立體動畫的先驅

視覺藝術大師布魯斯特

文/張文亮(台大農業工程學系教授)

布魯斯特是歷史上最奇特的老師之一。

他本來是要去教堂當牧師的,

為了當時偏差的兒童教育,

留在課堂裡當老師,

在他課堂堙A所有的教材都是日常的小東西,

給學生帶來無限的驚奇與啟發,例如他

用肥皂泡,教光的折射

用吹汽球,證明氣體的運動,

用放風箏,顯示風與浮力,

用日晷,追蹤太陽運轉的角度,

用六片玻璃的組合,製造萬花筒,

用水車的轉動,計算能量的互換,

用幾塊的磁體,讓鐵釘去疊羅漢……

以小實驗的教育方式,

為後來舉世中、小學教育所仿傚。

更特別的是,他為了吸引學生的注意力,

他還設計製造出,世界上第一部的「立體攝影機」,並能

拍出三度空間的照片,

他製作第一部的立體電影,名叫

「雞的孵化?」

今天,很多人在科學博物館或是兒童遊樂場

看到二度空間的銀幕上,

立體的恐龍,自山洞中衝出來,

快速戰鬥機,在山谷之間追逐,

探險隊員,進入火山岩漿之中,

多麼的真實與刺激,

但是,不要忘了,這些立體動畫電影,

都是這個醉心於教育的老師,

首先想出來的。

 

科學與藝術的結合

  對學藝術的人,布魯斯特(David Brewster)是一個陌生的名字,對愛看立體動畫的孩子,可能根本沒有聽過這一個人。但是布魯斯特在光學堙A是響叮噹的人物。在物理課本堙A以偏光(polarization)去分析金屬礦物的特性、光學儀器堛甄o光器製作、光在不同材質表面的反射係數(reflective index)與偏光的關係、物質的左旋光特性與右旋光的差異性,都是布魯斯特最早提出的。他一生發表過四百篇的光學研究報告,並以傑出的光學研究在一八一五年,被選為英國國家科學院院士,一八三一年被封為爵士,一八五九年被選為「愛丁堡大學」(Edinburgh University)校長,實在很難想像這樣一個德高望重的學術泰斗,去搞什麼立體攝影藝術,去跟一堆不喜歡上課的學生混在一起。這是布魯斯特最吸引人的地方,他在「立體攝影機」(The Stereoscope)一書中寫道:「科學能以精確的方法去捕捉藝術神蹟,藝術能以深練的情感去表達科學的發現,當這二者結合時,大自然會成為讓學生認識基督的最好教室。」

戰爭的前哨站

  打開世界地圖,在英倫三島上,能找到蘇格蘭,沿著蘇格蘭的中央山脈南下,會看到一條名叫笛維河(Tweed River)的河流,這堿O以前羅馬帝國時代,羅馬大道的末端點,過了這奡N是刀劍與騎兵難以攻下的天險。帝國衰亡後,十五、十六世紀英格蘭與蘇格蘭,也在這山河交界之處,有一場慘烈的戰役。蘇格蘭人雖被打敗了,這堛瘧洫磑鶪H仍以豪放熱情、勇敢著稱,只要高地的風笛吹起,滿山遍野的牧羊人又會聚在一起。一七八一年十二月十一日,布魯斯特就是生在笛維河畔的小鎮。

嘿!你畫錯了那一隻羊

  布魯斯特從小就展露一種特殊的觀察力,有一天老師帶他與同學到博物館看畫,大多數人只會讚賞畫很好看,布魯斯特卻指著其中一幅人物像說:「這一幅畫錯了!」博物館的解說員嚇一跳,很少聽到有人這樣反應,何況對方只是一個小學生。「為什麼呢?」解說員問道。「因為從臉的角度看起來,畫家只能畫出那人的嘴巴、鼻子、眼睛,但不應該畫到耳朵。耳朵應該看不到才對。」「也許那人耳朵特別大,容易被看到。」解說員硬駁。布魯斯特不為所動,「耳朵到眼睛的距離,比眼睛到鼻子的距離長,你看他鼻子是畫在這位置,耳朵就不應該在離眼睛那麼短的地方出現。」布魯斯特是正確的,他後來又指出一幅世界名畫,畫得不對,因為「羊的骨頭粗細有一定的排列,所以羊不會有這種起伏的體毛。」這個畫家以為羊是毛茸茸的,工於一根根毛的纖細,卻在整片毛的形狀上疏忽了。

  這個讓畫家心中膽寒的學生,後來進入愛丁堡大學就讀。幸好布魯斯特不是讀藝術系,他唸的是神學,他當時想當一個牧師。他在讀大學時,認識了一個畫家,名叫湯姆森(John Thomson),他們經常一起討論信仰與藝術。布魯斯特後來寫道:「全世界最優美的幾何圖形,就在我們的周圍:葉子的網脈、花瓣的邊緣、蝸牛背的圖案、樹皮的紋路,上帝一定是個最偉大的雕刻家,是藝術靈感的泉源,藝術是上帝放在人心中最深的邏輯。」他開始研究攝影,因為他寫道:「有了照相機,就可以拍下最有智慧的所羅門王想知道的,大自然的每一個細節。」後來想當畫家的湯姆森反而去當牧師,想當牧師的布魯斯特反從事攝影藝術,他又寫道:「攝影是靜態的藝術,能夠在瞬間捕捉到大自然的風采。」

與眼睛一樣的攝影機

  布魯斯特花很多時間攝影石頭的紋路,蕨類的葉子與大自然。不同於一般的攝影家,布魯斯特是注意相機的鏡頭,他經常咕嚕:「為什麼沒有一種相機,能夠像眼睛一樣,拍出立體的影像?」他的想法引來周遭的嘲笑「拍立體的影像?這是絕對不可能的,怎麼會有這種愚昧的妄想呢?」布魯斯特的答覆是:「那是個人藝術品味不同罷了!」為這獨特的藝術品味,他轉而研究光學與人的眼睛結構,他希望能拍出與眼睛所看一樣立體的照片。

  布魯斯特不是活在自己夢想世界的人,他也注意十九世紀初期開始流行的「教育世俗化」運動。這個運動的基本看法是認為信仰是主觀的,教育是客觀的,因此教育不談信仰。布魯斯特寫道:「信仰是人類價值、抉擇的中心,教育若以鏟除信仰來代替客觀,叛逆會進來取代,最後引進的是道德的淪喪與犯罪的浪潮。我看到在教育世俗化的運動中,牧師已經成為邊緣人物,除了教堂以外,牧師對大眾教育的功能,已經被抽離殆盡。為此,我決定投入這場戰役,成為老師。」

為什麼上帝造人是有兩個眼睛?

  布魯斯特把他獨到的科學見識,藝術的愛好與對正確教育的負擔給合在一起,他成了當時課堂上最受學生歡迎的老師。聽啊!布魯斯特的上課內容!「各位同學們,為什麼上帝造人的時候,是給了兩隻眼睛,而不是一隻眼睛?」底下一片茫然,很多人用了一輩子眼睛,也不會去想這個問題。布魯斯特在黑板上畫上兩點代表人的眼睛,以眼球為中心畫出一個視覺區間,他總喜歡用畫來教課,有時還邊教書邊在黑板上畫漫畫。

  他繼續說道:「假設我們所看物體的正面。你會發現左眼的視覺區,是涵蓋正面與正面左邊的範圍,右眼的視覺區,則涵蓋正面與正面右邊的範圍,有兩隻眼睛的好處,是看物體,除了看到物體的正面以外,也可以同時看到左右兩個側面,這使我們看東西,看得更立體。」「一隻眼睛也可以看得立體啊!」底下有人反問道。「不一樣,左眼可以看到右眼看不見的死角,右眼可以看到左眼看不見的死角。因此兩隻眼睛看物體的立體感,優於單眼。」「但是愈遠的物體,即使有兩隻眼睛,不是與一隻眼睛所看的,一樣是平面的嗎?」繼續有人反問。「不一樣的平面,左眼會看的平面,右眼也會看的。所以當一隻眼睛的視覺較弱時,另外一隻眼睛自動會來補強。這是雙眼視覺(binocular vision)的好處。難怪在自然界堙A也很少有一隻眼睛的動物。再量兩眼之間的距離,你會發現如果這距離太窄,兩隻眼睛就與一隻眼睛的功能一樣,距離太遠,兩隻眼睛各看各的,也失去了視覺互補的功能。所以我們兩隻眼睛的距離是恰到好處。」這種上課教材,現在已經很少聽到了。

鼻子與眉毛

  布魯斯特又繼續深入:「在兩眼之間,有一根逐漸高起的鼻子,這是一個奇妙的設計。沒有一個人能夠用一隻眼睛,同時看到鼻子的左端與右端,因此鼻子有視覺上油標尺的對準功能,提醒我們是經常使用右眼還是使用左眼?常用哪一邊眼睛的人,就會在眼前,常看到哪一半邊的鼻子。」

  布魯斯特的科學藝術教育法,是連鼻子的位置都可以拿來教。布魯斯特還講眉毛:「眉毛為什麼會長在眼睛的上緣?其實那是很好的高度,一方面可以擋住頭上流下來的汗水,另一方面眼球再怎麼往上瞧,也不會被眉毛擋住視線。眼睫毛的位置也很正確,可以攔住灰塵不掉入眼睛,卻又不會攔阻眼睛的視線。」

孩子天使

  一八四四年,布魯斯特發表一篇著名的研究「由雙眼視覺而知距離」(On the Knowledge of Distance as Given by Binocular Vision)。進而由視覺功能研製立體攝影。他仔細的研磨兩個曲率、焦距、反射率完全一模一樣的鏡頭,當做立體攝影機的兩個鏡頭,他發現要製造「完全一樣」的鏡片是非常艱鉅的事。人在出生時就有兩顆完全一樣的眼睛,應該是一件值得感恩的事。他將兩個鏡頭的折射光投射到同一張底片上,就拍出立體照片。不同顏色的光有不同的折射率,三度空間的照片,與一般的照片不同,有不同顏色的光折射後的相位差。當人載上一種特殊材質的眼鏡,這些相位差在人的視覺上就看出立體的影像。一八四九年製造出第一部立體攝影機時,是一件轟動的事。

  布魯斯特在科學上傑出的貢獻,掩蓋了世人對他個人生活層面的認知。在人看來,他逐漸有名,從一八三八年就當大學校長,但是他仍研究兒童科學教育的器材,例如他用六個不同角度的鏡片做成「萬花筒」,他也為燈塔建造輕質的透光玻璃,也用二、三片不同偏振光的薄片組合,隔絕水平方向的光線進入,留下垂直方向的偏振光,這種組合鏡片現在稱為「太陽眼鏡」。

老校長的勸勉

  布魯斯特除了研究光學,他也為學生寫文學。十九世紀的牛頓傳記的經典之作,即是出自他手。他曾寫道:「有人以為,你有你的看法,我有我的看法,所以沒有什麼絕對的看法,講這種話的人,完全不明白『看法』是怎麼一回事?『眼睛』的看法不是這樣,左右兩眼除了各有所看之外,更有很多的重疊,如果沒有這些重疊,人會錯亂。」一八六八年,二月十日,布魯斯特病逝於校長任上。

  他晚年時寫道:「如同一幅立體的圖像,是兩個不同的角度圖案拼出來的。上帝帶我們經過死蔭幽谷,也走過豐盛的宴席,彷彿是兩種截然不同的遭遇,但是拼在一起,上帝恩典的遠近就立體性的呈現出來。我們生命堛漸W凸坑谷,原來是為了填滿祂的恩典。」

 

資料來源:

1、     Brewster, David. 1971. (Original Published 1856). The Stereoscope. Rudolf Kingslake. London.

2、     Stone, J. M., 1967. Radiation and Optics. University of California-Berkeley. USA.

3、     Hewitt, P.G., 1993. Conceptual Physics. Harper Collins College Publishers. USA.