伽利略·伽利雷感到困惑。這位文藝復興時期的天文學家注意到，行星在用肉眼觀察時似乎會隨著“光芒四射的光環”而膨脹，但是透過望遠鏡觀察時，這種效果大大減弱。
這種差異使他感到疑惑：這種尺寸錯覺是由角膜上的水分引起的嗎？光散射？這兩種可能性都不令人滿意，因為即使使用望遠鏡，這些影響仍然會存在。實際上，伽利略遇到了一個視覺謎題，研究人員仍在解開它。
一條線索來自另一位傑出人物的觀察：藝術家兼工程師萊昂納多·達·芬奇。就在伽利略發現光芒四射的光環的幾十年前，萊昂納多就注意到淺色畫布上的深色物體似乎比深色背景上的淺色物體更清晰。此後，視覺科學家發現，黑色背景上的白色形狀通常看起來比淺色背景上同樣大小的深色物體更大。19世紀，當可敬的德國物理學家兼生理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲確定至少有兩個因素導致了這種效應時，對這些奇特的感知模式的解釋就出現了，他將這種效應稱為“照射錯覺”。
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第一個因素是眼睛中光散射的方式。當我們看非常明亮的物體時，光子會穿過視網膜，其中一些會被光感受器吸收，從而形成聚焦視覺。未被吸收的光子然後可以從視網膜後面的眼睛後部反射出來，並在反射回視網膜時分散，從而導致更大範圍的光感受器的散射、非聚焦啟用。這種現象稱為內視眩光。
這種光學效應有助於解釋伽利略的光芒四射的光環，以及為什麼太陽系最大的行星木星看起來比金星小。從技術上講，這兩個天體都離我們太遠了，以至於它們的光子所對的面積小於地球上人類視網膜中的單個光感受器。實際上，根據一年中的時間，行星應該看起來在 9 到 66 角秒之間——對於肉眼來說，視覺距離太小了，以至於視力為 20/20 的人只會將它們感知為每個大約 1 角分。（為了說明它有多小：如果您用 60 條黑白相間的垂直條紋塗指甲，並將其伸到手臂的長度，則每條條紋的寬度約為 1 角分。）由於金星更靠近太陽和地球，因此其表面比木星向您的眼睛反射的光子多得多，從而導致更大的內視眩光。
但是，在照射錯覺中，第二個因素也在起作用。例如，眩光無法解釋這樣一個事實：當伽利略衛星被視為木星質量上的黑點時，似乎比被視為夜空中的白色信標時更小。馮·亥姆霍茲意識到，答案一定在於大腦如何處理光與暗物體。科學家們現在才找到闡明這些神經過程的方法。
正如本專欄中的例子所說明的那樣，光明與黑暗之間的相互作用不僅對於觀星至關重要，而且對於我們的日常視覺也至關重要，因為對比度是我們看到一切事物的根本。
對比度與細節
新的發現有助於揭示視覺系統中的神經處理如何導致淺色物體看起來比深色物體更大。這些發現——來自紐約州立大學視光學院的 Jose-Manuel Alonso 和馬克斯·普朗克佛羅里達神經科學研究所的 David Fitzpatrick 的實驗室——不僅解釋了伽利略的許多令人困惑的觀察結果，還解釋了我們體驗對比度本身的方式。
Alonso 在此處展示的一系列面部影像演示了淺色與深色處理如何在我們的日常視覺中發揮作用。在影像 1 中，我們有一張正常的彩色照片。在影像 2 中，我們以灰度檢視它。如果我們僅檢視影像中較暗的畫素（小於影像的中等亮度）與較亮的畫素（畫素中較亮的 50%），有趣的事情就開始發生了。
請注意深色畫素版本（3）是多麼清晰和精確。這一觀察結果源於以下發現：處理深色的神經系統以高解析度和精確的空間細節進行處理。在淺色畫素影像（4）中，對比度的感知很強烈，但細節丟失了。Alonso 的錯覺入圍了 2016 年年度最佳錯覺大賽的前 10 名。
研究人員發現，淺色處理神經元接收來自視覺場景更大區域的輸入（因此解析度較低），而深色處理神經元（因此解析度較高）則不然。在正常視覺中，深色和淺色處理系統協同工作以產生對比度，從而產生強大的效果。例如，在深色畫素影像中，眼睛的白色部分似乎比淺色畫素影像中的頭髮要淺得多，但是如果我們將兩者用一條顏色匹配的條帶連線起來，我們可以看到它們實際上是相同的。（請記住：深色影像中最亮的畫素與淺色影像中最暗的畫素的陰影相同——兩者都等於正常灰度影像的中等亮度。）這表明，感知到的細節或對比度的任何差異都必須是由大腦如何處理淺色與深色引起的。
圖片來源：GETTY IMAGES（女性）；JOSE-MANUEL ALONSO（面部系列）
黑白等效
現任澳大利亞悉尼大學的 Barton L. Anderson 和現任紐約大學的 Jonathan Winawer 已經將灰色表面可以根據其背景看起來是淺色還是深色的非凡事實推向了極限。 上面和下面的棋子是相同的，但是周圍雲層的變化使我們認為上面的棋子是白色的，下面的棋子是黑色的。 刪除多雲背景（右側的比較）消除了這種錯覺。 將軍！
圖片來源：摘自 BARTON L. ANDERSON 和 JONATHAN WINAWER 在 2005 年 3 月 3 日出版的《自然》雜誌第 434 卷中發表的“影像分割和亮度感知”