热光学迷彩台
把光绕过身体的隐身衣必须晚交出它, 而晚到的波只在一个波长上与自由空间相配: 身体只有皮米级的频带, 对着 370 nm 的日光。把正面重画的隐身衣对一只眼正确, 一动就穿着上一帧, 还给水一个落脚的表面。不管哪一种, 皮肤都不许比夜晚暖, 于是一百瓦往里走, 进核心或进冰, 撑到它们撑不住为止。穿上迷彩。校准到你的眼。侧跨一步。换灯。换相机。
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迷彩台是三维的夜巷: 身后一面亮着的楼面, 湿的街, 一盏路灯, 一具人尺寸的身影。三种迷彩穿在它身上。关是身体。显示面是舘暲的光学迷彩: 从一只校准眼看到的巷子, 不含身体渲染, 投影到身体上, 于是从那只眼看它消失, 从其他任何一只眼看它带一道接缝; 时延拨盘让画面在它走动时落在身后, 像素拨盘把画面量化。被动是超材料隐身衣: 身体的不透明度是一减路灯的光落在隐身衣频带内的份额, 于是激光下它消失, 钠灯下它站着。四种光, 五个机位, 一个把显示面校准到你所在处的按钮, 以及按模型速率溅水花的雨。热成像开关把同一条巷子重画成白热成像仪看到的样子, 迷彩的外皮分成夜温的六边形瓷片, 呼吸每五秒冒一口, 脚印按模型曲线冷却; 窗的拨盘做成像仪操作员做的事。
带宽台是对数坐标上的被动界限: 隐身衣撑得住的带宽对光必须绕过的宽度, 光源画成线, 从日光到单模激光, 以及各自能藏什么的阶梯, 从病毒到楼房; 第二条淡线是同一界限在 10 µm。旁边是账本: 绕行、延迟、滑移、频带、每种光装得进的份额, 以及作为账本另一半的求和规则。接缝台是俯视的显示面: 校准眼、第二只眼、身体、墙, 以及画在两条视线落点之间的墙上的跳; 下面是四种速度的延迟与迷彩需要的像素; 右侧是水, Marshall 与 Palmer 的雨滴落在身体顶面, 与水膜反射率对角度。
热账台是皮肤不许发光时 100 W 去哪: 身体、隔热层、瓷片与热汇画成方框, 瓦数标在箭头上; 三种步速的预算钟, 只存核心与加冰; 以及成像仪噪声对裸露皮肤、瓷片误差、呼吸、赤脚, 与作比例的 ADAPTIV。案卷台跑十三张卡, 电影、两条路、绕行、频带、阶梯、求和规则、显示面、接缝、延迟、水、热、冰、泄漏, 最后两份等大判词。
它为什么在这里
本站对《攻壳机动队》(押井守, 1995) 的署名影评里有一句: 「少校在开场那一跳里穿的热光学迷彩, 也是电影凭直觉把物理做对了的地方。一个必须与背景相配的东西一动, 配合就滑开了, 于是它泛起波纹, 雨水立刻就把它找出来。」这台就是那句话的账单。电影给这件衣服的只有行为, 没有数字: 它在她站的地方显示背景, 三米外的人看不见她; 她一动它就起波纹, 一停就平复; 运河搏斗里, 溅起与流下的水显出她在哪。名字说它对热成像仪也隐形, 电影从没让一台热成像仪看过她。三个行为恰好是三种物理: 一块必须与背景相配的显示面, 一段让配合滑开的时延, 一层让水有地方落的表面。
它在这里, 是因为「隐形」是一条能被算出来的句子, 而且分成两半算。光的那一半有两条路。被动隐身, 物理里「隐身衣」通常的意思, 是一层把光绕过身体、在另一侧原样交出的外壳, 不带电源, 不带时钟; 它在频率域失败: 绕行至少比直线多 (π/2 − 1)·D, 波包在被动介质里不能快过光, 于是相位只在一个频率上对得上, 一具 0.45 m 宽的身体在 550 nm 撑得住的频带是 0.12 pm, 一条激光线, 而日光宽 370 nm。这是 Craeye 与 Bhattacharya 2012 年的波包论证与 Monticone 与 Alù 2016 年的因果律界限, 把它反过来, 日光能被动藏住的最宽物体是一个病毒。主动隐身是电影画的那种, 一块显示面, 舘暲 2003 年在东京大学演示过并点名这部电影; 它在视点域失败: 对一只眼正确, 对侧移一米的第二只眼, 墙在身后 1.5 m 时背景跳 19 cm; 一帧时延步行落后 23 mm; 10 mm/h 的雨每秒打中 208 滴。热的那一半是热学: 100 W 无处可去, 存起来每小时 +1.5 K, 2 kg 冰撑静息 2 小时 42 分、奔跑 27 分钟, 呼吸与赤脚照漏。这是隐身台在光与红外上的姊妹: 那一台算雷达为什么看不见, 这一台算眼睛与 ATFLIR 那类相机为什么看得见, Tic Tac 与 Gimbal 都是在红外里被看到的。它也接在《挽救计划》之后的虚构标价线上: 电影作为前提引用, 给画出来的装置标价, 不评论故事; 影评在隔壁, 链接, 不重复。
工作原理
台上的一切都是对声明输入的算术: 身体的宽度与体温, 光的线宽, 成像仪的噪声, 雨强。电影的行为先从物理里出来, 随站发布的脚本会在构建通过之前重新推导每一个显示的数字。
绕行 = (π/2 − 1)·D · φ = 2 asin(√f / 2) · Δλ = φ λ₀² / (π · 绕行) · 跳 = d·B/R · 延迟 = v·τ · 打中 = (R / V(D₀)) · A_顶 · t = (m_冰·L + m·c·ΔT) / (P + P_漏 / COP)
频带。 贴着直径 D 的圆柱走的光线走 πD/2, 直线走 D, 所以绕行至少 (π/2 − 1)·D; 真实的外壳只会再加。无损被动介质里群速度不能超过 c, 所以额外群延迟至少是绕行除以 c, 隐身衣按设计在 ω₀ 与自由空间相配的相位, 在别处都以那个速率滑移。允许相对裸身阴影的残余散射功率 f; 产生它的滑移是 φ = 2 asin(√f/2), 因为残余场是 E₀(e^{iφ} − 1)。全频带 Δω = 2φ/延迟, Δλ = φλ₀²/(π·绕行)。线宽 W 的光源装得进的份额是 min(1, Δλ/W), 钠双线减半。反过来, D_max = φλ₀²/(π(π/2 − 1)W)。
求和规则。 对任何线性、被动、因果的散射体 ∫₀^∞ σ_ext dλ = π²(γ_e + γ_m)。身体取为同体积同身高的导体长椭球, 经退极化因子取向平均; 它的可见光份额是消光佯谬的 2A 乘 370 nm 除以总量。
接缝。 两只眼在距离 R, 一只校准, 一只侧移 d, 墙在身体后 B: 沿身体的剪影, 显示的背景与真背景在墙上差 d·B/R, 角度上差 d·B/(R(R+B)), 对眼睛的一角分。延迟是 v·τ; 眼睛需要的像素间距是 θ·R。3D 视图从相机实际所站处算同一道接缝。
水。 Marshall 与 Palmer: Λ = 4.1R^−0.21 每毫米, 中值体积雨滴 D₀ = 3.67/Λ, 落速 3.78D₀^0.67; 数通量是雨强除以雨滴体积; 打中是通量乘身体 0.12 m² 的水平投影; 同时的水花是打中乘 30 ms 的寿命。水膜的反光是 n = 1.333 下菲涅耳的非偏振反射率。
热。 存: dT/dt = P/(m·c)。隔: 漏 = k·A·ΔT/厚度。泵: 电 = 漏/COP, 全部是热。汇: 预算 = (m_冰·L + m·c·ΔT)/(P + 电)。成像仪看 ΔT 除以它的 NETD。呼吸是每分钟 6 L、34 °C 饱和的显热加潜热; 赤脚的接触温度是热渗透率加权的平均, 脚印按热流脉冲冷却, (√t − √(t − t_c))/√t_c。
没有任何拟合。仅有的选择是容差、面积、墙、帧、像素、水花、隔热、COP 与冰, 每一项是拨盘, 每一项都声明; 电影的波纹与它的水在默认设定下先出来。
决定结果的旋钮
带宽上一个宽度、一个波长与一个容差; 接缝上一面墙、一个距离、一个偏移、一个时延、一个速度与一个像素间距; 一个雨强; 热上一个步速、一个体重、一个上限、一个冰量、一个夜温、一个隔热厚度与一个 COP; 巷子里一种迷彩、一种光、一台成像仪、一个窗与一个瓷片误差。它们联手画出电影可能指的每一个数字。
- 光必须绕过的宽度。 对数拨盘 1 cm 到 5 m; 默认 0.45 m, 少校的肩宽。频带与它成反比。
- 设计波长。 400 到 800 nm; 默认 550。频带与它的平方成正比; 图上也画了 10 µm。
- 要求的抑制。 3 到 30 dB; 默认 10, 留下阴影散射的十分之一。越严越窄。
- 墙、距离、第二只眼。 身体后 0.5 到 20 m; 2 到 60 m 外; 侧移 0 到 3 m。墙的拨盘也挪动巷子里的楼面; 巷子里偏移就是你离校准眼多远。
- 时延、速度、像素。 0 到 100 ms (默认 16.7, 一帧视频); 站、走、跑、坠; 连续到 50 mm 像素 (默认 3)。
- 雨。 1 到 50 mm/h; 默认 10, 稳定的雨。
- 热。 80 到 800 W 带三个预设; 50 到 100 kg; 核心 +0.5 到 +3 K; 0 到 5 kg 冰; 0 到 35 °C 的夜; 2 到 30 mm 气凝胶; COP 1 到 4。
- 巷子。 迷彩关、显示面或被动; 日光、白光 LED 灯、钠灯或激光; 非制冷或制冷成像仪; 1 到 40 K 的窗带一个操作员按钮; ±0.02 到 ±1 K 瓷片误差; 赤脚或鞋底钉在背景; 五个机位与一个校准按钮。
主张的现状
电影的三个行为, 通向隐形的两条路, 求和规则的读法, 显示面的限制与热的那一半, 以及把算术跑完之后各自落在哪里。
| 一件显示背景、一动就泛波纹、被水找出的衣服 提出者 电影, 1995 | 前提 | 前提。三个行为, 没有数字。每一个都是本台标价的一段物理: 显示面的接缝, 显示面的时延, 湿表面的水花与反光。 |
| 被动隐身衣能把人体藏出普通的光 提出者 物理里「隐身衣」的通常含义 | 封死 | 被因果律封死。绕过 0.45 m 身体的绕行是 0.26 m, 以 c 走 857 ps, 被动隐身衣在 550 nm、10 dB 抑制下撑得住的频带是 0.12 pm: 一条激光线, 日光的三百万分之一。日光能被动藏住的最宽物体是一个病毒。 |
| 求和规则禁止可见光隐身 提出者 对 Sohl 等 2007 的一种常见读法 | 有争议 | 它不禁止。对全部波长积分的消光定死在 π² 乘极化率, 对这具身体是 6.2 m³, 可见光波段占其中的亿分之一; 账本会让它悄悄去红外。求和允许隐身; 延迟禁止。Monticone 与 Alù (2013) 反过来用这条规则: 被动隐身衣的总散射必须上升。 |
| 显示面迷彩让身体隐形 提出者 舘暲 2003; 电影 | 有争议 | 对一只眼。回复反射外套把图像送回投影机, 于是幻象在投影机的位置成立, 别处不成立。侧移 1 m 的第二只眼在墙在身后 1.5 m 时看到背景跳 19 cm, 是眼睛分辨力的 68 倍; 它必须站在离第一只 1.5 cm 之内接缝才消失。 |
| 她一动它就泛波纹 提出者 电影 | 前提 | 复现。迷彩显示一帧之前的背景; 步行时落后身体 23 mm, 80 m 内分辨得出; 奔跑 84 mm; 开场坠落每帧三分之一米。时延会起波纹又平复, 这正是电影画的, 也是被动隐身永远不会做的。 |
| 雨水立刻找出它 提出者 电影 | 前提 | 复现。10 mm/h 下每平方米每秒 1,730 滴, 头顶与肩膀朝天 0.12 m²: 每秒 208 滴打中, 任一瞬间六朵水花可见, 下面的地上一块干斑, 以及一层在掠射 85° 时反射路灯 58 % 的水膜。 |
| 它把她藏出热成像仪 提出者 衣服的名字 | 有争议 | 是热预算, 不是光学问题。20 °C 的夜里 33 °C 的裸露皮肤是非制冷成像仪噪声的 260 倍。把外皮钉在夜晚的温度, 100 W 就进核心 (每小时 +1.5 K, 81 分钟到 +2 K) 或进冰 (2 kg 撑静息 2 小时 42 分, 奔跑 27 分钟)。电影的用法, 几秒的一跳与几分钟的一场搏斗, 在预算之内; 背包是它从没拍的。 |
| 完美的瓷片会封上热那一案 提出者 ADAPTIV, 推到身体上 | 封死 | 呼吸与脚从它们旁边漏过。每分钟六升 34 °C 饱和空气是 8 W, 对制冷成像仪在 4.3 µm 明亮; 接触温度 25 °C 的赤脚按本模型留下高于噪声 26 分钟的脚印。红外低可观测性是一个温热的东西所做的一切的属性。 |
试试这个
- 从巷子开始。 显示面开着, 校准在街上的机位。按「校准眼」: 身体没了。按「侧跨一步」: 读接缝芯片。
- 走。 显示面开着, 按接缝组里的「走」, 看画面落后身影一帧。把时延调到 0 它就停; 调到 100 ms 它就成一片拖影。
- 把迷彩切到被动, 灯切到激光。 巷子变红, 身体消失。把灯切到钠灯: 它以 97 % 回来。去带宽台读阶梯。
- 打开雨, 按「近」。 数头与肩上的水花, 再看身影下面的地。
- 打开热成像, 裸露皮肤。 读芯片: 13 K, 噪声的 260 倍。切到瓷片: 25 K 的窗里身影没了。按操作员的窗按钮, 它成马赛克回来; 等五秒看呼吸。
- 去热账台。 按「奔跑」读钟; 把冰滑到零; 把气凝胶滑到 2 mm 看瓷片的账单。
- 在案卷台结束。 十三张卡, 两份等大判词。
准确性
在报告、实测、对它们的建模、与读法之间的诚实界线:
| 特征 | 状态 | 含义 |
|---|---|---|
| 三本账 | 精确 | 绕行 (π/2 − 1)·D 与它以 c 走的延迟; 给定残余下的滑移 φ = 2 asin(√f/2); Δλ = φλ₀²/(π·绕行); 频带除以线宽的透过率; 接缝 d·B/R 与它的角; 延迟 v·τ; 像素间距 θ·R; 由 Marshall 与 Palmer 谱得的雨滴通量; 热容、潜热、隔热漏热、COP 与预算; 按热渗透率的接触温度。对声明输入的闭式, 由可重跑的校验脚本审计。3D 视图里显示面的图像是参考眼渲染到身体上的真实投影, 所以接缝是几何, 不是贴图。 |
| 物理与装置 | 实测 | 因果律界限 (Craeye 与 Bhattacharya 2012; Monticone 与 Alù 2016) 与求和规则 (Sohl、Gustafsson 与 Kristensson 2007); 舘暲的回复反射光学迷彩 (2003); Marshall 与 Palmer 的雨滴谱 (1948) 与 Atlas 与 Ulbrich 的落速; NETD 非制冷 50 mK、制冷 20 mK; 全身比热 3,470 J/kg/K; 100、300 与 700 W 作为取整的 MET 值; ADAPTIV 手掌大的珀尔帖六边形 (BAE Systems, 2011); 氦氖的模宽, 钠 D 线, 冰 334 kJ/kg。带出处, 按发表的。 |
| 拨盘与布景 | 建模 | 把「隐身」变成数字的容差 (10 dB) 与圆柱允许的最小绕行, 所以界限是宽厚的; 身体的宽度与顶面积; 墙的距离; 一帧时延; 3 mm 像素; 30 ms 的水花; 10 mm 气凝胶; COP 2.5; 2 kg 冰; 核心 +2 K; 干混凝土上的热流脉冲脚印。巷子、楼面、人台、水花精灵与呼吸团是画的, 不进任何账。透过率是矩形频带对矩形谱线, 粗略的份额。 |
| 虚构, 作为前提 | 记录 | 电影只作为受审的画面引用: 一件显示背景、一动就泛波纹、被水找出的衣服, 名字说它也能骗过热成像仪。作品不证明任何真实案件, 本台礼尚往来: 给装置标价而不评论故事。隔壁的署名影评做那件事, 链接, 不重复。 |
一句话: 界限、求和规则、舘暲的装置、雨滴谱、成像仪的噪声与身体的常数是记录的; 频带、接缝、延迟、水花与分钟是在声明拨盘下对它们的算术; 巷子、人台与瓷片是画出来的, 并且这么说了。读法归你。
资料来源
- Ghost in the Shell (攻殻機動隊), dir. Mamoru Oshii, Production I.G, 1995: the opening drop and the canal fight, quoted as premise; the site's signed review for the reading.
- Francesco Monticone & Andrea Alù, "Invisibility exposed: physical bounds on passive cloaking", Optica 3(7), 2016, 718-724: the causality and passivity bound on a cloak's bandwidth against the object's size; and "Do Cloaked Objects Really Scatter Less?", Physical Review X 3, 041005, 2013: the sum rule applied to passive cloaks.
- Christophe Craeye & Aniruddha Bhattacharya, "Rule of Thumb for Cloaking Bandwidth Based on a Wave-Packet Argument", IEEE Transactions on Antennas and Propagation 60(7), 2012, 3516-3520: the delay-times-bandwidth form the bench computes.
- Christian Sohl, Mats Gustafsson & Gerhard Kristensson, "Physical limitations on broadband scattering by heterogeneous obstacles", Journal of Physics A 40, 2007, 11165-11182: ∫σ_ext dλ = π²(γ_e + γ_m).
- Masahiko Inami, Naoki Kawakami & Susumu Tachi, "Optical Camouflage Using Retro-reflective Projection Technology", Proceedings of ISMAR 2003, 348-349: the one-viewpoint display cloak, with the film named as its inspiration.
- J. S. Marshall & W. McK. Palmer, "The Distribution of Raindrops with Size", Journal of Meteorology 5, 1948, 165-166; David Atlas & Carlton W. Ulbrich, "Path- and Area-Integrated Rainfall Measurement by Microwave Attenuation in the 1-3 cm Band", Journal of Applied Meteorology 16, 1977, 1322-1331: the drop spectrum and the fall speeds.
- BAE Systems, ADAPTIV press material, DSEi, September 2011: hand-sized Peltier hexagons, of the order of a thousand on a CV90, effectiveness claimed at 300 to 400 m.
- Raytheon AN/ASQ-228 ATFLIR public description: a cooled mid-wave infrared targeting pod; the Tic Tac and Gimbal benches on this site for the clips.
- Standard physiology and heat-transfer values: whole-body specific heat 3,470 J/kg/K (0.83 kcal/kg/°C); resting, walking and running metabolic rates as rounded MET values for 70 kg; DuBois surface area 1.8 m²; skin emissivity 0.98; latent heats of fusion and vaporisation; effusivities of skin and concrete; the Magnus vapour-pressure form; Fresnel's equations at n = 1.333.
- This site: the signed review of Ghost in the Shell; the Stealth Bench (radar, the other observable); the Tic Tac and Gimbal benches (ATFLIR); the Project Hail Mary and Mothership benches on the fiction-pricing line.