發(fā)布時間：2019-07-03
每年在佛羅里達(dá)召開的視覺科學(xué)年會（VSS， Visual Science Society）上，都會評出當(dāng)年最出色的十大視覺錯覺。許多視覺科學(xué)研究者、神經(jīng)科學(xué)愛好者、平面設(shè)計藝術(shù)家蜂擁而至，熱鬧非凡。俗話說：眼睛是心靈的窗口。人們常說眼見為實，用來形容一個物體或者一件事情只有親眼看見了才相信它是真的。但是卻有那么一類圖形長期流傳于網(wǎng)絡(luò)、報刊，能夠瞞天過海般的騙過你的眼睛，讓你覺得自己似乎變傻了。即便是你知道了其中的玄機(jī)，卻也無論如何也無法說服自己的眼睛，它們就是視覺錯覺。
下面讓我們欣賞一下幾個驚艷的視覺錯覺。錯誤：引用源未找到中呈現(xiàn)的棋盤格亮度錯覺中，A、B兩塊區(qū)域的亮度實際上是相同的，但是將它們放置于不同的圖形環(huán)境下，人們會依據(jù)視覺經(jīng)驗感覺到不同的亮度。同樣的亮度的物體，呈現(xiàn)在陰影中的時候，我們會感覺到它更亮一些，而在光照豐富的環(huán)境中，我們會感覺到它更暗一些。
圖1棋盤格亮度錯覺。如圖A中，A，B兩塊區(qū)域的顏色看起來有很大的亮度差異，但是將兩塊區(qū)域連通起來之后，會發(fā)現(xiàn)兩塊區(qū)域的亮度是一致的。（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Grey_square_optical_illusion.svg）
圖2水彩錯覺。人們會感覺到被黃色線條包圍的部分的顏色要比周圍白紙的顏色更黃一些，實際上二者的顏色是相同的。（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/File:PinnaScholarpediaFig1.png）
圖 3 著名的Pinna 旋轉(zhuǎn)運動錯覺。當(dāng)人注視圖片中心黑點，頭部靠近（或遠(yuǎn)離）屏幕時，會很明顯地感受到兩個圓環(huán)在分別以逆時針和順時針（或順時針和逆時針）方向旋轉(zhuǎn)，但事實上圓環(huán)并沒有任何物理移動。(王偉組 繪制)
是我們的眼睛出問題了嗎？
首先要簡單介紹一下我們的視覺系統(tǒng)：如圖6所示，我們的視覺系統(tǒng)由暴露在外的眼球，視神經(jīng)和視覺皮層所組成。我們的眼睛是外部圖像進(jìn)入視覺系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，光學(xué)信號在視網(wǎng)膜上被轉(zhuǎn)換成電信號，通過視神經(jīng)傳入視皮層的神經(jīng)元海洋之中。眼球是一部全自動聚焦成像圖像采集系統(tǒng)，在性能上超越目前世界上任何一部數(shù)碼相機(jī)。眼球上即使很小的損傷都會引起嚴(yán)重的視力問題，最普遍的就是近視眼、老花眼。還有些類似錯覺感覺的疾病，如有些人眼睛由于玻璃體渾濁而出現(xiàn)‘飛蚊癥’，還有些人由于視網(wǎng)膜上缺乏相應(yīng)的感光色素細(xì)胞而出現(xiàn)‘色盲’或者‘色弱’。這些病理性的異常都會對患者的正常生活產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
上面的這些錯覺圖形，一開始就是視力正常的人們所設(shè)計出來的，隨后正是由于大家覺得這些圖形輕而易舉的就欺騙了他們的眼睛而引起廣泛興趣，并不斷傳播開來。而眼睛出現(xiàn)損傷或者發(fā)育異常，往往導(dǎo)致嚴(yán)重的視覺感知障礙。因此，從統(tǒng)計學(xué)意義上來講，我們的眼睛是正常的。讓我們更加精確的定義一下視覺錯覺:人們的主觀感覺與圖形的物理參數(shù)不匹配的現(xiàn)象。這種感覺與實際不匹配的現(xiàn)象，在絕大多數(shù)情況下，并不會對事主的生活造成不良影響。
圖4 兩種由于眼部病變導(dǎo)致的視物不真。 A 右圖為色盲患者眼中的世界。B 飛蚊癥患者由于眼中出現(xiàn)病變，導(dǎo)致看到的圖像中有類似運動的懸浮物體。
圖5人的視覺系統(tǒng)：人眼的解剖結(jié)構(gòu)以及視皮層的信息流（孫新堯 繪制，修改自https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schematic_diagram_of_the_human_eye_zh-hans.svg）
大腦的bug？
既然我們的眼睛是好的，視覺通路又都是好的，那么為什么在錯覺圖形的條件下我們無法真實的感知外部圖像呢？難道這是我們的視覺皮層在進(jìn)化中出現(xiàn)的漏洞？關(guān)于這個問題，目前還沒有一個統(tǒng)一的解釋。我們已知外部世界的圖像通過眼睛的折光系統(tǒng)投射到視網(wǎng)膜上這一步驟是十分忠實于光學(xué)原理的。但是當(dāng)外部圖像在視網(wǎng)膜上被轉(zhuǎn)換成電信號并進(jìn)入大腦之后，皮層對于圖像信息進(jìn)行了進(jìn)一步的解讀。這種解讀模式，在經(jīng)過了億萬年的進(jìn)化之后，必然是以一種最‘接地氣’、最‘懂’這個世界的方式進(jìn)行的。比如由于紅綠拮抗神經(jīng)元的存在，導(dǎo)致紅花襯托在綠葉上面格外鮮艷、紅橙色的果實在自然界中占據(jù)大多數(shù)；由于我們的大腦會存在‘填補(bǔ)效應(yīng)’，一個人的身體被遮擋住了一部分，我們并不會認(rèn)為這個人的身體少了一塊；由于大腦中存在專門負(fù)責(zé)面部識別的腦區(qū)，人們對于臉部識別更加敏感。自然界中的圖像，由于受太陽照射、重力、水流、氣流等因素的影響，總是以一種特定的形態(tài)存在，這也將視覺系統(tǒng)塑造成了擅長于處理這類視覺圖形。而錯覺圖形都是人們通過精心構(gòu)思設(shè)計出來的，在自然界中幾乎很少存在這樣的圖案，而我們的視覺系統(tǒng)作為一種進(jìn)化的產(chǎn)物，初次遇到這樣的圖形會用它固有的方式去理解，就會出現(xiàn)類似‘理解偏差’的現(xiàn)象，是我們的大腦對于圖像的一種固有信息提取方式在遇到新情況下的體現(xiàn)，也可以理解成為一種大腦進(jìn)化不夠完美而出現(xiàn)的bug。
視覺錯覺現(xiàn)象是好是壞？
由于視覺錯覺圖形在自然界條件下極少存在，一般也不會影響人們的生活，因此這種現(xiàn)象并沒有好壞的屬性，它只是視覺系統(tǒng)基本運作方式的本能體現(xiàn)。
視覺錯覺現(xiàn)象有什么用？
視覺錯覺現(xiàn)象的應(yīng)用涉及人們生活、藝術(shù)、建筑設(shè)計的方方面面。如果一個人的身材比較胖，他可以穿豎條紋的衣服來使自己顯得更‘瘦’一些，一些室內(nèi)設(shè)計師運動錯覺效應(yīng)和空間透視等原理將室內(nèi)設(shè)計的更加具有空間感。還有一些藝術(shù)家使用大量的錯覺輪廓圖形來使自己的作品更加具有視覺沖擊力。
視覺錯覺現(xiàn)象—窺探大腦運行基本原理的窗口
圖6人類大腦的解剖結(jié)構(gòu)圖。其中月狀溝附近是視覺皮層所在的位置。視覺皮層只有同其他多個腦區(qū)協(xié)同工作，才能夠產(chǎn)生人類的正常視覺意識。（蘇瑞鑫 繪制）
我們的大腦，無論是負(fù)責(zé)軀體運動的腦區(qū)、負(fù)責(zé)聽覺的腦區(qū)，還是負(fù)責(zé)視覺信息的腦區(qū)，他們的基本構(gòu)成元件都是極其類似的：神經(jīng)元。更加讓人不可思議的是，雖然不同腦區(qū)所負(fù)責(zé)的功能差別十分巨大，但是其皮層組織結(jié)構(gòu)、層次從外觀上來看高度相似，因此許多人都推測整個大腦有一個基本的運行原理。目前的神經(jīng)科學(xué)研究，多數(shù)情況下還是將大腦中的神經(jīng)元當(dāng)成一個個物理元件來研究的，這些物理元件在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出來的各種性質(zhì)是目前大家最為關(guān)心的問題。目前關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理方式的推測，基本上按照一種線性或者非線性加和的處理方式來進(jìn)行的。而各種錯覺信息的‘不按常理出牌’的模式，為研究神經(jīng)元活動提供了許多新的思路。其中最著名的研究，是在獼猴大腦中發(fā)現(xiàn)了物理上并不存在的錯覺輪廓的神經(jīng)元的調(diào)制反應(yīng)（圖9）。關(guān)于錯覺輪廓產(chǎn)生的生理基礎(chǔ)，美國范德堡大學(xué)的 von der Heydt等人曾經(jīng)做出過解釋：他們認(rèn)為在大腦中存在一些對端點、或者角存在反應(yīng)的細(xì)胞，這些細(xì)胞的反應(yīng)總和被更高級別的神經(jīng)元整合，從而產(chǎn)生了大腦對于這種錯覺輪廓空間方位的調(diào)制性反應(yīng)（圖9a）。后來，中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所王偉實驗室發(fā)現(xiàn)了獼猴的 V4 腦區(qū)也能夠“看見”錯覺輪廓，由于 V4 腦區(qū)的神經(jīng)元接收來自 V1/V2 腦區(qū)的輸入，其感受野也更大一些，相當(dāng)于是 V1/V2 神經(jīng)元的“上司”。王偉實驗室的研究推測在大腦中可能存在一個類似前饋-反饋的作用機(jī)制來解讀錯覺輪廓信息（圖9b 中，來自 V1/V2 的視覺信息上行傳遞到 V4，V4 通過對所接收到的信息進(jìn)行提取增強(qiáng)，并且反饋給 V1/V2 腦區(qū)，從而提升大腦的工作效率。）。
圖7 兩個著名的錯覺輪廓。a圖中能夠看到一個比背景亮度更亮的白色三角形。b圖中能夠看到一根豎直的細(xì)線輪廓。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了靈長類的視覺皮層存在編碼對兩種錯覺輪廓有反應(yīng)的神經(jīng)元。（王偉組 繪制）
小結(jié)
當(dāng)然，僅僅是發(fā)現(xiàn)編碼錯覺輪廓的神經(jīng)元，對于人們理解和認(rèn)識視覺系統(tǒng)的基本原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。目前人們除了在人上開展心理物理實驗、核磁共振掃描研究以外，還進(jìn)行大量的動物生理學(xué)實驗來研究各種錯覺現(xiàn)象更深層次的生理基礎(chǔ)，從短期目標(biāo)上來講，是要理解視覺系統(tǒng)的基本原理，而從長遠(yuǎn)來講，則是為了掌握整個大腦的基本運行規(guī)律。而錯覺，為為我們提供了窺探大腦奧秘的窗口。
(核稿：王偉、李澄宇)
注：本文所用圖片來源于科學(xué)文獻(xiàn)、教科書、以及網(wǎng)絡(luò)。
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