ภาพขาวดำกลายเป็นสี! แบบจำลองตา ตัวอย่างประโยชน์คณิต กลไฟฟ้าสถิต

วันอังคารที่ผ่านมาผมไปทำกิจกรรมวิทยาศาสตร์มาครับ เด็กประถมได้ดูภาพลวงตาอีกนิดหน่อย ได้เห็นการเปลี่ยนแปลงวิดีโอสดๆให้คนในวิดีโอขยับปากตามที่เราต้องการ (ผมบอกเด็กๆว่าต้องใช้คณิตศาสตร์สร้างของอย่างนี้ เด็กๆสนใจฝีกอีกสักสิบปีก็ทำได้) ได้เห็นภาพลวงตาที่เราเห็นภาพขาวดำเป็นภาพสีเนื่องจากความล้าของเซลล์รับแสงในตาเรา ได้เห็นแบบจำลองดวงตาและจอรับภาพเรตินาข้างหลังที่ทำจากโคมกระดาษญี่ปุ่น เลนส์รวมแสงแบบ Fresnel และพลาสติกจากถุงก๊อบแก๊บ เด็กอนุบาลสามได้เล่นกลสามอย่างด้วยไฟฟ้าสถิตคือใช้มือดูดหลอดกาแฟ ใช้หลอดกาแฟดูดเม็ดโฟม และใช้หลอดดูดกาแฟผลักกันครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ คราวที่แล้วเรื่อง “ข้อจำกัดของประสาทสัมผัสสำหรับประถม กลความดันอากาศสำหรับอนุบาล” ครับ)

สำหรับเด็กประถม ผมให้ดูภาพนี้ก่อนเลยครับ มันเป็นภาพถ่ายลวงตาที่เผยแพร่ในอินเทอร์เน็ต ให้ดูว่ามีอะไรผิดปกติไหม ผมบอกว่าคนส่วนใหญ่จะรู้สึกแปลกๆแต่มองไม่ออกว่าอะไรทำให้แปลก แต่ถ้าเฉลยปุ๊บจะเห็นปั๊บ แล้วจะกลับไปมองเห็นอย่างเดิมไม่ได้เลย จะเห็นแบบที่เฉลยไปตลอด เชิญทดลองมองดูครับ ผมจะเฉลยข้างล่างภาพ:

เห็นอะไรผิดปกติไหมครับ
เห็นอะไรผิดปกติไหมครับ

เฉลยก็คือ มีซิการ์ที่ปักอยู่ในกำแพงครับ ปลายซิการ์อยู่ตรงกลางๆภาพ พอเรารู้ว่ามีซิการ์แล้วเราก็จะเห็นไปตลอดเลย คล้ายๆว่าสมองทำการจดจำแล้วว่าภาพคลุมเครืออันนี้ให้ตีความอย่างไร

ต่อไปผมก็ให้เด็กๆดูงานวิจัยที่น่าตื่นเต้นอันนี้ครับ:

นักวิจัยสามารถเอาวิดีโอของคนดังที่ไม่ได้พูดอะไร แล้วเปลี่ยนแปลงวิดีโอให้หน้าตาและปากขยับตามใจได้ครับ เขาทำได้โดยการใช้กล้องส่องหน้าคนที่จะควบคุมวิดีโอ สร้างแผนที่ของส่วนประกอบใบหน้า ดูว่าส่วนประกอบต่างๆขยับอย่างไร แล้วไปวาดส่วนประกอบต่างๆเหล่านั้นในวิดีโอครับ การที่จะทำอย่างนี้ได้ต้องใช้ความรู้ทางคณิตศาสตร์และคอมพิวเตอร์เพื่อหาวิธีการต่างๆ คนส่วนใหญ่จะเรียนคณิตศาสตร์แบบไม่น่าตื่นเต้นและแก้โจทย์ที่ถูกกำหนดมาสำหรับสอบ ไม่ได้ไปศึกษาส่วนที่น่าสนใจที่จะไปใช้ประดิษฐ์และสร้างสรรค์ในอนาคตครับ ผมหวังว่าเด็กๆจะมีความสนใจอยากเรียนรู้ติดตัวตลอดไปและได้เจอกับความรู้น่าสนใจเช่นนี้ครับ เผื่อว่าวันหน้าจะสร้างอะไรใหม่ๆให้โลกได้ อีกอย่างก็คือในอนาคตเวลาเราเห็นวิดีโอใครพูดอะไร มันอาจจะเชื่อถือไม่ได้ก็ได้ครับ อาจมีคนใช้เทคโนโลยีอย่างนี้ใส่ร้ายเขาก็ได้

ต่อไปผมให้เด็กๆดูภาพกลับสี (ภาพเนกาตีฟ) นี้ประมาณ 15-30 วินาที (ขยายภาพให้เต็มจอ แล้วให้เด็กๆจ้องมองตรงกลางรูป ไม่กระพริบตา ไม่ขยับหัว):

ภาพกลับสีครับ
ภาพกลับสีครับ

แล้วเปลี่ยนภาพเป็นภาพนี้ทันทีครับ:

ภาพขาวเทาดำครับ
ภาพขาวเทาดำครับ

สามารถลองดูที่ภาพนี้ก็ได้ครับ ภาพจะสลับระหว่างรูปสองแบบทุก 15 วินาที ตอนเห็นภาพสีกลับให้จ้องมองตรงกลางรูปเอาไว้

ภาพจะเปลี่ยนทุก 15 วินาทีครับ ตอนเป็นสีกลับให้จ้องมองตรงกลางไว้
ภาพจะเปลี่ยนทุก 15 วินาทีครับ ตอนเป็นสีกลับให้จ้องมองตรงกลางไว้

ตอนภาพเปลี่ยน เราจะเห็นสีที่ดูเหมือนปกติ (แต่ซีดๆ) ทั้งๆที่ภาพที่แสดงเป็นภาพขาวดำครับ ถ้าเราขยับตาภาพจะกลายเป็นขาวดำทันที ถ้าเราจ้องตรงกลางไว้ เราจะเห็นภาพสีอยู่แป๊บนึงครับ

มีภาพสลับให้ดูอีกสองชุดครับ:

จ้องมองตรงกลางไว้ครับ
จ้องมองตรงกลางไว้ครับ  15 วินาทีแล้วภาพจะเปลี่ยน
จ้องมองตรงกลางไว้ครับ
จ้องมองตรงกลางไว้ครับ  15 วินาทีแล้วภาพจะเปลี่ยน

สาเหตุที่เราเห็นสีในภาพขาวดำได้เป็นเพราะความล้าของเซลล์รับแสงในลูกตาครับ

เราอธิบายปรากฎการณ์นี้ได้โดยเข้าใจว่าในเรตินาของตาเราจะมีเซลล์รับแสงอยู่สองประเภทคือเซลร็อดหรือเซลล์แท่ง หน้าตามันเป็นแท่งๆทรงกระบอก และเซลล์โคนหรือเซลล์กรวย หน้าตามันจะเป็นกรวยแหลม โดยที่เซลล์ร็อดจะรับความสว่างของแสงภายนอกแต่จะไม่แยกเแยะสีต่างๆ ส่วนเซลล์โคนจะรับสีต่างๆโดยที่เซลล์โคนจะแบ่งย่อยออกเป็นสามประเภทที่รับแสงแถบๆสีแดง สีเขียว สีน้ำเงินได้ดี

ภาพวาดหน้าตาของเซลล์ร็อดและเซลล์โคน
ภาพจาก http://webvision.med.utah.edu

เจ้าเซลล์รับแสงนี้เมื่อโดนแสงหรือสีเดิมๆนานๆ (เช่นเกิดจากการจ้องภาพเดิมนานๆโดยไม่กระพริบตาและไม่ขยับหัว) จะส่งสัญญาณไฟฟ้าไปที่สมองว่าได้รับแสงหรือสีอะไรโดยการเปลี่ยนสารเคมีในเซลล์ พอโดนแสงหรือสีเดิมนานๆสารเคมีก็จะร่อยหรอลงไปเรื่อยๆ ปกติเวลาเรากระพริบตาหรือไปมองภาพอื่นๆเซลล์จะมีโอกาสได้พักและเติมเต็มสารเคมีขึ้นมาใหม่ ในกรณีของเราที่ไม่กระพริบตาและดูภาพเดิมสารเคมีจะเหลือน้อย พอเราหันไปดูภาพขาวดำ เจ้าเซลล์ที่อ่อนล้าสารเคมีร่อยหรอก็จะส่งสัญญาณอ่อนกว่าปกติไปยังสมอง สมองจึงตีความว่าแสงหรือสีที่ตกลงบนเซลล์เหล่านั้นเป็นสีตรงข้าม ทำให้เราเห็นเป็นภาพลวงตาที่มีสีตรงข้ามกับภาพที่เราจ้องมองตอนแรกนั่นเอง

สำหรับผู้ที่ใช้โปรแกรม Mathematica เป็น ผมมีโค้ดที่ใช้สร้างภาพกลับสีและภาพขาวดำแบบนี้ครับ เผื่อเอาไปเล่นดูง่ายๆ:

Module[{file = SystemDialogInput["FileOpen"], img, inv, gray, dir, basename, ext},
 If[file =!= $Canceled, img = Import[file];
  dir = DirectoryName[file];
  basename = FileBaseName[file];
  ext = FileExtension[file];
  inv = ColorNegate[img];
  Export[dir <> "inv_" <> basename <> "." <> ext, inv];
  gray = ColorConvert[img, "GrayScale"];
  Export[dir <> "gray_" <> basename <> "." <> ext, gray];
  ]]

(ถ้าสนใจหัดใช้ Mathematica ผมมีเขียนแนะนำไว้นิดหน่อยที่นี่นะครับ)

หลังจากนั้นเด็กๆก็ได้เล่นแบบจำลองลูกตาครับ  สัปดาห์ที่แล้วเด็กๆได้เห็นภาพตัดขวางของลูกตาไปแล้วว่าเป็นลูกกลมๆ มีเลนส์รวมแสงข้างหน้าให้แสงเข้ามา แล้วแสงก็จะถูกโฟกัสไปตกที่เรตินาด้านหลัง เซลล์รับแสงบนเรตินาก็จะส่งสัญญาณไฟฟ้าไปที่สมองให้แปรผลว่าเห็นอะไร สัปดาห์นี้ผมเลยเอาแบบจำลองมาให้สังเกต จะได้เห็นว่าภาพที่ตกที่เรตินามีลักษณะอย่างไร และความชัดเจนเป็นอย่างไร

วิธีทำแบบจำลองก็คือเอาโคมกระดาษญี่ปุ่น (ผมไปซื้อมาจากร้านไดโซะ 60 บาท) มายืดให้เป็นกลมๆคล้ายๆลูกตา โคมจะมีช่องเปิดสองด้าน  เราก็เอาเลนส์รวมแสงแบนๆที่เรียกว่าเลนส์เฟรเนล (Fresnel Lens) ที่ผมซื้อมาจาก Aliexpress มาติดที่ช่องเปิดด้านหนึ่ง เลนส์นี้จะทำหน้าที่เหมือนเลนส์ในตาของเรามีหน้าที่รวมแสงไปที่เรตินาในดวงตา 

ติดเลนส์ที่ช่องเปิดด้านหนึ่งของโคมกระดาษ
ติดเลนส์ที่ช่องเปิดด้านหนึ่งของโคมกระดาษ

สำหรับส่วนเรตินารับแสง ผมตัดพลาสติกขุ่นๆมาจากถุงก๊อบแก๊บ แล้วไปติดที่ช่องเปิดอีกด้านของโคมครับ:

พลาสติกขุ่นจำลองเรตินา
พลาสติกขุ่นจำลองเรตินา

ผมติดแท่งพลาสติกไปที่ด้านหน้าและด้านหลังของดวงตาจำลองด้วยจะได้ขยับเข้าออกให้ระยะห่างระหว่างเลนส์และเรตินาพอดี ภาพจะได้ตกมาชัดๆ พอเสร็จก็ส่องดูวิวอย่างนี้ครับ:

เสร็จแล้วก็ส่องตาจำลองดูสิ่งต่างๆ
เสร็จแล้วก็ส่องตาจำลองดูสิ่งต่างๆ

เราจะสังเกตเห็นภาพที่เรตินาจำลองแบบนี้ครับ:

ภาพที่เรตินาจำลองครับ
ภาพที่เรตินาจำลองครับ

เด็กๆได้สังเกตว่าภาพที่ตกที่เรตินาเป็นภาพกลับหัวครับ ในตาเราจริงๆก็เป็นภาพกลับหัว สมองเราทำการกลับให้เห็นแบบปกติครับ เด็กๆได้สังเกตว่าถ้าเรตินาอยู่ใกล้หรือไกลเกินไปจากเลนส์ ภาพก็จะไม่ชัดครับ เหมือนอาการสายตายาวสายตาสั้น

สำหรับท่านที่จะทำตามแต่ไม่มีเลนส์แบนๆแบบ Fresnel ท่านใช้เลนส์นูนของแว่นขยายก็ได้ครับ สาเหตุที่ผมใช้เลนส์ Fresnel ก็เพราะว่าน้ำหนักเบา และระยะโฟกัสไม่ยาวเกินไปครับ ถ้าโฟกัสยาวกว่าขนาดโคมกระดาษ เลนส์ก็ต้องเลยไปข้างหน้าของโคม ทำให้ดูไม่ค่อยเหมือนลูกตาครับ

สำหรับเด็กอนุบาลสามทับหนึ่งโรงเรียนอนุบาลบ้านพลอยภูมิ ผมให้หัดเล่นกลจากไฟฟ้าสถิตกันครับ มีสามอย่างคือใช้มือดูดหลอดกาแฟ ใช้หลอดกาแฟดูดเม็ดโฟม และใช้หลอดกาแฟผลักกันครับ

สำหรับมือดูดหลอดกาแฟทำอย่างนี้ครับ: เอากระดาษทิชชู่หรือผ้าแห้งถูหลอดพลาสติก วางหลอดพลาสติกบนขวดน้ำพลาสติก เอามือเข้าไปใกล้หลอด ไฟฟ้าสถิตบนหลอดจะดึงดูดมือทำให้หลอดขยับเข้าหามือ:

สำหรับหลอดกาแฟดูดเม็ดโฟมทำอย่างนี้ครับ: เอากระดาษทิชชู่หรือผ้าแห้งถูหลอดพลาสติก เอาหลอดไปใกล้ๆเม็ดโฟมหรือเศษกระดาษชิ้นเล็กๆ ไฟฟ้าสถิตบนหลอดจะดูดเม็ดโฟมหรือเศษกระดาษให้ขยับหรือเข้ามาติด:

สำหรับหลอดผลักหลอดทำอย่างนี้ครับ: เอากระดาษทิชชู่หรือผ้าแห้งถูหลอดพลาสติกสองหลอด วางหลอดพลาสติกหนึ่งอันบนขวดน้ำพลาสติก เอาหลอดที่เหลือเข้าไปใกล้หลอดบนขวด ไฟฟ้าสถิตบนหลอดทั้งสองจะผลักกันทำให้หลอดวิ่งหนีกัน:

ผมกล่าวเปรยๆว่าเวลาของสองอย่างมาถูๆกัน มันจะแบ่งไฟฟ้าไปไม่เท่ากัน แล้วไฟฟ้าก็จะมีการดูดการผลักกันครับ แต่ผมไม่ได้เน้นรายละเอียด แค่อยากให้เด็กๆคุ้นเคยกับการเล่นแบบนี้เท่านั้น รายละเอียดไว้ค่อยเรียนตอนโตเป็นเด็กประถมครับ

One thought on “ภาพขาวดำกลายเป็นสี! แบบจำลองตา ตัวอย่างประโยชน์คณิต กลไฟฟ้าสถิต”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *