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[其他] “视觉错觉”说法靠谱吗?

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发表于 2019-3-14 20:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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“视觉错觉”说法靠谱吗?
Is it just appropriate to call "visual illusion"?
都世民

2017-01-10,尹家鹏 在中国科学院神经科学研究所发文:“视觉错觉:人类大脑是如何被自己欺骗的?”
2019-03-01,尹家鹏又在《科普时报》发文,“视觉错觉:人类大脑是如何被自己欺骗的?”。
两篇文章标题相同,内容有些不同,主要观点是一致的。[1,2]
在网络上也有不少类似文章[3-6],笔者对此做一些讨论。
什么是“视觉错觉”?
人们的视感官获得的视觉与图片中的物理参数不匹配的现象称作”视觉错觉”[1]。产生这种现象有很多种,对其原因分析也多种多样。如今给出的错觉图形,五花八门,形式各样,图片中的物体都是三维的,而图片是两维的平面图,这两者就不匹配。两维的图片,能给出三维的图形吗?一间平房可以在一张纸上画出,但线条的长度,不能反应平房的实际尺度,所以建筑图纸都不是一张平面图,对房子内外,要用多张图纸,才能表示清楚。
我们每一个人,上小学、中学和大学,都有图形的知识,小学数学中,有图形识别。在中学有平面几何和立体几何,在大学要学制图。这不同层次的图形知识,是我们日常生活中,经常用到的。
然而在这些视觉错觉图形中,有些是比较复杂的,通常是表示三维物体的一幅平面图形。用这类图形,很难表示立体物体的实际尺度。
平面图像有黑白和彩色,也有黑白和彩色混合的图形,这三类图形会出现什么问题?这是视觉错觉讨论的问题之一。
一幅复杂的视频图像,不同的人观看会有不同的结果,这也是视觉错觉讨论的问题。
“视觉错觉”有哪些表现?
由于上述问题,就引发了一些看法,可归纳如下:
1)每年在佛罗里达召开的视觉科学年会(VSS,Visual Science Society)上,都会评出当年最出色的十大视觉错觉。这些视觉错觉图形是怎么形成的?
2)你不要相信你的眼睛,不能相信你看到的一切。
3)眼见为实,眼见不一定为实。
4)棋盘格上亮度错觉。
5)水彩错觉。
6)旋转之蛇错觉。
7)Pinna旋转运动错觉。
8)几何视错觉。
9)“透视错觉”
10)人类大脑是如何被自己欺骗的?
“相由心生”还是“像由脑生”?
相由心生还是像由脑生?这是讨论视觉错觉的最基本问题,可是要回答这个问题,是异常复杂的,在国内外对这个问题是有争议的,它涉及到很多因素,例如人的眼睛的构造,光学特性和机理,光信号是怎样变成为电信号?人与人之间其眼睛有那些差异?人的意识是怎么产生的?人的视觉的反馈通道在哪里?视觉错觉的确切定义是什么?人的眼睛的宏观与微观怎么统一?如此等等。笔者在新近发表的一书中有详细讨论。[7]

“相由心生”的百度百科词条中[17],唯物主义观点认为:人的眼睛就是一部光学仪器,我们所能看到的圆的、方的、扁的、高的、矮的、黑的、白的、红的东西都是光线经过我们的眼睛变焦投射到视网膜上成像,这个像刺激视觉细胞产生脑电波再传导到大脑皮层,于是我们“觉”到了像。也就是说,我们“看”到的“像”不是眼外之物本身,而是“觉”到的由“心”所间接生成的像(只是这个过程时间非常短暂,我们觉察不到),而在一般概念中,又把这些“像”称为“相”,所以才有“相由心生”之说。
《金刚经》为什么说:“凡所有相,皆是虚妄”呢?因为从“相由心生”的角度看,相本质上不过都是些“脑电波”而已。 怎么证明这些都是脑电波呢?多学科专家认为脑电波,是细胞的生物振子同步的效应。[19]
要讨论“相由心生”,这相来自哪里?首先是来自眼睛,眼视周围物体,又必须有光。郭光灿院士发文:光究竟是什么?在文中提出一个问题:3米以远能看见一缕烛光吗?[10]
上了年纪的人都知道这个问题,是不成问题的问题,不用说3米就是30米也能看见烛光。郭先生从自已从事的光学专业提出此问题,因为烛光光强可测量,而光强随离光源距离增加是衰减的。这是开普勒和麦克斯韦理论所指出的,按此理论计算离烛光3米远时,肉眼见不到烛光。难道西方名家说的错了吗?自然科学研究的结论不适用吗?郭先生换了一个角度,从人眼找答案。
一支烛光人眼可见,近处可见烛、烛芯、烛光及火焰,还有气味。到远处可见烛光,却不见烛和火及焰,也看不见烛芯。这“相”在变,如果远至1公里外,还有烛光吗?这相由实变成虚妄。如果我们用脑区来解释这些现象,是解释不通的。
总之,“相由心生”与“像由脑生”是東西方文化和科学探索的不同之处,这是探索小宇宙不同的思维模式,我们要创新必须走自己的路。

人眼机理的科学属性与“视觉错觉”的关联
人眼机理的科学属性可以从以下几方面讨论:
1)人眼机理的科学属性的局限性;2)人眼机理的科学属性的统一性;3)人眼机理的科学属性的复杂系统性;4)人眼机理的科学属性的多学科交叉融合。
对上述几种属性的认识是近些年来国内外科学家研究的热点:
1)人眼机理的科学属性的局限性
公元前1324至1266年,在河南安阳出土甲骨文中,载有“贞王弗疾目”、“大目不丧明”、“其丧明”等,表明当时已将视觉感官用“目”命名。眼病称“疾目”。眼失明称“丧明”。
“盲”分成两种:
•春秋时期,《书经》载有“瞽奏鼓”。
•《诗经》载有“矇眸奏公”。据《毛传》解释:“有眸子而无见曰“矇”,无眸子曰“瞍””。在《辞海》中指出:是出自《诗经》。这表明当时已将“盲”分成两种,眼球完好的“盲”称作朦;眼球塌陷的“盲”称作瞍。
几千年来,人眼的科学探索仍将眼晴分家,眼球与视网膜分离,前者为宏观,后者为微观,两者不在同一层面。其间有1mm间隙,无人研究,是名符其实的研究盲区。如果在宏覌层面,1mm是间隙。在微观层面就是一个很大区域。有些专家学者明知科学有局限性,却忽略。以为微观研究才是科学先进的标志。甚至认为中国无科学,无科学土壤。
2)人眼机理的科学属性的统一性
在人眼探索中,出现宏覌层面与微观层面背离,要不要统一?同在一个小宇宙应该统一。
1854年,科学家麦克斯韦还是年青时代,就开始研究人眼和动物眼睛,发表了“鱼眼透镜”的论文,提岀了“变折射率”的概念。麦克斯韦还想弄清动物眼的色感之谜。
如今在百度网和道客巴巴网文庫中,搜索与眼相关的论述,都认为人眼是宏观成像装置,人眼的屈光系统被看成是“照相机”。在中国百科网,有专家编写的词条,把眼睛看成光学仪器。在生物学未探明视网膜结构之前,都是以宏观光学视角给出的成像原理。而微观电磁学是因为无需求,无学者关注的原因,使很多人不知道新的学科---微小光学已经诞生了。
显微技术的出現和不断发展,电子学由小型化到微型化和纳米化。电子电路由分立元件变为集成电路,又发展为大規模集成和芯片化。生物学发现细胞,发现视网膜上有两种視细胞等微观结构。而光学从赫兹发明光电效应后,爱因斯坦提出光量子概念来解释光电效应,把宏覌光学推向微观层面,直到激光器等出現,光学迈入了微覌光学。有的专家称作微小光学、微光学。
微小光学的出现将眼球从宏观推向微观。1974 年,我国龚袒同教授提出变折射率概念。变折射率介质的折射率不是常数,而是按一定规律变化的。因此,变折射率介质是一种非均匀介质,也有人称为梯度折射率介质(GRIN)或渐变折射率介质。
微小光学专家认为人眼是成像装置,与过去传统解读不同的是,这里的成像多了变折射率透镜的引入,改变了原先双凸透镜成像的解读。微小光学专家介入这项研究,不一定了解视网膜结构,在这里变成多学科汇集点,也是难点。视网膜上视细胞尺寸是微米尺度,细胞间距是纳米尺度,工作波长也是纳米尺度,使问题复杂化。
1944年,R.K.Luneburg[13]对麦克斯韦“鱼眼透镜”作了进一步研究,提出了一种折射率分布对某点呈球对称的折射率分布模型。此后在中国的一些专著中有论述,笔者早年就注意到“龙伯”透镜天线。
天线前輩清华大学前系主任扬弃疾教授就曾撰文讨论“鱼眼透镜”。中国百科网有他写的词条。
在天线专著中有专门介绍:钟顺时编,的“天线理论与技术”书中,有一节“变折射率透镜天线”。
人眼玻璃体是球形,微小光学称为“水晶体”,是变折射率透镜。生物学和医学中对眼球论述有水晶体,不是指玻璃体。其实眼球与R.K.Luneburg龙伯透镜有关联。
刘德森和郎贤礼等,在研究梯度折射率(GRIN)透镜像差基础上,提出了两种改善梯度折射率(GRIN)透镜像差的工艺。
在天线领域,对这类透镜天线,沿用1854年,麦克斯韦“鱼眼透镜” (MFE) 这一名称,即“Maxwell Fish-Eye Lens ”。目前研制热点集中在半球形状,有的饋源置于球心处,研究者通过改进人工电磁材料性能,来提高“鱼眼透镜”天线的性能。
不仅如此,人眼眼球的转动形成视扫描,其生物学解读是眼外肌,这是宏观层面与视网膜和视神经钎维的微观层面不匹配的又一表现。这是自然科学研究的局限性的具体表现。
3)人眼机理的科学属性的复杂系统性和多学科交叉融合
以上叙述中可以看出:微小光学和天线等多学科对变折射率介质透镜的研究,并将其与人眼眼球的关联,既改变了眼球的光学属性,也将眼球从宏观变为微观,还将眼球与视网膜构成新的系统。既可以排除人眼成像是倒像,还可以解释色感成因、人眼视距、扫视、跟踪、定位、识別、分辨等多功能属性。
必须指出:这些研究进展展示了人眼的复杂和系统性。没有理由再认为人眼是照相机。也不能解读为,将影像打散成数以百万计的小片段,内含诸如颜色、线条、形状、深浅和动作等数据,再通过许多协同合作的神经途径重新组合影像。
将眼球看成是一部全自动聚焦成像图像采集系统,是不确切的,它不是数码相机。
这些研究也展示了多学科交叉融合的特点。是多学科研究促进了人眼研究的统一和深化。
人的眼睛是照相机吗?
曾记得上个世纪50年代末,笔者上中学物理课时,课夲用照相机的原理解读人的眼睛的屈光机理。如今在百度网,眼科专家对人眼结构的论述,仍然把人的眼睛看成照相机。中科院脑神经研究所专家仍然将人眼看成为照相机。
上海新视界眼科医院近视专科手术专家  李海燕博士详解眼球结构,他把眼睛的结构比作照相机。

把眼睛的结构比作照相机
光首先进入眼球的透明角膜。角膜上皮层有十分敏感的感觉神经末梢。
瞳孔好像照相机的光圈。晶状体好像照相机的全自动变焦镜头,位于瞳孔虹膜后面,呈双凸透镜。视网膜好像照相机的胶卷,起感光功能。感光最敏锐的那部分,称为黄斑。感光的细胞主要是视锥细胞和视杆细胞。视锥细胞主要负责明亮视觉和色觉,视杆细胞主要负责阴暗视觉。脉络膜-是照相机的暗箱。主要由血管组成。物像是在视网膜上形成的,而视觉是在大脑皮层的视觉中枢产生的。
在百度百科网页上搜索“眼球成像”词条的另一种解读为:[9]
人类的眼睛所成的像,是实像还是虚像呢?人眼的结构相当于一个凸透镜,那么外界物体在视网膜上所成的像,一定是实像。根据上面的经验规律,视网膜上的物像似乎应该是倒立的。我们看见的任何物像是正立的。当物体与透镜的距离小于焦距时,是虚像。


人眼不是照相机的理由
上述解读人眼构造和机理的问题是:
•光是人眼視物的前提,没有光源,人眼不可能成像;
•用几何光学法分析人眼屈光部分,需要进行必要的修正;
•視网膜不是相机底片,如果是相机的说法成立,黑白或彩色相机是有底片的,数码相机是没有底片的。因此把人眼看成是相机是有问题的;另外黑白和彩色是不同的,这也说明人眼是相机的说法是有问题的;
•原来的相机是模拟信号,现在的相机是数字信号,而人眼的信息到底是什么信号?现在并没有证明是哪一种!
•人眼是相机的说法得到的图像是倒像,而我们实际看到的不是倒像;
•人眼可以扫描、跟踪、定位、识别、分辨,这几种功能照相机是无法做到的;
•人眼是相机的说法既包含了宏观层面,也包含了微观层面,这之间缺少链接;
•人眼的眼球与视网膜之间,有一毫米的间隙,在微观层面,它是一个很大的区域,是研究盲区,这是将眼球与视网膜分离,也是宏观与微观的不统一,它是多学科的交汇点;
•人眼的色感机理至今不明,如果把人眼的感官细胞看成为矢量,就能够解释色感机理;
•按生物学观点,人眼的信号是将光信号变成电信号。却不认为光信号是交变电磁场,电信号只有离子通道的电流,没有磁流,没有场的信号;
•晶状体就相当于一个可变焦距的凸透镜 ,视网膜相当于可以接像的光屏。这种说法不能成立,至今没有证明视网膜上有图像,也没有证明晶状体是怎样调焦距的?
•生物学家饶毅[10]和,寿天德教授[11]都不认为人眼是相机;
•人眼眼球聚焦是因为有凸透镜的说法受到质疑,已经证明人的眼球是水晶体,是变折射率的球形透镜,不是凸透镜,光在其内不是直线传播,而是曲线;[12] 
•有机构认为,视觉系统是目前为止研究得最为广泛,最为深入的感觉系统之一。[13]又有机构认为,他们发现了新型视细胞,并呼吁重新审视视感系统;[14,15]
•中国百科网和中国医学百科网词条“視覚”,明确指出反馈通道至今不明;[16]
•人的视觉感官是一个复杂的生物系统。不能只用神经元摡念及其映射神经网络,通过计算机求解出信息关系;
•相由心生不是像由脑生。
综上所述,人眼的构造和工作机理存在着争议,也存在着诸多疑问,这是视觉错觉的原因所在。
“视觉错觉”的其他因素
视觉错觉的图片和图片的分析,除上述因素外,还涉及到下列因素:
•下面这张图展示的错觉。在具有轻微差别的灰色阴影处,相互靠近的地方,就看不清楚这是个台阶。
明亮的区域,能明显的感觉到是有台阶的。其原因是,人眼的感光细胞有两种,一种是锥细胞,一种是杆状细胞,前者是在明亮的区域工作,后者这是在阴暗的区域工作,这是形成上述现象的原因。

•

•上面的图案,如果把车轴的图案放在两条水平线后,线条即使是直的,但看上去就像弯曲的。这张图片想表示三维图形,显然是不够的,车轴的图案是否放在两条水平线后?难以判定,产生直线弯曲的感觉,是由于视觉的转换,人眼看见黑的中心体,在转换到长的直线,感光细胞是先由杆状细胞工作,再转化为锥形细胞工作,这一转换造成的误差。
•‘色盲’怎么解释?有人认为,是由于视网膜上缺乏相应的感光色素细胞而出现。这种解释并不正确,因为锥形感光细胞有三种不同尺寸,当它们矢量相加时,按照色度学原理,就会形成一种颜色,如果锥形感光细胞有问题,它就不可能形成彩色。‘色弱’既包含了色彩,又包含了光的强度,光的强度与感光细胞的合成有关,也与神经纤维的故障有关。
•错觉图形都是人们通过精心构思设计出来的,在自然界中几乎很少存在这样的图案,遇到这样的图形会用它固有的方式去理解,就会出现类似‘理解偏差’的现象。如果你站在高楼的前面,看每层的间距是不同的,实际上是相同的,这个差异是怎么形成的呢?难道是我们的眼睛错觉吗?其实不是。我们观察点到高楼的间距是不变的,变化的是斜距和视角变了,按照三角函数关系,自上而下的看,每层间距是由小到大,这才符合三角函数的关系。否则就不对了。如果楼层高度看上去相等,就意味着三角函数关系是错误的,显然是不可能的。
如果看一个楼层高度和宽度,由近到远,你会发现每个窗户的宽度由大到小,这个方向的变化比较大,窗户高度的变化比较小,这同样是由于三角函数的关系。不是因为视觉错觉。
•当你站在高架桥上,看停在十字路口的汽车,你会发现由近到远,轿车是由大变小,这也不是视觉错觉,因为我们的眼睛看远处的物体,都比近处类似物体要小,距离越远相差越大。
总之视觉错觉的现象,与光的特性、人眼的构造、不同的物质、图形的表示方法、人的眼睛工作机理等诸多因素有关,是需要认真分析,不能认为是大脑骗了自己。眼见为实,眼见不为实都同时存在,这不是眼睛本身错了。
参考文献
[1]视觉错觉:人类大脑是如何被自己欺骗的?来源: 中科院脑神经研究所, 2017-01-10 。
[2]“视觉错觉:人类大脑是如何被自己欺骗的?”来源:《科普时报》,2019-03-01.
 [3] 胖哥娱乐说,是什么欺骗了我们的眼睛?这些神奇的视觉错觉欺骗了我们的大脑,
2018-08-11.
http://dy.163.com/v2/article/detail/DOU63K1M05370NXC.html
[4]【科普】我们的大脑是怎么欺骗自己的?来源:warfalcon, 2017-05-13 21:47
https://www.sohu.com/a/140377085_614807?p=sina
[5]itwriter ,眼睛看到的错觉:简单视觉假象骗过我们的大脑,来自: 新浪科技
2015-09-02。 https://news.cnblogs.com/n/528328/
[6]独品一鸣 ,大脑是如何把你”欺骗“的,很多东西都是大脑精心构建的错觉,来自:大风号,2018-08-06 。
http://wemedia.ifeng.com/72423583/wemedia.shtml
[7]都世民,“多学科论眼“,中国知网CNKI大诚编客 ,2019-02.
http://z.bianke.cnki.net/info/2035310
[8]钟顺时编,“天线理论与技术”,電子工业出版社,2011年,p439。
[9]眼球成像,来源:百度百科词条。
[10]饶毅谈色, 逸心茶舍  文章来源,新浪微博,2015-04-02 .
2015-04-02 。http://www.360doc.com/content/15/0402/17/506102_460116759.shtml
[11]寿天德 ,视觉信息处理的脑机制,(Brain Mechanisms of Visual fnformation Processing),当代科学技术基础理论与前沿问题研究丛书,中国科学技术大学出版社。1997 年12月第1 版  2010 年1 年10月第2版。
[12]刘德森.变折射率透镜的研究和发展现状,物理,1989,1 7(3):145。
刘德森等著,微小光学与微透镜阵列,—北京:科学出版社,2013,2013年4月第1版。
[13]大脑怎么“看见”世界的——视觉系统知多少,来源:三青三青 >《健康》2016-06-28, 摘自 中科院之声,作者系中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所研究人员。
[14] 李秈霓,“深海“暗光鱼”眼部发现新型视细胞”,来源:《联合早报》,2017年11月12日 http://www.zaobao.com/realtime/world/story20171112-810412
[15] “深海鱼眼部发现新型视细胞 昏暗条件下视觉良好”。来源:《科技日投》,2017-11-13。
[16]楊雄里,“视觉”,来源:中国百科词条。
[17] 相由心生,来源:百度百科词条。
https://baike.baidu.com/item/%E7%9B%B8%E7%94%B1%E5%BF%83%E7%94%9F/4437171?fr=aladdin
[18]郭光灿,光究竟是什么?来源:《科学世界》,2017年第9期。
[19][美] 斯蒂芬·斯托加茨,“同步”,翻译:张 羿,四川人民出版社 出版,2018 年 4 月。









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