯，如果步子邁得過小，步頻過高，每步消耗的能量雖然少，但是邁的步數多得更加顯著，同樣的，步子邁得過大，每步的能量消耗會增大，肌肉負擔也會增大，這兩種情況的能量轉化效率就會變差。

那么如何確定這個步幅區間呢？這就取決于上樓梯的主觀感受了。當你感覺輕松自如、呼吸平穩、不容易感覺累的時候，你就很可能處在這個最優區間內。當然這個步幅會因人而異，如果你身高很高的話，那么很有可能一步邁兩級樓梯時最優的，但是對于大多數人來講，樓梯的設計都能使得人們一步邁一級樓梯時能量轉化效率最高，也就是最舒適。

參考資料：

1. Margaria, R. Positive and negative work performances and their efficiencies in human locomotion. Int. Z. Angew. Physiol. Einschl. Arbeitsphysiol. 25, 339–351 (1968).

2. Ralston, H.J. Energy-speed relation and optimal speed during level walking. Int. Z. Angew. Physiol. Einschl. Arbeitsphysiol. 17, 277–283 (1958).

3. Donelan, Max & Kram, Rodger & Kuo, AD. (2001). Mechanical and metabolic determinants of the preferred step width in human walking. Proceedings. Biological sciences / The Royal Society. 268. 1985-92. 10.1098/rspb.2001.1761.

by ArtistET

Q8 風口（風大的地方）一般是什么地形或環境？

by 匿名

“風口”通常指風力較大的地方，也就是風速集中、增強的區域。

其形成原因大致包括： ①地形狹窄、通道作用，使得空氣流動被限制，風速加快；②迎風抬升和障礙物效應，導致局部風力增強；③空氣壓力差和溫度差異，驅動風流經過特定區域。

根據形成原因，我們大致可以知道風口出現的常見地形或環境特點主要有以下幾類：①峽谷/山谷口，在這里風會被擠壓，導致流速加快; ②山脊/山峰附近（尤其是迎風坡），在這里風被抬升，導致流蘇變大; ③平原上的狹長開闊地帶，這種地面特征形成風道，導致風力集中; ④建筑物間的夾縫，這和山谷口類似; ⑤海岸線或者懸崖邊，海風和陸風的交匯處風速較大而且懸崖邊阻礙小導致風力集中。

by ArtistET

Q9 行車記錄儀的俯視圖是如何制作出來的？

by happy

答：

不知道大家是不是和我一樣，老覺得這種汽車的360度全景影像是不是在車頂也安了一個攝像頭拍出來的，但看車頂又什么都沒有，其實這種視頻都是合成出來的，它的全程叫做衛星全景行車安全系統。由四個攝像頭組成，前中網處、后機蓋車牌處及左右后視鏡處四個攝像頭，收集四周全方位圖像，在經過圖像處理單元智能算法處理，最終將車輛四周全方位圖像顯示在屏幕上，最直觀地觀察到車輛的位置。極大增強了汽車兩側位置的判斷，大大減少了因為兩側盲區導致的事故。最為突出一點就是通過數學算法進行畫面合成和畫面修正，形成一幅車身周圍的全景俯瞰圖，所以讓人產生車頂有個攝像頭的錯覺。但是如果你在車頂放個蘋果，他是看不見的，那就打破了在車頂有攝像頭的錯覺。

為了便于理解，我們先來講講透視變換，攝像機光軸與地面并不是呈垂直關系，而是有一定的傾斜角度，因此想要獲取俯視圖即正投影的效果，就需要對圖像進行透視變換。進行透視變換獲取俯視圖的常用方法有兩種：1、基于圖像的單應性矩陣DLT算法。2、基于攝像機傾斜角度的變換。由于在實際中我們比較難以準確測到攝像機的傾斜角度，因此我們采用第一種方法來進行透視變換獲取俯視圖。兩個不同視角的圖像上的點對的可以用一個射影變換表述， ,H稱為單應性矩陣，設單應性矩陣為H，取原圖像像素點(u，v),變換尺度因子w,俯視圖坐標點(X,Y,Z),也即世界坐標點，則有：

我們對等號右邊的部分乘上一個系數 ，將H變成一個只有八個自由元素的矩陣，對其進行求解，反正經過一系列復雜變換，我們需要帶入四個參考點來求出數值，最后得出的矩陣形式：

由上式可知我們只需要選取校正圖后的四組參考點，對應其在俯視圖坐標下的坐標點，即可求解出單應性矩陣。也就是可以把四個方向的魚眼校正圖變換成俯視圖，存放到總的俯視圖對應的四個方向上。

圖像配準根據不同配準原理，主要可以分為三種配準方法：基于圖像亮度信息的配準方法、基于特征的圖像配準方法、基于變換域的圖像配準方法。

以上三種配準方法都是根據圖像之間重合區域信息來自動配準的，一般自動配準的方法運算量大，精確度不高。而且對于車載環視系統來說，每個攝像頭都固定在車上，他們之間的相對位置不會改變，因此采用手動選取參考點實現配準的方法。

在全景俯視圖中，相鄰兩方向俯視圖之間存在一定的重合區域，另外由于我們求解單應性矩陣時對四個區域方向選取了參考點，因此我們可以在選取參考點時選取相鄰兩幅畸變校正圖的兩個重合點作為求解單應性矩陣的參考點，即相鄰圖像選取共同參考點，并且在全景俯視圖下建立統一的坐標系，如圖所示。這樣當四路視頻圖像經透視變換后映射到各自相應俯視圖區域即完成圖像配準，這樣就可以把四個方向圖像在側視圖變成俯視圖時拼接起來。

四路視頻圖像經過全景視圖映射和圖像配準后，就可以得到全景視頻圖像，但相鄰兩視頻區域拼接處有明顯的拼接縫，拼接處有折斷的現象；并且在亮度上有較大的差異，存在亮暗不均一的情況。

參考資料：

1. 劉曉明,徐東靜.2023年問界M7 360全景影像校準[J].汽車維修技師,2024,(15):40-43.

2. 王亦凡.基于深度學習的360度平視全景視頻行人車輛檢測系統研究與實現[D].東南大學,2023

by 藍多多

Q.E.D.
Q10 為什么瓜果都是中心最甜？

by 爆米花

在炎熱的夏天，切開一個西瓜，大家總習慣從瓜的中心開始品嘗，因為那里通常最甜。你是否好奇，為什么瓜果的中心部分總是最甜呢？這背后其實有植物生長和發育的科學原理。

瓜果的果實主要由雌蕊的子房發育而來，胚珠則發育成種子。授粉后，子房壁開始增厚，發育成果皮，同時從植株上吸取的糖分也被儲存起來，形成果肉。西瓜的果肉由胎座和內果皮構成，胎座位于瓜子的中心部位，內果皮則貼近瓜皮。

不僅是西瓜，甜瓜、哈密瓜、南瓜等瓜類的中心部分也通常更甜。這是因為在果實發育過程中，糖分主要通過胎座輸送到種子周圍，導致中心部分糖分濃度較高，味道更甜。

值得一提的是，西瓜的祖先與南瓜類似，成熟時其胎座呈絲狀結構。經過數百年的育種過程，西瓜的胎座逐漸發達，成為現在我們看到的樣子。這一變化使得西瓜的中心部分更加甜美，成為我們品嘗的重點。

然而，并非所有瓜果的中心部分都最甜。例如，蘋果的甜度主要集中在靠近果皮的部分，而中心部位的甜度相對較低。這是因為蘋果的果肉主要由內果皮和中果皮組成，糖分在這些區域積累較多，而中心部分的糖分相對較少。

總之，瓜果中心更甜的現象是由植物的生長發育過程決定的，糖分的運輸和分布使得果實中心部分糖分濃度較高，味道更甜。

參考資料：

by Chocobo

Q11 下雨之后，在操場跑步會有吱吱的聲音？在有水的玻璃表面摩擦也會產生這樣的聲音，其中的原理是什么呢？

by 何必如此

這主要還是粘滑現象在作祟。粘滑，看上去兩個相反的詞，是怎么組合在一起的？以大家都比較熟悉的模型——小物塊在有摩擦的表面運動為例。物體沒有運動之前，受到靜摩擦力的作用，產生加速度a1。被拉動之后，靜摩擦力轉化為動摩擦力，此時產生加速度a2。由于靜摩擦力大于動摩擦力，動靜轉換的一瞬間，a2是大于a1的，加速度的變化會帶來物體的沖擊振動，從而產生噪聲。當這個過程反復出現的時候，就產生了粘滑現象和持續的噪聲。

產生粘滑現象的關鍵在于摩擦力的動態變化，所以使用潤滑材料減少靜摩擦，使其與動摩擦系數相匹配可以有效降低粘滑現象。粘滑現象通常發生在低速階段，控制滑動速度可以跳過摩檫力不穩定區間。另外，還可以考慮增加阻尼材料來吸收振動能量，降低粘滑現象的影響。

參考資料：

by Sid

Q12 為什么以前的恐龍擁有很長很粗的尾巴 而現在的大動物比如大象、牛、豬的尾巴都是小小的？

by 付卿

恐龍，尤其是巨型的蜥腳類恐龍，如梁龍和腕龍，其尾巴不僅僅是身體的延伸，更是其生存策略的一部分。首先，長尾巴在體型龐大的恐龍中起到了平衡作用。由于這些恐龍的脖子極長，尾巴的存在幫助它們維持身體的重心，避免前傾或后仰。此外，長尾巴可能還具有其他功能。例如，學者推測，恐龍的尾巴可能用作防御武器，或在求偶中作為展示的工具。

然而，隨著時間的推移，哺乳動物在進化過程中逐漸改變了尾巴的形態和功能。現代的大型哺乳動物，如大象和牛，其尾巴主要用于驅趕昆蟲。由于這些動物的體型龐大，尾巴的長度和力量足以滿足這一需求，因此不再需要像恐龍那樣的長尾巴。此外，哺乳動物的尾巴在演化過程中也經歷了多樣化的適應。例如，樹棲動物如猴子，其尾巴進化出了抓握功能，幫助它們在樹上移動。而在某些哺乳動物中，尾巴的功能可能與平衡、交流或其他行為密切相關。

總的來說，恐龍和現代大型動物尾巴長度的差異，反映了它們在不同生態環境中的生存策略和進化路徑。恐龍的長尾巴是其巨型體型和特定生活方式的產物，而現代大型哺乳動物則通過其他方式適應了環境，尾巴的形態和功能也隨之發生了變化。

參考資料：

by Chocobo

投票
本期答題團隊

Chocobo、ArtistET、Sid、藍多多

往期也精彩

編輯：Sid

1.2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.