五花八門視錯覺，研究它們有啥用？_風聞

不僅研究人的錯覺，還得研究動物的。

撰文 | 徐子龍（東南大學）

很久很久以前，流傳着這樣一種説法：誤判是足球的一部分，或者説是足球魅力的一部分。當然，後來這種説法不攻自破，國際足聯FIFA扛不住各方壓力，開啓改革，於2014年巴西世界盃首次引入門線技術，由高科技的“鷹眼”輔助裁判判決。

為什麼裁判也有靠不住的時候？不要説角度問題、注意力問題沒看清，就是球從眼前過，也有判斷錯誤的。不信看看下面這張圖：

圖1. 閃光滯後效應 | 圖源：維基百科

當紅色方塊移動到圖片中央時，綠色方塊同時閃現，但我們感覺綠色方塊閃現的時候紅色方塊已經掠過了。這種錯覺叫做“閃光滯後效應”（Flash lag effect）。説得不通俗一點，閃光滯後效應就是當一個視覺刺激物沿連續軌跡運動時，相對於這條軌跡上可能出現的突發事件（比如閃光），運動的刺激物被感知到的位置要比實際位置更提前（圖 1）[1]。

在足球比賽中，助理裁判在判斷進攻方球員是否越位時，可能會由於閃光滯後效應而出現判斷失誤[2]（圖2）。在越位判定的場景中，進攻方的接球隊員相當於連續運動的紅色方塊，而傳球隊員傳球的動作相當於突發事件（綠色閃光），傳球的瞬間是助理裁判判定越位的時間標誌。由於有閃光滯後效應，助理裁判會以為傳球事件較為滯後，而跑動中的接球隊員被感知到的位置比實際位置更靠近球門，結果就會出現舉旗錯誤（Flag error，FE）。

圖2. 助理裁判誤判示意圖。▲進攻方隊員；△助理裁判感知到的進攻方隊員的位置；●防守方倒數第二名隊員的位置；■助理裁判。（圖片修改自參考文獻[2]，點擊看大圖）

（甲）在位位置和越位位置幾何示意圖。進攻方傳球隊員傳球的一瞬間，接球隊員與防守方倒數第二名隊員的相對位置是判定是否越位的標準。

（乙）閃光滯後效應對越位判決的影響示意圖。當處於圖中陰影區域的進攻方接球隊員正在向對方球門方向跑動時，傳球隊友接觸球的瞬間，助理裁判感知到的位置（白色空心三角形）很有可能比其實際位置（黑色實心三角形）更靠近球門，結果導致誤判。

顯然，瞭解視錯覺，能讓我們知道某些情況下裁判是無辜的 _(¦3)∠)_ 除了閃光滯後效應這種讓人避之不及的錯覺，也有一些“好”錯覺可以將錯就錯，拿來使用。

例如，從視覺科學家的角度來看，著名的心理投射測驗羅夏墨跡測試（Rorschach test）就可以説是基於視錯覺的。更準確地説，我們的大腦總是在低信息量的隨機結構中尋找已知模式，這種心理現象被稱為“空想性錯視”（pareidolia）[3]。

圖3. 羅夏墨跡投射測驗例圖 | 圖源：維基百科

當然，所有火星上的人臉、月亮上的兔子、龍捲風裏的魔鬼/上帝、雲海中的佛像，都是空想性錯視的功勞。

從上面兩個例子我們可以知道，視覺並不僅僅是“五感”（視聽嗅味觸）中的一種 “感覺”（feeling），而是需要大腦參與解讀的“知覺”（perception）。當解讀出現偏差，就出現了錯覺（illusion）。

視覺錯覺是我們的視覺系統對於視覺場景的最好適應。這些適應是“固化”在我們大腦裏的，會引起對視覺場景的不恰當的解釋。正如醫學是從病人身上研究人體，心理學和神經科學也可以利用視覺的“錯誤”去揭露視覺系統的結構和功能，瞭解（人或動物）視覺產生的機制。

視錯覺的數量繁多，其中大部分都還沒有得到有效的解釋。我們已經知道，亮度和對比度、運動、幾何或者角度、三維解釋（尺寸恆常性和不可能圖片）、認知/格式塔效應等都會引起人的視覺錯覺。從產生機制的角度來看，視錯覺大致可以分為三種：圖像本身的構造導致的幾何學錯覺，由感覺器官引起的生理錯覺，以及心理原因導致的認知錯覺。

01 亮度和對比度引發的視錯覺

經典的“赫爾曼格”（Hermann grid）是由德國生理學家Ludimar Hermann（1838-1914）於1870年代發現的視錯覺現象。掃視下圖中的白色柵格，你會注意到在白線相交處有暗淡的灰色塊，但如果你直接盯着白線的交叉點，那些灰色小塊卻又變淡或消失不見了。

圖4. 赫爾曼格丨來源：維基百科

還有一種常見的類似錯覺是發現於1994年的“閃爍網格錯覺”（scintillating grid illusion）。它常被視為赫爾曼格錯覺的變種。

圖5. 閃爍網格丨來源：維基百科

這兩種錯覺非常相似，它們都涉及到視覺神經系統的同一個加工過程：側抑制。

人的眼睛就像是一架精密的照相機，眼睛底部的視網膜如同一張感光膠片，由大量的視神經細胞組成（參見圖6）。

圖6. 視網膜解剖結構[4]

圖7. 視網膜分層結構[4]

當光線進入視網膜時，視網膜會將光信號轉換為神經衝動，由感光細胞（photoreceptor） →雙極細胞（bipoloar cell）→神經節細胞（ganglion cell）的通路傳遞至大腦皮層的視覺中樞。視覺神經細胞對於給光刺激做出反應的區域就稱為“感受野”（receptive field）[4]。

多數視覺神經細胞的感受野分為中心部分和周圍部分（如圖7），稱為“中心-周邊感受野”（center-surround receptive field）。它的一個重要特性就是中心部分和周圍部分對光的反應是互相拮抗的。例如在圖8中，感受野周邊部分（紅色）受光會抑制感受野中心部分（藍色）對光的反應。

圖8. 中心-周圍感受野示意圖[4]

半個世紀以來，人們用“側抑制”（lateral inhibition）的經典理論來解釋赫爾曼格錯覺。所謂側抑制，又稱橫向抑制，就是指受刺激而興奮的神經元會抑制相鄰神經元的活動。下面我們來具體看看，在赫爾曼格錯覺中到底發生了什麼。

圖9 赫爾曼格的橫向抑制解釋 | 圖源：michaelbach.de

在圖9中，我們假設紅色圓盤代表着一個視神經節細胞的感受野。當感受野偶然落在柵格交叉處時（左上圓盤中心），周圍有4個明亮抑制塊，讓中間顯得黯淡（灰色）；當神經節細胞看“街道”的時候，周圍只有2個抑制塊（左下圓盤中心），所以，它會比位於十字交叉處的神經元獲得更高的刺激量，也就是看起來是白色。

但是，當我們直接注視十字交叉處時，感受野很小（右側的小紅色圓盤）。如此小的感受野，無論它們是否位於十字交叉處，都不會受到什麼影響。

然而，現在最新的研究表明以上經典解釋可能是有問題的。如果對網格線條做輕微的扭轉，會令錯覺現象消失（下圖右側）。這説明視皮層處理信息具有方向選擇性，也稱為神經元的方向選擇性[5]。

圖10. 赫爾曼格錯覺的消失 | 圖源：Bach, M. Optical illusions, 2006

02 運動錯覺

圖11. 運動錯覺丨圖源：Bach, M. Optical illusions, 2006

有時，靜止的圖像看起來就像在緩慢運動，上圖中的圓盤就似乎在緩慢旋轉。現在我們還沒有完全弄清楚運動錯覺的神經機制，只能説產生這一錯覺的前提條件是不對稱的亮度等級[6]。

很明顯，圖11中的每個大圓是由很多輻射狀的扇形條（扇形很窄）組成。每個扇形條都包含着一系列的顏色序列，圖中顏色序列的重複單位是“亮白-亮黃-深黑-深藍-亮白”。

圖12. 圖11中包含的顏色序列

產生錯覺的關鍵在於，相鄰輻射狀扇形中顏色或者亮度序列的位置是相錯的，有偏移的[3]。當這樣的圖片突然出現在眼前時，不對稱的亮度等級會觸發視覺系統的運動檢測器，從而讓人感覺圖像好像在旋轉。分組排列會增強錯覺的效應，但顏色並不是必要的。

03 幾何和角度錯覺

圖13. 佐爾納（Zöllner）錯覺 | 圖源：Bach, M. Optical illusions, 2006

佐爾納錯覺（Zöllner illusion）是另一種常見的視錯覺。1860年，德國天體物理學家約翰·卡爾·弗里德里希·佐爾納（Johann Karl Friedrich Zöllner）發現，與短線相交成鋭角的平行線表現為發散狀。在圖13中，有一系列與短線交叉重疊的傾斜直線，看起來這些直線擺放得零零散散，很快就要相交——但實際上這九條“傾斜直線”全部都是平行的。

類似的錯覺還有波根多夫（Poggendorff）錯覺、赫林（Hering）錯覺，以及赫林和佐爾納錯覺的組合（圖14）。

圖14. 幾種常見的幾何和角度錯覺：（a）波根多夫錯覺；（b）赫林錯覺；（c）赫林錯覺和佐爾納錯覺之組合[6]

研究人員認為，佐爾納錯覺的形成，是由於短線與長線所成的角度引發了深度知覺。基於近大遠小的透視（perspective）原理，長短線交角所指的方向會讓人感覺是紙面的“深處”；而角的開口所指的方向則感覺是指向的“較淺”的地方。此時，我們的視覺系統再次進行自動調整——把在“深處”的部分相鄰的兩條平行長直線“拉近一點”，把“較淺”處的平行斜長直線“推遠一點”——以確保獲得近大遠小的正確感知。但實際上線條全都是畫在一個二維平面的紙面上，並沒有任何深度，所以看起來長直線就不平行了。

04 大小恆常機制

恆常性是人腦認知的固有機制。一個物體離我們越遠，在視網膜上成像越小，但我們不會因為離它遠一些就認為它變小了，這就是大小恆常機制在起作用。

當物體的距離減半時，物體圖像的尺寸增加一倍。視覺系統會將視網膜上的投影大小乘以假設的距離，使得我們能夠不受幾何透視影響，估計物體的尺寸。當距離信息無效時，我們的視覺系統會重新設定“默認設置”，這時就無法正確估計物體的尺寸了。比如攝影師經常用到的“月亮錯覺”：月亮距離地平面近的時候時比高掛在天空中時顯得更大，因為月亮離我們的距離太遠了，超出了估計的範疇。

圖15. 米勒-萊爾（Muller-Lyer）錯覺 | 圖源：The Scientist

德國社會學家弗朗茨·米勒-萊爾Franz Carl Müller-Lyer於1889年發現的米勒-萊爾錯覺就可以用視覺的恆常性來解釋。在這一錯覺中，視覺系統檢測到了深度線索——就是線段兩端箭頭的方向。“凸角”意味着較近的距離，比如房間裏面的凸出的牆角；“凹角”意味着較遠的距離，比如房間內凹進去的牆角。視覺系統認為，方向向內的箭頭（凹角）表示線段離我們較遠；方向向外的箭頭（凸角）表示線段離我們較近。接下來，大小恆常機制會對我們觀察到的圖像做出修正：增加“較遠”（兩端箭頭向內）的線段的長度，減少“較近”（兩端箭頭向外）的線段的長度，結果導致我們認為上面的（“較遠”）線段長度比下面的（“較近”）線段長。

04 格式塔效應

圖16. 卡尼薩正方形[5]

卡尼薩正方形最早於1955年由意大利心理學家加埃塔諾·卡尼薩（Gaetano Kanizsa）描述。雖然大家都能知覺到圖中的正方形，但它的輪廓是由觀看者自動生成的主體輪廓。

格式塔心理學家用閉合法則——格式塔感知組織法則之一——來解釋這一錯覺。根據此法則，編組在一起的物體傾向於被視為整體的一個部分。我們傾向於忽略縫隙，感知到輪廓線條，從而使得圖片結合成一個整體。

格式塔主義認為，人們傾向於將物體感知為完整的整體，而不是僅注意到物體中可能包含的縫隙。當一幅圖片的某個部分缺失時，我們的感知會自動填充缺失的部分。研究表明，知覺系統之所以如此，是為了增加周圍刺激的完整性。

圖17. 不可能的三叉戟，也被稱為“魔鬼叉子” [1]

在圖17中，左圖上面的部分像是三座塔。底部是彎曲的U形杆。如果將線條連接成右圖所示的樣子，“不可能物體”就出現了。線條延伸部分是不恰當的，因為它們將塔之間的空的背景轉變成了U形底部表面。這給觀察者留下了一個不可思議的感覺，藝術與科學在這裏連接：毛里求斯-埃舍爾僅僅在彭羅斯發佈了“不可能的樓梯”畫作兩年之後，就畫出了那幅著名的《升和降》。

狗狗會不會有錯覺？有腦洞大開的科學家做了一些有趣的實驗。

澳大利亞樂卓博大學（La Trobe University）的Sarah Byosiere讓狗狗看艾賓浩斯-鐵欽納（Ebbinghaus-Titchener）錯覺。它是一種感知相對大小的錯覺，由德國心理學家赫爾曼·艾賓豪斯（Hermann Ebbinghaus）和英國心理學家愛德華·鐵欽納（Edward B. Titchener）的名字命名。

圖18. 艾賓浩斯-鐵欽納（Ebbinghaus-Titchener）錯覺[7]

在最經典的版本中，兩個大小相同的圓彼此靠近，但一個被更大的圓圈包圍，另一個被更小的圓圈包圍。兩組並排放在一起，我們感知到的是被大圓包圍的中心圓顯得比被小圓包圍的圓更小。引起這一錯覺的主要原因之一是中心目標圓和周圍誘導圓之間的大小對比效應。

那麼，對於犬類而言，艾賓浩斯-鐵欽納錯覺會有什麼影響嗎？

Byosiere小組設計了一套裝置，讓狗狗能夠表達它們感覺到的內容：一個測試小房間，展示各種不同視錯覺的觸摸屏的小測試房間，狗可以用鼻子與屏幕交互。每一條狗已經受過訓練，會用鼻子觸碰屏幕來選擇中間圓顯得較大的那幅圖。

圖19. 測試狗對艾賓浩斯-鐵欽納錯覺的反應[8]

實驗結果表明，狗也有艾賓豪斯-鐵欽納錯覺。但是！！！但是狗與人類不同，人類會覺得周圍環繞較小圓環的實心圓看上去更大，而狗選擇的卻完全相反。

圖20. 德爾博夫（Delboeuf）錯覺 | 圖源：The Scientist

心理物理學家約瑟夫·德爾博夫於1865年建立了德爾博夫（Delboeuf）錯覺（如圖20）。兩個實際大小相同的黑色圓周圍環繞着大小不同的圓環。通常，對人的視覺而言，左邊的黑色圓看起來比右邊的略小。

距離效應是產生德爾博夫錯覺的重要因素。當環繞在外面的誘導圓環離中心目標圓近時，中心目標圓顯得比較大；當離得遠時，中心目標圓顯得較小。結果，我們誇大右邊的中心圓的大小，因為它與外側圓環幾乎是相同大小；而低估左邊中心圓的大小，因為其大小比外側圓環小很多。

狗眼中的德爾博夫錯覺是怎樣的呢？

意大利帕多瓦大學（University of Padua）的Christian Agrillo和他的同事嘗試使用捆成圓圈的狗糧來測試各種不同種類的狗受德爾伯夫錯覺的影響性（如圖 21）。