錯覺是異常現象，它能像虛構人物夏洛克·福爾摩斯透過專注於一個不尋常的事實來解決犯罪謎題一樣，向神經科學家揭示大腦神秘運作的線索。想想短語“那條沒有吠叫的狗”（在阿瑟·柯南·道爾的短篇小說《銀色馬》中）或失蹤的啞鈴（在柯南·道爾的小說《恐怖谷》中）。
也許最著名的此類視覺技巧的例子是幾何光學錯覺。在龐佐錯覺（a）中，義大利心理學家馬里奧·龐佐於 1913 年首次展示，一條水平線看起來比另一條水平線短，儘管它們是相同的。在繆勒-萊爾錯覺（b，第 46 頁）中，由德國精神病學家弗朗茨·繆勒-萊爾於 1889 年建立，由發散箭頭界定的線看起來比由會聚箭頭界定的線短——儘管它們也是相同的。
這些錯覺非常熟悉但又非常強大；對真實線長的瞭解並不能阻止或減弱它們的效果。我們知道是什麼原因導致了它們嗎？為什麼視覺系統會堅持犯錯，錯誤地感知如此簡單的東西，即使我們有意識地知道這是一個技巧？在我們探討這些問題之前，讓我們再介紹兩個眼睛謎題。
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在第 47 頁的 d 中，我們有一片陰影圓盤，它們被視為分散在腔體中的雞蛋。頂部淺色的圓盤看起來像凸起或雞蛋，其他的則像腔體。這種深度感來自於您的視覺系統的一種內建傾向，即假設光線從上方照射下來（畢竟，我們是在一個頭頂只有一個太陽的星球上進化而來的）。因此，大腦將頂部較淺的圓盤解釋為像雞蛋一樣是圓形的，而將頂部較深的圓盤解釋為腔體（因為如果從上方照射，空腔的底部會是淺色的）。在第 47 頁的 e 中，陰影梯度從左向右變化，深度感遠沒有那麼引人注目（標記看起來更平坦），並且更“雙穩態”（單個圓盤同樣可能被視為凸面或凹面，並且光源可以被視為來自任一側）。
到目前為止一切都很好。但我們也注意到，球體的感知亮度梯度——每個圓盤最亮和最暗部分之間的明顯亮度差異——似乎比隕石坑的淺。頂部淺色的圓盤的亮度梯度也顯得不如側面淺色的圓盤陡峭。為什麼？每個陰影圓盤的物理梯度完全相同（為了說服自己，請旋轉紙張）。
[分隔符] 恆常性聯絡
這兩組錯覺，幾何光學錯覺和梯度陡度型別，看起來完全無關。但兩者都揭示了視覺中的一個基本原理，稱為知覺恆常性。這種效應是指，儘管對於某個物體可能發生巨大的視網膜影像變化（這些變化是由視角、距離、照明和其他變數的變化引起的），但我們仍傾向於正確地觀察到該物體具有恆定的物理屬性（大小、形狀、顏色、亮度、距離等）。這一點並非微不足道。與攝像機不同，我們的大腦不僅僅“讀取”視網膜影像來感知物體。相反，我們根據知識和背景來解釋它。例如，恆常性在光照變化的情況下引導我們。信不信由你，當在陽光下觀看時，報紙的黑色墨水比在光線充足的夜間房間中觀看時，白紙具有更高的絕對亮度（由光度計測量的物理光強度）。然而，我們認識到物體的真實特徵及其相對亮度：儘管光照條件不同，但我們將其體驗為白色紙張上的黑色字型，並且實際上不能感知絕對亮度。
另一個例子，與我們的幾何錯覺更相關的是大小恆常性，或者將物體識別為大小恆定的傾向，無論它是在近處還是遠處。如果您看到一個人朝您跑來，他在您視網膜上的影像會放大，儘管您並沒有看到他膨脹。您的大腦會無意識地考慮到距離並正確地解釋大小。同樣，如果一個人躺在地上，腳朝您伸出，他腳的視網膜影像是他頭部大小的兩倍，但您不會看到一個頭部小、腳巨大的小頭畸形人。您看到的是一個身材比例正常的人，他的腳比他的頭更靠近您。
但是大小恆常性如何解釋我們的幾何錯覺呢？這種現象源於一種深度線索，稱為線性透視，每個視覺藝術家都熟悉它。當恆定大小的物體向遠處移動時，它會在您的視網膜上投射一個較小的影像。這種縮小隻是光學的簡單結果；它與感知無關。現在考慮當您站在平行鐵軌中間並沿著鐵軌的長度注視時會發生什麼。鐵軌保持平行，鐵軌之間的枕木沿其長度方向保持恆定大小，但生成的視網膜影像或鐵軌的任何二維投影（例如照片或線條圖）顯示鐵軌之間的空間和枕木的相應大小隨著距離的增加而縮短。同樣，這個結果來自簡單的光學原理，而不是感知。在感知世界中，我們的大腦在很大程度上糾正了這種線性透視，我們將鐵路解釋為直線和平行，並將枕木解釋為大小恆定。您正確地將大小變化歸因於距離，而不是大小的變化。
[分隔符] 匯聚在一起
現在再看看龐佐錯覺。考慮會聚線；像鐵軌一樣，它們暗示平行線延伸到遠處。像鐵軌枕木一樣，水平線段是在這些會聚線的背景下解釋的，因此被視為存在於不同的距離處。然而，在龐佐錯覺中，兩個水平線段被繪製成完全相同的長度（與鐵軌枕木不同，鐵軌枕木的長度會隨著距離的增加而變小）。因為它們是在會聚線的背景下解釋的，並且看起來位於不同的距離處，所以大腦應用恆常性校正，因此頂線看起來比底線長。這就像大腦在推理：“一條水平線更遠，所以如果它與另一條水平線的物理長度相同，它應該在我的眼睛中投射一個較小的影像。但是因為影像大小相同，所以它必須是由一條更長的線在更遠的地方產生的。”即使觀察者可能對會聚線沒有任何深度感，也會發生這種校正。
因為頂線被特意繪製成與底線相同的長度，所以大腦錯誤地應用了這條恆常性規則，您會感覺到它看起來異常長。底線的情況正好相反；它看起來人為地短。英國布里斯托爾大學的神經心理學家理查德·L·格雷戈裡將這種現象稱為不適當的恆常性縮放。您負責深度、距離和大小的視覺模組在自動駕駛儀上執行任務，無需您有意識地思考。即使我用尺子向您展示這兩條線是相同的，這種高層次的有意識知識也無法“糾正”恆常性機制從自下而上發出的訊號。
格雷戈裡還為繆勒-萊爾錯覺（b）提出了一個令人愉快的尺寸恆常性解釋。他指出，這種錯覺的輪廓與觀察建築物外邊緣或房間內角（c）時遇到的輪廓相同。在三維世界的這種二維投影中，房間的內角被視為更遠；尺寸縮放被觸發，併產生對不同線長的錯誤感知。與龐佐錯覺一樣，雖然深度是由這個圖形暗示的，但不需要有意識地體驗到它。格雷戈裡提出，透視線直接設定了恆常性縮放，因此無需判斷距離。
現在讓我們回到雞蛋和腔體。我們已經解釋了深度錯覺是基於光線從上方照射的內建假設。但是，為什麼與側面照明的圓盤或底部照明的腔體相比，頂部照明的雞蛋看起來表面反射率（亮度）更均勻？在這裡，我們需要呼叫亮度恆常性的類似現象——大腦提取物體表面真實反射率的能力，而不是由照明引起的亮度變化。
首先，考慮一個頂部淺色的雞蛋。大腦假設太陽在您上方，而一個真正的雞蛋會準確地傳達這種亮度變化模式——亮度梯度從頂部逐漸降低到底部。因此，您將其視為雞蛋或凸起，而不是平坦的陰影圓盤；這是“最佳擬合”假設。但隨後大腦實際上會說：“亮度變化——頂部淺色——顯然不是來自物體本身，而是因為它是從上方照射的，所以我將把它視為反射率均勻的。”這種亮度恆常性效應意味著，如果您在顯示器中沒有看到深度，就不會有亮度恆常性，實際上您會看到頂部比現在看起來亮得多，而底部則暗得多。
現在，為什麼同樣的論點不適用於在 e 中看到的側面淺色的雞蛋，尤其是考慮到亮度梯度完全相同？這是因為大腦不習慣側向照明。因此，深度印象較弱，亮度變化（亮度恆常性）的校正也相應較弱。因此，感知到的亮度梯度看起來比 d 中頂部淺色的雞蛋更陡峭。
同樣的推理適用於腔體。由於內反射現象（光線從真實腔體的內部牆壁反射，部分抵消了由照明產生的梯度），大腦“期望”腔體中的照明梯度小於雞蛋中的照明梯度。因此，它僅對前者微弱地應用恆常性校正。這種較溫和的校正在真實世界中就足夠了，但 d 中人造腔體的陰影在物理上與雞蛋的陰影相同（儘管是倒置的）。因此，感知到的亮度梯度高於雞蛋的亮度梯度。第二個原因是腔體不如凸起常見，因此視覺系統不太擅長這種恆常性校正。
我們提出了這些複雜的論點，以強調即使是世界上非常微妙的統計方面也作為規則內建到視覺系統中。我們可以設計非常簡單的顯示，從中我們可以使用線索——就像夏洛克·福爾摩斯一樣——來幫助解開視覺感知的奧秘。