滑動條紋

幾個簡單的實驗解開了理髮店招牌柱幻覺背後的奧秘

早期格式塔心理學家——包括加州大學聖地亞哥分校的斯圖爾特·安斯蒂斯和已故的漢斯·瓦拉赫——對他們所說的理髮店招牌柱幻覺(a)很感興趣。一個垂直圓柱體,表面塗有螺旋形的紅色和白色條紋,使其繞長軸旋轉。即使條紋實際上是水平移動的,繞著柱子轉,它們看起來也是垂直移動的(沿著柱子向上或向下,取決於旋轉方向)。

這個幻覺有力地證明了我們在本專欄中反覆強調的觀點——感知並不模仿物理。它涉及到大腦的解釋——來自眼睛後部視網膜上的影像——來判斷世界上正在發生什麼。但是是什麼導致了這種幻覺呢?

讓我們考慮一個更簡單的情況:一塊塗有垂直條紋的卡片在圓形孔徑(b)後面水平移動。這裡示意性地顯示了條紋卡片的外邊緣,以清楚地說明孔徑後面發生了什麼。然而,當觀看實際顯示時,它們將不可見。您可以在家中製作這個簡單的裝置:從一大塊紙板上切出一個圓形孔徑,比如直徑一到兩英寸。然後使用第二張較小的紙板,上面有垂直條紋,紅白相間,大約每英寸四到六條條紋。讓別人沿著任何軸來回移動條紋卡片,同時您觀察孔徑內的條紋並判斷它們的運動方向。


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如果條紋紙板水平移動,那麼毫不奇怪,您會看到條紋水平移動。但是,如果條紋實際上以更快的速度對角移動,那麼視網膜上的刺激將完全相同。事實上,存在一系列向量(即方向運動),它們的速度和方向各不相同,但都會在視網膜上產生相同的變化影像。這一系列向量在b中用不同長度的箭頭表示,這些箭頭代表速度和方向。然而,即使刺激本身是模糊的,您的感知卻不是;您總是看到條紋垂直於其方向正交移動;這似乎是我們感知的預設設定,在其他條件相同的情況下。您不會看到條紋以更高的速度對角移動。大腦透過假設預設值來解決所謂的孔徑問題。

盒子內部
現在讓我們重新考慮像理髮店招牌柱這樣的刺激——也就是說,孔徑是矩形且垂直的,而條紋是對角方向的(c)。當您使用這個新裝置嘗試相同的實驗時,您可能會期望預設感知將是相同的——垂直於條紋方向的運動。但事實並非如此;您沒有看到對角運動。相反,這些條紋總是看起來沿著孔徑的長軸垂直移動(就像在理髮店招牌柱中一樣)。為什麼?

一個原因可能是這種情況中存在一個額外的因素在起作用。請注意,即使條紋移動的方向(和速度)仍然是模糊的,但線條的尖端(或尖銳端點)沿著孔徑(或圓柱體,在真正的理髮店招牌柱的情況下)的長軸明確地向上移動。這些“終結者”的運動可能有助於消除運動方向的歧義;尖端“拖動”條紋朝一個向上方向移動,一些研究人員將這種效應稱為“運動捕獲”。這種現象解釋了理髮店招牌柱幻覺。您可以說,明確的運動尖端會提醒大腦,並指示整個條紋圖案被視為沿著柱子的長度移動(c中的箭頭),無論該柱子是水平的還是垂直的。

我們可以透過建立一個顯示屏來挑戰視覺系統,例如d,它由隨機分散的一組垂直和水平孔徑組成,所有孔徑後面都有條紋對角移動。如果您專注於任何一個開口,您將看到水平或垂直移動的條紋,正如預期的那樣。但是,稍加努力,您可以讓自己將整個顯示屏視為一個“整體”。在這種情況下,您將整體感知為一個大型對角移動的條紋組,透過一張巨大的不透明卡片看到,該卡片上隨機位置切出了水平和垂直孔徑。您的視覺系統“認為”這種感知比獨立的理髮店招牌柱以這種方式精確地散佈在世界各地,被一些瘋狂的火星人有意混淆您的情況更經濟的描述。您對看到獨立的理髮店招牌柱的免疫力意味著,一些相當複雜的影像分割規則(包括水平和垂直視窗後面條紋表面的“完成”)必須連線到視覺系統中。

約束條件相交之處
或者再舉一個例子。在e中,您將傾向於看到向上和向右 45 度的運動,在f中,您將傾向於看到向下和向右 45 度的運動,如箭頭所示。

現在,如果您將兩者疊加起來會怎麼樣?您是否看到它們以直角相互滑動過去?答案是否定的;您看到格子水平移動(g中的箭頭所示)。感知研究人員,麻省理工學院的愛德華·H·阿德爾森和紐約大學的 J·安東尼·莫夫森做了一些巧妙的實驗來表明,與樸素的直覺相反,這種效應並非簡單地透過平均兩條條紋的向量來實現的。它之所以發生,是因為他們稱為“約束條件交匯”的原理。每個光柵的運動都與一系列向量相容,並且重疊區域——兩個系列重疊的地方——被認為是“真實”的運動方向。有趣的是,大腦區域(包括一個名為 MT 的區域)中對運動敏感的細胞在運動處理的視覺層級的早期階段對每個光柵的方向分別做出反應(“元件運動”),而更高層次的細胞則對格子的整體方向做出反應(“格子運動”)。這似乎就像細胞透過部署約束條件交匯演算法來整合元件敏感細胞的輸出。

除了約束條件交匯之外,還有另一種模型。請注意,在g中,即使元件條紋的運動是模糊的,但線條之間的交點也在明確地水平移動。這些交叉點可能會“捕獲”並水平拖動光柵(類似於垂直孔徑或理髮店招牌柱中尖銳尖端的作用)。

目前,沒有令人信服的理由選擇一種模型而不是另一種模型;前者(約束條件交匯)在數學上更優雅,可能對宇宙學家有吸引力,而後者(“凌亂的捷徑”)可能對生物學家有吸引力。

最初的理髮店招牌柱圖案據說是為了描繪血液和繃帶,可以追溯到理髮師也是外科醫生的時代。他們幾乎沒有意識到,這種幻覺可以為人類運動感知提供如此敏銳的見解。

(延伸閱讀)

  • 移動視覺模式的現象學一致性。《自然》雜誌,E. H. Adelson 和 J. A. Movshon 合著,第 300 卷,第 523–525 頁;1982 年。

  • 人類運動感知中的透明度和一致性。《自然》雜誌,G. R. Stoner、T. D. Albright 和 V.S. Ramachandran 合著,第 344 卷,第 153–155 頁;1990 年 3 月 8 日。

SA Mind 第 19 卷第 3 期本文最初以“幻覺:滑動條紋”為標題發表於SA Mind》第 19 卷第 3 期 (), p. 18
doi:10.1038/scientificamericanmind0608-18
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