眼睛天生會“欺騙”我們

在一塊由黑色到淺灰色漸變的背景板上，有兩個灰點。哪個看起來更亮？

明度對比的視錯覺。| 圖片來源：[1]

雖然這兩個點是相同的，但它們在不同的背景中，看起來非常不同。這是一種典型的明度對比的視錯覺。

根據《心理學名詞》的定義，明度（brightness）可以理解成是一種對物體表面亮度感覺的主觀心理量。它和亮度（luminance）不同，亮度一般是指表面發光（或反光）的強弱。

當我們看一幅圖像時，我們的大腦在圖像的每個位置都能感知到一定的明度。然而，令人驚訝的是，我們的明度感知並不總是與從圖像區域發出的光量成正比。相反，我們的感知是物體的實際顏色和照射在物體上的光量的綜合結果。

如果把一塊非常暗的布放在明亮的聚光燈下，你從中獲得的光線量可能與在昏暗的光線下從一張白紙上獲得的光線量相同，甚至可能會更多一些。大腦始終面臨着一項挑戰，那就是如何根據它所接收到的能量來判斷一個表面的光或暗。本質上來説，大腦必須計算出兩個數字相乘的結果，也就是把光照水平和表面暗度結合起來，得出輸入能量的值。這似乎是一種不可能的任務，因為無限多對數字都能產生相同的結果。

100多年來，研究大腦的科學家一直試圖找出它背後的機制。一些科學家認為，明度估計是一種“高級”過程，這其中就包括19世紀德國物理學家馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz），他是一位早期視覺研究的先鋒。

這種觀點認為，大腦根據對所看到的環境中的光照條件、形狀和陰影的高級理解來估計明度。就像許多視覺任務（比如識別面孔或物體）一樣，它可能需要依賴我們以往的經驗，或者對我們所看到的東西的期望。

麻省理工學院領導的一項新研究則表明，明度估計可能是一種“低級現象”，或許並不需要藉助大腦的高級處理。它會在視覺信息到達大腦視覺皮層之前進行，有可能發生在視網膜內。這些結果有助於回答，明度估計作為其他許多視覺分析的基礎，這個基本過程是由什麼機制構成的。

在第一組實驗中，神經科學家PawanSinha和同事創建了一個立方體的圖像。這個立方體看起來像是從側面照亮的，其中一個面看上去比另一個面要明亮一些。實際上，這是利用了一種巧妙的技巧，看起來更明亮的面其實反而具有更低的亮度。早在800多年前，中國陶瓷畫家就在運用這樣的技巧創作。

兩個具有明度差異的圖的示意圖。左側看起來比右側明度更高，但它的亮度更低。在點上相同的灰點時，左側的灰點比右邊的灰點看起來也更亮。實驗中將類似這樣兩個面放在立方體的兩面上。| 圖片來源：參考來源[2]

研究人員發現，當在立方體的兩個面上放置相同的灰點時，在更暗的一面上的點實際上顯得也更暗。這與之前提到的那種標準的明度對比結果恰好相反。這一結果也暗示，明度估計可能並不是依賴於光照條件的高級分析。

第二組實驗是為了找到明度估計過程發生的位置。它建立在這樣一個奇怪的事實上：我們認知世界的圖像，是由兩個眼睛的圖像合併而成的，同時，我們幾乎完全喪失了“原始”的信息。我們不知道原始圖像是什麼，它來自哪隻眼睛，我們只知道合併後的視圖。

然而，通過使用特殊設計的圖像和立體眼鏡，研究人員發現，明度估計不需要等到兩眼的信息融合後才進行，它在那時已經出現了。

也就是説，明度估計發生得很早，在每隻眼睛的信息被合併成一個視覺流之前就發生了。視覺的合併發生在大腦皮質的一個叫作V1的部分，也就是大腦皮質中視覺處理的第一階段。這對明度估計的處理位置產生了嚴格的限制。研究人員提出，重要的明度計算最有可能發生在視網膜上。

Sinha介紹，這兩組研究結果意味着，如果明度估計真的是一個低級過程，而且通路位於視網膜上，那麼這可能是一種先天的機制。這是從一出生起視覺系統就準備好要做的事情。

研究人員通過研究近期視力恢復的盲童來探索這一假設。Sinha在印度開展了一項名為Prakash的項目，其任務是治療患有先天性白內障等可防性失明的兒童。許多接受治療的兒童繼續參與視覺發育的科學研究，儘管治療並不取決於參與研究與否。

如果明度估計真的是一種天生的機制，那麼先天失明的兒童在視力恢復後，他們應該產生明度對比的錯覺，這正是研究人員發現的。9名8至17歲的兒童在接受白內障手術後，在取下繃帶的24到48小時內接受了測試，他們在手術後視力開始恢復時，很快就會受到明度對比錯覺的影響。這提供了進一步的證據表明，明度估計可能是基於簡單的神經通路，不需要任何事先的視覺經驗。

在2015年的一項研究中，Sinha發現，剛剛恢復視力正常的兒童也會很快受到另外兩種視覺錯覺的影響，分別是蓬佐錯覺和米勒-萊爾錯覺，這兩種錯覺涉及根據視覺線索判斷線段的長度。

蓬佐錯覺（左）與米勒-萊爾錯覺（右）。蓬佐錯覺説的是，中有一對向某一點彙集的直線，其中畫有兩條相同長度的橫向x線段，在這種情況下，我們視覺會認為上面一條橫線更長一些。而米勒-萊爾錯覺則指，兩條等長的平行線段，兩端箭頭向外的線段比兩端箭頭向內的線段看起來更長。

“這項研究得出的結論似乎也與明度研究得出的結論一致。也就是説，我們將許多現象歸因於高級的推理過程，但實際上，它們的背後可能是大腦中一些天生的非常簡單的通路機制。”Sinha説，“這些結果有助於我們理解，神經系統如何解決感知和理解周圍世界的複雜挑戰。”

參考來源：

[1]http://news.mit.edu/2020/study-visual-illusion-brightness-0617

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0042698920300730