計算機的運算速度驚人,但它們無法與人類視覺系統驚人的能力相提並論,後者能夠從影像中模糊的碎片中組裝成連貫的畫面。大腦似乎毫不費力地專注於正確的解釋,它利用對世界統計資料的內建知識來消除不可能的解決方案。
晚期義大利心理學家蓋塔諾·卡尼扎和理查德·L·格雷戈裡(現任英國布里斯托爾大學神經心理學榮譽教授)著名的虛幻矩形(a)生動地說明了感知的這種解決問題能力。您的大腦認為,某些惡意的科學家以這種方式故意對齊四個吃豆人是非常不可能的,而是將其簡約地解釋為一個白色的不透明矩形部分覆蓋了背景中的四個黑色圓盤。值得注意的是,您甚至會填充或“幻覺”出幽靈矩形的邊緣。視覺的主要目標似乎是分割場景以發現物體邊界,以便您可以識別它們並做出反應。
現在,您可能會認為僅僅共線邊緣的存在就足以讓大腦“完成”間隙,但(b)駁斥了這一論點。透過比較(b)中虛幻輪廓的缺失與(a)中虛幻輪廓的存在,我們得出結論,關鍵線索是隱含的遮擋。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道: 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
在(c)和(d)中,我們將(a)疊加在磚塊背景上。請注意,在(d)中,虛幻輪廓消失了。大腦意識到矩形必須是不透明的才能遮擋四個黑色圓盤。但是如果它是opaque的,磚塊怎麼能透過它看到呢?所以大腦拒絕了這種感知。
在(c)中,磚塊對齊,使得邊緣與吃豆人的邊緣重合。遮擋矩形重新出現;實際上,它比單獨的虛幻輪廓更生動。當關於邊緣的多個資訊來源(在這種情況下,磚塊的亮度定義的側面和由遮擋暗示的虛幻側面)在空間上重合時,大腦將這種匯合視為該邊緣是真實的有力證據。
那麼我們如何解釋(e)中虛幻矩形的消失呢?從邏輯上講,它可以解釋為紋理矩形遮擋了背景中的四個灰色圓盤。為了理解這種異常現象,我們需要呼叫“硬體”而不是“軟體”解釋。請注意,我們已將紋理的平均亮度與吃豆人的平均亮度相匹配。您大腦中提取虛幻邊緣的神經元只能識別由亮度差異定義的那些邊緣,這是因為神經元的進化方式。由於顯示器中的吃豆人是由紋理而不是亮度的差異定義的,因此即使情況的“邏輯”指示應該看到虛幻輪廓,也看不到虛幻輪廓。
在(f)中,我們將虛幻圓疊加在簡單的亮度漸變上。有趣的是,圓圈包圍的區域似乎向您凸出,特別是當您眯起眼睛稍微模糊影像時。大腦推斷漸變必須來自上方照明的曲面,而虛幻圓與這種印象相互作用,產生球體的最終解釋。然而,如果我們將一個“真實”的、由實際基於亮度的邊緣製成的細黑色輪廓圓疊加在漸變上,則不會出現凸起。這一發現引出了一個我們發明的、旨在惹惱哲學家的悖論格言——即,虛幻輪廓看起來比真實輪廓更真實。這種亮度邊緣可能在視覺場景中出於多種原因而出現——例如,陰影的邊緣或斑馬的條紋。它們不一定意味著物體邊界。
1961年,神經生物學家大衛·H·休伯爾和託斯頓·N·威塞爾(當時都在哈佛大學)發現了視覺的基本字母表(他們後來因努力理解視覺系統中的資訊處理而分享了諾貝爾生理學或醫學獎);區域 17 和區域 18(位於枕葉中)中的單個神經元僅在螢幕上的特定位置(“感受野”)顯示特定方向的線條時才會放電。它們中的許多僅對特定長度的線做出反應——如果線更長,它們將停止放電(“末端停止細胞”)。神經生理學家魯迪格·馮·德·海德特(Johns Hopkins University)提出,這些細胞正在發出隱含的遮擋訊號,有效地切斷了這條線,並且果然,這些細胞對虛幻輪廓做出反應。
您可以在自己的大腦中證明這種細胞的存在。如果您持續盯著(c)右側的紅點,您會注意到幾秒鐘後虛幻矩形會褪色,即使您仍然看到磚塊和吃豆人。發出虛幻邊緣訊號的細胞因穩定注視而“疲勞”,這會過度啟用它們並耗盡它們的化學神經遞質。如果您移動眼睛,它們會重新出現,因為招募了一組新的細胞。顯然,這些虛幻輪廓細胞比發出磚塊和吃豆人真實邊緣訊號的細胞更容易疲勞。
最後,看看卡尼扎設計的(g)。它最初看起來像一個不透明的水平矩形,上面有孔,您可以透過這些孔看到另一個(水平)矩形。但是經過一番努力,您可以“想象”它是一個半透明的類似面紗的較小矩形,位於較大矩形上的黑洞(或圓盤)的頂部,突然您會看到虛幻輪廓“完成”了跨越孔洞的間隙。因此,可以將包含透明度物理定律的複雜影像分割規則“應用”於場景。視覺處理最早階段的細胞可能會發出虛幻邊緣訊號,但基於視覺注意的自上而下的調節可以根據與場景的整體一致性來拒絕或接受輪廓。
