原创丨神奇美妙的视错觉世界

您一定读过英国作家路易斯·卡罗尔（Lewis Carroll）的《爱丽丝奇境历险记》吧？还记得爱丽丝掉入兔子洞之后遇到的神奇世界吧？不合常理的事情总是很吊我们的胃口，比如我们时常会遇到的错觉现象。错觉，就是错误的知觉，也即我们的感官将接受到的外界信息通过感受器传送给大脑后，得到了与实际事物不符的现象。就人类获取外界信息的渠道而言，视觉占绝对优势，可达80%以上，因此视错觉最为常见。视错觉大致可分为二维的与三维的两种。好了，深吸一口气，精彩诡异的揭秘视错觉之旅马上出发了！Let’s go!

首先我们看视错觉中最常见的缪勒-莱耶尔错觉（Muller-Lyer illusion图1）。你会感觉图中上方的线段长于下方的线段，可事实上它们等长，不信你可以用直尺亲自量下。这究竟是怎么回事呢？目前对该错觉的主流解释是视觉中的“大小恒常性”机制。该机制说，我们在判断物体大小的时候，视觉系统自动会把物体与我们的距离因素考虑进来。比如说，我判断站在我面前的张三身高与他距我50米之外不会有较大误差，尽管前者在我的视网膜上成的像会大一些。我们在判断图1两条线段的长短时，会不自觉地考虑到距离因素，也就是置于三维空间去判断。在经验中，对观察者而言，如图2地板上垫子靠近观察者一侧的边长与其对边长，后者一定短于前者，视觉上后墙的长（类比图1上线段）自然长于垫子边长（类比图1下线段）。但是这一解释仍有无法克服的困难，比如在缪勒-莱耶尔的变形图（图3）中，我们能感觉到下方的线段要长于上方的。一种解释为向外倾斜的箭头或者如图置于两端的圆形造成了线段横向的视野开阔，误导了视觉在水平方向的错觉。

图1

图2

图3

下面三幅图均与平行线有关。图4是佐尔拉错觉（Zollner illusion），是德国天体物理学家佐尔拉于1860年发现的。本来是一组相互平行的线段，在添加上一些附加线段之后看起去便不再平行。图5与图6分别叫海林错觉（Hering illusion）与冯特错觉（Wundt illusion），分别由德国生理学家埃瓦尔德·海林与威廉·冯特在19世纪发现。这两幅图均受到了放射状线的影响，使得原本的平行线看上去发生了弯曲，只不过两者弯曲的方向正好相反。这些造成视觉上形状或方向发生的原因主要是干扰线的存在误导了视觉。干扰线的布局还会影响错觉的效果，比如对佐尔拉错觉而言，不但干扰线要交错分布，而且与平行线的夹角还有关系，有研究表明在两者呈45度角时，佐拉尔错觉效果最明显。在图7与图8，变形了的正方形与圆形也是干扰线影响的结果。

图4

图5

图6

图7

图8

看来，人们常说的“眼见为实”也不靠谱。接下来我们看几个由于“侧抑制”引发的错觉。什么是“侧抑制”呢？生理学上讲，视网膜上的神经细胞受到光刺激的同时，会对周围的神经细胞产生抑制作用，这种现象就叫为“侧抑制”。它发生在视网膜上一种叫做侧细胞丛的结构上。理解没？若是没理解，通俗讲就是被亮的区域包围的区域显得暗些，而被暗一些的区域包围的区域显得亮些。图9是著名的赫尔曼栅格错觉（Hermann grid illusion），在白色栅格的十字交叉处我们能隐约感觉到有暗灰圆点在闪现。这是因为在十字交叉处的四边都是亮的区域，而白栅格只是两侧，所以注视交叉处的视网膜区域比注视白栅格的区域受到了更多的抑制，就显得比其它区域暗一些，于是在交叉处看到灰点。图10左右两灰色竖条块的灰度是一样的，但看上去左边的颜色要深于右边，  这也是“侧抑制”的因素导致的。

图9

图10

当你看图11时，一定会感觉到是条螺旋线，但当你拿笔沿着线条描下去就会发现，它们是一系列的同心圆。这张图是著名的弗雷泽螺旋错觉（Fraser spiral illusion），是由英国的心理学家弗雷泽于1908年描绘的。这种错觉主要由图案背景中那些内切于圆并向外微微斜向发散的黑色线条引起的，具有方向性的黑色线条刺激了对方位敏感的视觉细胞，从而诱导产生螺旋错觉。图12是删除诱导线之后的图案，这时错觉已经基本消失（即使微有的话，也是背景图案中具有方向性的条状格带诱导产生的）。图13与图14均是弗雷泽螺旋的几何变体。

图11

图12

图13

图14

图15你一定见到过，你的视觉也一定会在花瓶的轮廓与两张人的侧面孔之间来回转换。它是丹麦心理学家埃德加·鲁宾（Edgar Rubin）于1915年设计的，一般被称作“鲁宾的花瓶”。在花瓶与面孔的视觉转换中，其实是主体与背景之间的变换。如果你选择的是花瓶，那么大脑自然会把面孔作为背景来对待，反之亦然。不过观察者的选择或者对图案的理解与观察者的经验背景有关，如果他对花瓶熟悉，那么在看到的一瞬间大脑会把这一信息传递给视觉系统，从而白色花瓶从黑色背景中分离出来。观察者在这两种图案之间转换并不费力。

图16与图17的机制与此类似，你首先会看到什么呢，然后转换下背景又会看到什么？

图15

图16

图17

如果你是第一次看到图18，相信你除了一些毫无规则的黑白斑点外发现不了什么。但请你静下心来慢慢搜寻图案中一只正在行进中的达尔马提亚狗（Dalmatian dog斑点狗），相信你很快会如愿以偿。这说明人类的视觉系统在处理这些零散的图案信息时有着惊人的综合能力。无疑，这些人类长期进化的结果。在远古时期，它是我们识别猛兽与寻觅食物的重要保障。一旦有意义的事物呈现在视网膜上，再想回归到无意义就很难了，我们的大脑已经习惯了给凌乱的视觉信息指定一个合理的解释。1976年“海盗一号”探测器拍摄到的那张著名的“火星脸”（图19）曾引发了人类五花八门的猜想，其实那张“脸”无非是我们对火星上一堆自然的岩石引发的视觉错觉。

图18

图19

最后我们来体验下视觉错觉中最诡异的盛宴“不可能物体”。在图20中，乍看上去右方的叉子通过中间框的三个孔会穿到左边的三个六角螺帽中（右下角是螺帽的放大图）。但你仔细看就会发现它们全部是“不可能物体”！以右边的叉子为例。如果从叉子的左端看，它是一把三脚叉（圆柱状），但从叉子的右端看，它又是两脚叉（四棱柱状）。够离奇吧？这把吊诡的叉子被心理学家称为“魔叉”。那么产生错觉的原因何在呢？原来是物体构造线中“一线多意”引起的。以这把“魔叉”为例，右端上表面的第一条棱线，既可以理解为棱柱脚的边线（从右端看），也可以理解为圆柱脚上端的平滑线（从左侧看），可事实上这两条线本身不会重合。在叉子的构造线中，所有的长棱线均有这样的“歧义”，加上中间两条长棱线从右端到左端实现了三维的扭曲。正是这些误读与扭曲，使得我们疑窦丛生，哪里会有这样的物体！图中的框与左侧的螺帽一样是“不可能物体”，就留给读者自己分析吧。

  谈到视觉错觉的“不可能物体”，不能不提到荷兰的著名艺术家埃舍尔（MC.Escher）。他是错觉艺术的超级大师，一生创作了众多引人入胜的“不可能世界”。我们就以他的《瀑布》（图21）与《观景楼》（图22）作为我们这次视错觉之旅的终点，在这些不可思议的世界里驻足品味视错觉带给我们的美妙与神奇吧。

图20

图21

图22

作者系中国科学院自然科学史研究所研究人员