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从视觉神经系统研究视错觉现象

2015-3-20 21:47| 发布者: admin| 查看: 3458| 评论: 0

简介:    1.引言  视错觉现象随处可见,但对其产生的原因较难完整统一地加以解释这是人类视觉系统和它时外界信息提取及处理过程的复杂性所决定的。当人或动物观察物体时,基于经验主义或不当的参照形成的错误的判断 ...
  

  1.引言

  视错觉现象随处可见,但对其产生的原因较难完整统一地加以解释这是人类视觉系统和它时外界信息提取及处理过程的复杂性所决定的。当人或动物观察物体时,基于经验主义或不当的参照形成的错误的判断和感知,这就是所谓的视错觉现象。视错觉可分为背景错觉、侧抑制、缪勒莱耶错觉、深度错觉、视觉后像等多种类型,它能从独特的角度显示出视觉系统的认知功能和机理,因此研究错觉原理,建立合适的数学模型和计算机模拟模型,对心理学、生理学和计算机视觉等领域的发展有着重要的意义和应用前景。

  2.正文

  视错觉就是当人或动物观察物体时,基于经验主义或不当的参照形成的错误的判断和感知。我们日常生活中,所遇到的视错觉的例子有很多。如图1中的A和B是同样大小的,下图中间的圆圈也是同样大的,但在我们看到的却是一大一小。

  当把两个有盖的桶装上沙子,一个小桶装满了沙,另一个大桶装的沙和小桶的一样多。当人们不知道里面的沙子有多少时,大多数人拎起两个桶时都会说小桶重得多。他们之所以判断错误,是看见小桶较小,想来该轻一些,谁知一拎起来竟那么重,于是过高估计了它的重量。这就是人类的视错觉现象。

  人类研究视错觉的历史可以追溯到公元前4世纪亚里士多德(Aristotle)观察瀑布时记录的运动后效(after-effect),柏拉图(Plato)也曾指明人类永远不可能完全避开错觉去认识一切真相。后来几千年里,视错觉一直处于曲解的位置上,直至19世纪末德国E.Mach发现侧抑制现象时还未获得足够重视【1】。

图1

  随着20世纪初德国格式塔(其核心思想是整体大于局部之和)理论逐渐传播,相关研究才逐渐发展。该领域初期多采用行为实验等传统心理学方法获得推论,随着生物实验技术水平的提高和20世纪60年代,S.Coren和JS.Girgus在几何错觉研究中引入系统论方法,其重心逐渐转向神经生物学和计算机领域,设计实验发现相关神经基础来提出和论证心理学说,模拟符合人类视觉机制的数理算法,以促进认知心理学、神经生理学和计算机视觉领域的发展.。

  2.1视觉的形成

  人眼呈球形,由巩膜所包围,巩膜在前方与透明的角膜相接。角膜之后为晶体,相当于照相机的镜头,是眼睛的主要屈光系统。在晶体和角膜间的前房和后房包含房水,在晶体后的整个眼球充满胶状的玻璃体,可向眼的各种组织提供营养,也有助于保持眼球的形状。在眼球的内面紧贴着一层厚度仅0.3毫米的视网膜,这是视觉神经系统的周边部分。在视网膜与巩膜之间是布满血管的脉络膜,对视网膜起营养作用。

  角膜和晶体组成眼的屈光系统,使外界物体在视网膜上形成倒像。角膜的曲率是固定的,但晶体的曲率可经悬韧带由睫状肌加以调节。当观察距离变化时,通过晶体曲率的变化,使整个屈光系统的焦距改变,从而保证外界物体在视网膜上成象清晰。在角膜与晶体之间,有虹膜形成的瞳孔起着光阑的作用。瞳孔在光照时缩小,在暗处扩大来调节着进入眼的光量,也有助于提高屈光系统的成象质量,瞳孔及视觉调节均受自主神经系统控制。眼球的运动由六块眼外肌来实现,这些肌肉的协调动作,保证了眼球在各个方向上随意运动,使视线按需要改变。视网膜是一层包含上亿个神经细胞的神经组织,按这些细胞的形态、位置的特征可分成六类,即光感受器、水平细胞、双极细胞、无长突细胞、神经节细胞,以及近年新发现的网间细胞。其中只有光感受器才是对光敏感的,光所触发的初始生物物理化学过程即发生在光感受器中。

  光感受器按其形状可分为两大类,即视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞的视色素叫做视紫红质,它具有一定的光谱吸收特性,它是一种色蛋白,由两部分组成,其一是视蛋白;另一部分为生色基团--视黄醛,是维生素A的醛类。在强光照射后,视紫红质大部分被漂白。随着视紫红质的复生,视网膜的对光敏感度逐渐恢复,这是暗适应的光化学基础。当动物缺乏维生素A时,视觉循环受阻,会导致夜盲。视锥细胞的视色素的结构与视紫红质相似,所不同者为视蛋白的类型;其分解和复生过程也相似。

  图2是人的视觉成像经过。当外界物体反射来的光线带着物体表面的信息经过角膜、房水,由瞳孔进入眼球内部,经聚焦在视网膜上形成物象(如一)。物象刺激了视网膜上的感光细胞,这些感光细胞产生的神经冲动,沿着视神经传入到大脑皮层的视觉中枢,即大脑皮层的枕叶部位,在这里把神经冲动转换成大脑中认识的景象(如二)。这些景象的生成已经经过了加工,是"角度感"、"形象感"、"立体感"等协同工作,并把图像根据摄入的信息在大脑虚拟空间中还原,还原等于把图像往外又投了出去(如三)。虚拟位置能大致与原实物位置对准,这才是我们所见到的景物(如四)。

  

  2.2视错觉的形成原理

  2.2.1马赫带效应

  马赫带效应(Machbandeffect)是物理学家兼哲学家马赫(E.Mach)于1865年首先说明的。它为主观的明度感觉视亮度与被视物体表面光亮度之间并不成简单的比例关系提供了一个基本的证明。它是指视觉的主观感受在亮度有变化的地方出现虚幻的明亮或黑暗的条纹,马赫带效应的出现是人类的视觉系统造成的。

 
                                    图3马赫带效应示意图

  如图4所示,图中虚线表示刺激图像的实际光亮度分布,实线表示观察者所感觉到的图形中的亮度分布客观的图形中,左侧高亮度区(α-β区)内刺激强度是相同的,右侧低亮度区(γ-δ区)内刺激的强度也是相同的,中间区(β-γ)内的光亮度从高到低均匀下降,而观察者的主观感觉在刺激强度开始发生改变的区域附近产生了比实际的亮度改变明显得多的视亮度差别,即观察者感觉到一条明显的亮带和一条明显的暗带,显然这种明带和暗带在客观上并不存在,而是在观察者的视觉系统中产生的。

  

  目前最为人们所接受的解释马赫带的理论是哈特林(H.K.Hartling)等人在生物物理学基础上提出的神经细胞间侧向相互抑制理论,即马赫带是视网膜上邻近的神经细胞之间侧向相互抑制的结果,侧向抑制在梯级的每一边缘处起着提高对比度的作用。

  2.2.2克里克评述

  对于视错觉,英国生物学家克里克曾给出的三点评述:

  (1)看到的不一定是真的

  我们通常认为我们能以同样的清晰度看清楚视野内的任何东西,但如果我们的眼睛在短时间内保持不动,就会发现这是错误的。只有接近注视中心,才能看到物体的细节,越偏离视觉中心,对细节的分辨能力越差,到了视野的最外围,甚至连辨别物体都困难。在日常生活中这一点之所以显得不明显,是由于我们很容易不断移动眼睛,使我们产生了各处物体同样清晰的错觉。如图5所示图片。

  
                                                        图5静止图像的运动

  (2)眼睛提供的视觉信息可能是模棱两可的

  眼睛提供给我们的任何一种视觉信息通常都是模棱两可的,它本身提供的信息不足以使我们对现实世界中的物体给出一个确定的解释。事实上,经常会有多种可信的不同解释,但某一时刻只能有一种解释,不会出现几种解释混合的奇特情况。对视觉图象的不同解释是数学上称为"不适定问题"的例证。对任何一个不适定问题都有多种可能的解,在不附加任何信息的条件下,它们同样都合理。为了得到真实的解,需要使用数学上所谓的"约束条件"。视觉系统必须得到如何最好解释输入信息的固有假设。我们通常看东西时之所以并不存在不确定性,是由于大脑把由视觉景象的形状、颜色、运动等许多显著特征所提供的信息组合在一起,并对所有这些不同视觉线索综合考虑后提出了最为合理的解释。

  (3)看是一个构建过程

  大脑并非是被动地记录进入眼睛的视觉信息,而是主动地寻求对这些信息的解释。一个突出的例子是"填充"过程,如和盲点有关的填充现象。盲点是因为联结眼和脑的视神经纤维需要从某点离开眼睛,因此在视网膜的一个小区域内便没有光感受器。但是尽管存在盲区,我们的视野中却没有明显的洞,这说明大脑试图用准确的推测填补上盲点处应该有的东西。

  2.2.3深度知觉

  深度知觉(depthperception)又称距离知觉或立体知觉。这是个体对同一物体的凹凸或对不同物体的远近的反映。视网膜虽然是一个两维的平面,但人不仅能感知平面的物体,而且还能产生具有深度的三维空间的知觉。这主要是通过双眼视觉实现的。有关深度知觉的线索,既有双眼视差、双眼辐合、水晶体的调节、运动视差等生理的线索,也有对象的重叠、线条透视、空气透视、对象的纹理梯度、明暗和阴影以及熟习物体的大小等客观线索。根据自己的经验和有关线索,单凭一只眼睛观察物体也可以产生深度知觉。用视觉来知觉深度,是以视觉和触摸觉在个体发展过程中形成的联系为基础的。通过大脑的整合活动就可作出深

  度和距离的判断。但个体在知觉对象的空间关系时,并不完全意识到上述那些主、客观条件的作用。

  2.3视错觉的分类

  视错觉目前有背景错觉、侧抑制、缪勒莱耶错觉、深度错觉、视觉后像、填充错觉、透视错觉、伪装错觉、知觉模糊、透明错觉、轮廓错觉、似动错觉等多种类型【2-3】。视感知的复杂性使认知在不同层次上形成不同种类的视错觉,如轮廓错觉中的Necker立方体和细胞群错觉中的颜色后效,前者基于不同组神经元群体竞争结果,后者基于单个视神经节细胞(ganglioncell)自身特性;而同种类的视错觉可能表现为不同现象,如Hermann栅格和颜色后效都可用细胞群错觉的神经节细胞特性解释,但分属视网膜上的侧抑制和脑纹外区加工后V4-complex区发生的错觉【4】。

  2.4.视错觉现象的应用

  视错觉的应用大量存在于现实生活和专业研究中.德国物理学者CarlPulfrich于1922年指出,当我们把中性密度的滤光片放在一只眼睛前9另一只眼睛前没有)去观察单摆(或钟摆)的运动时,我们会看到摆球似乎在沿平面椭圆形轨道运动,这就是所谓的普尔弗里希现象。而美国EPIndustries公司以Pulfrich现象为核心研制出优于3-D的Circlescan4-D技术【5】,使看立体电影所需佩戴的特制眼镜从两片偏振片变为一片灰滤光片和一片透明镜片,成本大大降低;基于侧抑制模型的去除单张内窥镜图像高光算法被应用在医学电子内窥镜系统软件平台中,具有侧抑制机制的神经网络和视觉系统模型则被用于红外噪声配准、红外制导、图像预处理、图像增强、联想记忆等领域中。

  除此之外,视错觉现象在平面艺术设计、建筑工程、脑科学临床研究、跨文化心理学、运动员与飞行员训练、服饰形象设计、道路交通、电影艺术等方面也是应用非常广泛。

  3.总结

  视错觉是人类生活中的一种常见的现象,人们在观察事物时,常常会在客观因素干扰下或者自身的心理因素支配下,对图形产生的与客观事实不相符的错误的感觉,从而产生视觉上的错位。本文研究了视错觉现象形成的原理以及应用前景,认为视错觉是综合信息处理生理机制和心理认知的多层次过程,不同层次上形成不同种类的视错觉,不存在仅产生视错觉却不响应正常刺激的神经组织,视错觉产生主要是因为主观线索和先验知识等导致心理认知发生变化,以及在此基础上具体神经活动的差异。心理学家之所以热衷于研究视错觉,就是因为视觉系统的部分功能缺陷恰恰能为揭示该系统的组织方式提供某些有用的线索。

  视错觉的神经机制是由于错觉与相应的真实知觉具有非常接近的神经活动,其神经关联具有重叠性,即错觉发生的神经活动包含了相应的真实知觉发生的神经活动。这些错觉发生无须具有不同于相应真实知觉发生的特定神经关联。

  参考文献

  【1】EAGLEMANDM.Visualillusionandneurobiology[J].NatureReviewsNeuroscience,2001,2:920-926。

  【2】孔斌.人类视觉与计算机视觉的比较[J].自然杂志。,2001,24(1):51-55。

  【3】NIEDERA.Seeingmorethanmeetstheeyeprocessingofillusorycontoursinanimals[J].JournalofComparativePhysiologyA::Neuroethology,Sensory,Neural,andBehavioralPhysiology,,2002,188,249-260。

  【4】任旭明.主观轮廓的研究及其理论[J].华南师范大学学报,1996(4):29-34。

  【5】孙为民,刘宪国.Pulfrich(普尔弗利希)现象分析[J].高师理科学刊,2005,25(4):23-24。

  【6】刘宏,李哲媛,许超.视错觉现象的分类和研究进展.智能系统学报,2011年2月第6卷第1期。

  【7】傅玉川,王植恒.视错觉现象研究.自然杂志,1992,05期。

  【8】李小健,刘东台.视错觉产生的神经机制.心理科学进展,2008年04期.

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