“视觉错觉”说法靠谱吗？

Is it just appropriate to call "visual illusion"?

都世民

2017-01-10，尹家鹏 在中国科学院神经科学研究所发文：“视觉错觉：人类大脑是如何被自己欺骗的？”

2019-03-01,尹家鹏又在《科普时报》发文，“视觉错觉：人类大脑是如何被自己欺骗的？”。

两篇文章标题相同，内容有些不同，主要观点是一致的。［1，2］

在网络上也有不少类似文章［3-6］，笔者对此做一些讨论。

什么是“视觉错觉”？

人们的视感官获得的视觉与图片中的物理参数不匹配的现象称作”视觉错觉”［1］。产生这种现象有很多种，对其原因分析也多种多样。如今给出的错觉图形，五花八门，形式各样，图片中的物体都是三维的，而图片是两维的平面图，这两者就不匹配。两维的图片，能给出三维的图形吗？一间平房可以在一张纸上画出，但线条的长度，不能反应平房的实际尺度，所以建筑图纸都不是一张平面图，对房子内外，要用多张图纸，才能表示清楚。

我们每一个人，上小学、中学和大学，都有图形的知识，小学数学中，有图形识别。在中学有平面几何和立体几何，在大学要学制图。这不同层次的图形知识，是我们日常生活中，经常用到的。

然而在这些视觉错觉图形中，有些是比较复杂的，通常是表示三维物体的一幅平面图形。用这类图形，很难表示立体物体的实际尺度。

平面图像有黑白和彩色，也有黑白和彩色混合的图形，这三类图形会出现什么问题？这是视觉错觉讨论的问题之一。

一幅复杂的视频图像，不同的人观看会有不同的结果，这也是视觉错觉讨论的问题。

“视觉错觉”有哪些表现？

由于上述问题，就引发了一些看法，可归纳如下：

1）每年在佛罗里达召开的视觉科学年会（VSS，Visual Science Society）上，都会评出当年最出色的十大视觉错觉。这些视觉错觉图形是怎么形成的？

2）你不要相信你的眼睛，不能相信你看到的一切。

3）眼见为实，眼见不一定为实。

4）棋盘格上亮度错觉。

5）水彩错觉。

6）旋转之蛇错觉。

7）Pinna旋转运动错觉。

8）几何视错觉。

9）“透视错觉”

10）人类大脑是如何被自己欺骗的？

“相由心生”还是“像由脑生”？

相由心生还是像由脑生？这是讨论视觉错觉的最基本问题，可是要回答这个问题，是异常复杂的，在国内外对这个问题是有争议的，它涉及到很多因素，例如人的眼睛的构造，光学特性和机理，光信号是怎样变成为电信号？人与人之间其眼睛有那些差异？人的意识是怎么产生的？人的视觉的反馈通道在哪里？视觉错觉的确切定义是什么？人的眼睛的宏观与微观怎么统一？如此等等。笔者在新近发表的一书中有详细讨论。［7］

“相由心生”的百度百科词条中［8］，唯物主义观点认为：人的眼睛就是一部光学仪器，我们所能看到的圆的、方的、扁的、高的、矮的、黑的、白的、红的东西都是光线经过我们的眼睛变焦投射到视网膜上成像，这个像刺激视觉细胞产生脑电波再传导到大脑皮层，于是我们“觉”到了像。也就是说，我们“看”到的“像”不是眼外之物本身，而是“觉”到的由“心”所间接生成的像（只是这个过程时间非常短暂，我们觉察不到），而在一般概念中，又把这些“像”称为“相”，所以才有“相由心生”之说。

《金刚经》为什么说：“凡所有相，皆是虚妄”呢？因为从“相由心生”的角度看，相本质上不过都是些“脑电波”而已。 怎么证明这些都是脑电波呢？多学科专家认为脑电波，是细胞的生物振子同步的效应。［9］

要讨论“相由心生”，这相来自哪里？首先是来自眼睛，眼视周围物体，又必须有光。郭光灿院士发文：光究竟是什么？在文中提出一个问题：3米以远能看见一缕烛光吗？[10]

上了年纪的人都知道这个问题，是不成问题的问题，不用说3米就是30米也能看见烛光。郭先生从自已从事的光学专业提出此问题，因为烛光光强可测量，而光强随离光源距离增加是衰减的。这是开普勒和麦克斯韦理论所指出的，按此理论计算离烛光3米远时，肉眼见不到烛光。难道西方名家说的错了吗？自然科学研究的结论不适用吗？郭先生换了一个角度，从人眼找答案。

一支烛光人眼可见，近处可见烛、烛芯、烛光及火焰，还有气味。到远处可见烛光，却不见烛和火及焰，也看不见烛芯。这“相”在变，如果远至1公里外，还有烛光吗？这相由实变成虚妄。如果我们用脑区来解释这些现象，是解释不通的。

总之，“相由心生”与“像由脑生”是東西方文化和科学探索的不同之处，这是探索小宇宙不同的思维模式，我们要创新必须走自己的路。

人眼机理的科学属性与“视觉错觉”的关联

人眼机理的科学属性可以从以下几方面讨论：

1）人眼机理的科学属性的局限性；2）人眼机理的科学属性的统一性；3）人眼机理的科学属性的复杂系统性；4）人眼机理的科学属性的多学科交叉融合。

对上述几种属性的认识是近些年来国内外科学家研究的热点：

1）人眼机理的科学属性的局限性

公元前1324至1266年，在河南安阳出土甲骨文中，载有“贞王弗疾目”、“大目不丧明”、“其丧明”等，表明当时已将视觉感官用“目”命名。眼病称“疾目”。眼失明称“丧明”。

“盲”分成两种:

•春秋时期，《书经》载有“瞽奏鼓”。

•《诗经》载有“矇眸奏公”。据《毛传》解释：“有眸子而无见曰“矇”，无眸子曰“瞍””。在《辞海》中指出：是出自《诗经》。这表明当时已将“盲”分成两种，眼球完好的“盲”称作朦；眼球塌陷的“盲”称作瞍。

几千年来，人眼的科学探索仍将眼晴分家，眼球与视网膜分离，前者为宏观，后者为微观，两者不在同一层面。其间有1mm间隙，无人研究，是名符其实的研究盲区。如果在宏覌层面，1mm是间隙。在微观层面就是一个很大区域。有些专家学者明知科学有局限性，却忽略。以为微观研究才是科学先进的标志。甚至认为中国无科学，无科学土壤。

2）人眼机理的科学属性的统一性

在人眼探索中，出现宏覌层面与微观层面背离，要不要统一？同在一个小宇宙应该统一。

1854年，科学家麦克斯韦还是年青时代，就开始研究人眼和动物眼睛，发表了“鱼眼透镜”的论文，提岀了“变折射率”的概念。麦克斯韦还想弄清动物眼的色感之谜。
如今在百度网和道客巴巴网文庫中，搜索与眼相关的论述，都认为人眼是宏观成像装置，人眼的屈光系统被看成是“照相机”。在中国百科网，有专家编写的词条，把眼睛看成光学仪器。在生物学未探明视网膜结构之前，都是以宏观光学视角给出的成像原理。而微观电磁学是因为无需求，无学者关注的原因，使很多人不知道新的学科---微小光学已经诞生了。

显微技术的出現和不断发展，电子学由小型化到微型化和纳米化。电子电路由分立元件变为集成电路，又发展为大規模集成和芯片化。生物学发现细胞，发现视网膜上有两种視细胞等微观结构。而光学从赫兹发明光电效应后，爱因斯坦提出光量子概念来解释光电效应，把宏覌光学推向微观层面，直到激光器等出現，光学迈入了微覌光学。有的专家称作微小光学、微光学。

微小光学的出现将眼球从宏观推向微观。1974 年，我国龚袒同教授提出变折射率概念。变折射率介质的折射率不是常数，而是按一定规律变化的。因此，变折射率介质是一种非均匀介质，也有人称为梯度折射率介质（GRIN）或渐变折射率介质。

微小光学专家认为人眼是成像装置，与过去传统解读不同的是，这里的成像多了变折射率透镜的引入，改变了原先双凸透镜成像的解读。微小光学专家介入这项研究，不一定了解视网膜结构，在这里变成多学科汇集点，也是难点。视网膜上视细胞尺寸是微米尺度，细胞间距是纳米尺度，工作波长也是纳米尺度，使问题复杂化。

1944年，R.K.Luneburg[13]对麦克斯韦“鱼眼透镜”作了进一步研究，提出了一种折射率分布对某点呈球对称的折射率分布模型。此后在中国的一些专著中有论述，笔者早年就注意到“龙伯”透镜天线。

天线前輩清华大学前系主任扬弃疾教授就曾撰文讨论“鱼眼透镜”。中国百科网有他写的词条。

在天线专著中有专门介绍：钟顺时编，的“天线理论与技术”书中，有一节“变折射率透镜天线”。

人眼玻璃体是球形，微小光学称为“水晶体”，是变折射率透镜。生物学和医学中对眼球论述有水晶体，不是指玻璃体。其实眼球与R.K.Luneburg龙伯透镜有关联。

刘德森和郎贤礼等，在研究梯度折射率（GRIN）透镜像差基础上，提出了两种改善梯度折射率（GRIN）透镜像差的工艺。

在天线领域，对这类透镜天线，沿用1854年，麦克斯韦“鱼眼透镜” (MFE) 这一名称，即“Maxwell Fish-Eye Lens ”。目前研制热点集中在半球形状，有的饋源置于球心处，研究者通过改进人工电磁材料性能，来提高“鱼眼透镜”天线的性能。

不仅如此，人眼眼球的转动形成视扫描，其生物学解读是眼外肌，这是宏观层面与视网膜和视神经钎维的微观层面不匹配的又一表现。这是自然科学研究的局限性的具体表现。

3）人眼机理的科学属性的复杂系统性和多学科交叉融合

以上叙述中可以看出：微小光学和天线等多学科对变折射率介质透镜的研究，并将其与人眼眼球的关联，既改变了眼球的光学属性，也将眼球从宏观变为微观，还将眼球与视网膜构成新的系统。既可以排除人眼成像是倒像，还可以解释色感成因、人眼视距、扫视、跟踪、定位、识別、分辨等多功能属性。

必须指出：这些研究进展展示了人眼的复杂和系统性。没有理由再认为人眼是照相机。也不能解读为，将影像打散成数以百万计的小片段，内含诸如颜色、线条、形状、深浅和动作等数据，再通过许多协同合作的神经途径重新组合影像。

将眼球看成是一部全自动聚焦成像图像采集系统，是不确切的，它不是数码相机。

这些研究也展示了多学科交叉融合的特点。是多学科研究促进了人眼研究的统一和深化。

人的眼睛是照相机吗？

曾记得上个世纪50年代末，笔者上中学物理课时，课夲用照相机的原理解读人的眼睛的屈光机理。如今在百度网，眼科专家对人眼结构的论述，仍然把人的眼睛看成照相机。中科院脑神经研究所专家仍然将人眼看成为照相机。

上海新视界眼科医院近视专科手术专家  李海燕博士详解眼球结构，他把眼睛的结构比作照相机。

把眼睛的结构比作照相机

光首先进入眼球的透明角膜。角膜上皮层有十分敏感的感觉神经末梢。

瞳孔好像照相机的光圈。晶状体好像照相机的全自动变焦镜头，位于瞳孔虹膜后面，呈双凸透镜。视网膜好像照相机的胶卷，起感光功能。感光最敏锐的那部分，称为黄斑。感光的细胞主要是视锥细胞和视杆细胞。视锥细胞主要负责明亮视觉和色觉，视杆细胞主要负责阴暗视觉。脉络膜-是照相机的暗箱。主要由血管组成。物像是在视网膜上形成的，而视觉是在大脑皮层的视觉中枢产生的。

在百度百科网页上搜索“眼球成像”词条的另一种解读为：[11]

人类的眼睛所成的像，是实像还是虚像呢？人眼的结构相当于一个凸透镜，那么外界物体在视网膜上所成的像，一定是实像。根据上面的经验规律，视网膜上的物像似乎应该是倒立的。我们看见的任何物像是正立的。当物体与透镜的距离小于焦距时，是虚像。

人眼不是照相机的理由

上述解读人眼构造和机理的问题是：

•光是人眼視物的前提，没有光源，人眼不可能成像；

•用几何光学法分析人眼屈光部分，需要进行必要的修正；

•視网膜不是相机底片，如果是相机的说法成立，黑白或彩色相机是有底片的，数码相机是没有底片的。因此把人眼看成是相机是有问题的；另外黑白和彩色是不同的，这也说明人眼是相机的说法是有问题的；

•原来的相机是模拟信号，现在的相机是数字信号，而人眼的信息到底是什么信号？现在并没有证明是哪一种！

•人眼是相机的说法得到的图像是倒像，而我们实际看到的不是倒像；

•人眼可以扫描、跟踪、定位、识别、分辨，这几种功能照相机是无法做到的；

•人眼是相机的说法既包含了宏观层面，也包含了微观层面，这之间缺少链接；

•人眼的眼球与视网膜之间，有一毫米的间隙，在微观层面，它是一个很大的区域，是研究盲区，这是将眼球与视网膜分离，也是宏观与微观的不统一，它是多学科的交汇点；

•人眼的色感机理至今不明，如果把人眼的感官细胞看成为矢量，就能够解释色感机理；

•按生物学观点，人眼的信号是将光信号变成电信号。却不认为光信号是交变电磁场，电信号只有离子通道的电流，没有磁流，没有场的信号;

•晶状体就相当于一个可变焦距的凸透镜 ，视网膜相当于可以接像的光屏。这种说法不能成立，至今没有证明视网膜上有图像，也没有证明晶状体是怎样调焦距的？

•生物学家饶毅[12]和,寿天德教授[13]都不认为人眼是相机；

•人眼眼球聚焦是因为有凸透镜的说法受到质疑，已经证明人的眼球是水晶体，是变折射率的球形透镜，不是凸透镜，光在其内不是直线传播，而是曲线；[14]　

•有机构认为，视觉系统是目前为止研究得最为广泛，最为深入的感觉系统之一。[15]又有机构认为，他们发现了新型视细胞，并呼吁重新审视视感系统；[16，17]

•中国百科网和中国医学百科网词条“視覚”，明确指出反馈通道至今不明；[18]

•人的视觉感官是一个复杂的生物系统。不能只用神经元摡念及其映射神经网络，通过计算机求解出信息关系；

•相由心生不是像由脑生。

综上所述，人眼的构造和工作机理存在着争议，也存在着诸多疑问，这是视觉错觉的原因所在。

“视觉错觉”的其他因素

视觉错觉的图片和图片的分析，除上述因素外，还涉及到下列因素：

•下面这张图展示的错觉。在具有轻微差别的灰色阴影处，相互靠近的地方，就看不清楚这是个台阶。

明亮的区域，能明显的感觉到是有台阶的。其原因是，人眼的感光细胞有两种，一种是锥细胞，一种是杆状细胞，前者是在明亮的区域工作，后者这是在阴暗的区域工作，这是形成上述现象的原因。

•

•上面的图案，如果把车轴的图案放在两条水平线后，线条即使是直的，但看上去就像弯曲的。这张图片想表示三维图形，显然是不够的，车轴的图案是否放在两条水平线后？难以判定，产生直线弯曲的感觉，是由于视觉的转换，人眼看见黑的中心体，在转换到长的直线，感光细胞是先由杆状细胞工作，再转化为锥形细胞工作，这一转换造成的误差。

•‘色盲’怎么解释？有人认为，是由于视网膜上缺乏相应的感光色素细胞而出现。这种解释并不正确，因为锥形感光细胞有三种不同尺寸，当它们矢量相加时，按照色度学原理，就会形成一种颜色，如果锥形感光细胞有问题，它就不可能形成彩色。‘色弱’既包含了色彩，又包含了光的强度，光的强度与感光细胞的合成有关，也与神经纤维的故障有关。

•错觉图形都是人们通过精心构思设计出来的，在自然界中几乎很少存在这样的图案，遇到这样的图形会用它固有的方式去理解，就会出现类似‘理解偏差’的现象。如果你站在高楼的前面，看每层的间距是不同的，实际上是相同的，这个差异是怎么形成的呢？难道是我们的眼睛错觉吗？其实不是。我们观察点到高楼的间距是不变的，变化的是斜距和视角变了，按照三角函数关系，自上而下的看，每层间距是由小到大，这才符合三角函数的关系。否则就不对了。如果楼层高度看上去相等，就意味着三角函数关系是错误的，显然是不可能的。

如果看一个楼层高度和宽度，由近到远，你会发现每个窗户的宽度由大到小，这个方向的变化比较大，窗户高度的变化比较小，这同样是由于三角函数的关系。不是因为视觉错觉。

•当你站在高架桥上，看停在十字路口的汽车，你会发现由近到远，轿车是由大变小，这也不是视觉错觉，因为我们的眼睛看远处的物体，都比近处类似物体要小，距离越远相差越大。

总之视觉错觉的现象，与光的特性、人眼的构造、不同的物质、图形的表示方法、人的眼睛工作机理等诸多因素有关，是需要认真分析，不能认为是大脑骗了自己。眼见为实，眼见不为实都同时存在，这不是眼睛本身错了。

参考文献

［1］尹家鹏，视觉错觉：人类大脑是如何被自己欺骗的？来源: 中科院脑神经研究所， 2017-01-10 。

［2］“视觉错觉：人类大脑是如何被自己欺骗的？”来源：《科普时报》，2019-03-01.

 ［3］ 胖哥娱乐说，是什么欺骗了我们的眼睛？这些神奇的视觉错觉欺骗了我们的大脑，

2018-08-11.

http://dy.163.com/v2/article/detail/DOU63K1M05370NXC.html

［4］【科普】我们的大脑是怎么欺骗自己的？来源：warfalcon, 2017-05-13 21:47

https://www.sohu.com/a/140377085_614807?p=sina。

［5］itwriter ，眼睛看到的错觉：简单视觉假象骗过我们的大脑，来自: 新浪科技

 2015-09-02。 https://news.cnblogs.com/n/528328/。

［6］独品一鸣 ,大脑是如何把你”欺骗“的，很多东西都是大脑精心构建的错觉，来自：大风号，2018-08-06 。

http://wemedia.ifeng.com/72423583/wemedia.shtml。

［7］都世民，“多学科论眼“，中国知网CNKI大诚编客 ，2019-02.

http://z.bianke.cnki.net/info/2035310

［8］相由心生，来源：百度百科词条。

https://baike.baidu.com/item/%E7%9B%B8%E7%94%B1%E5%BF%83%E7%94%9F/4437171?fr=aladdin

钟顺时编，“天线理论与技术”，電子工业出版社，2011年，p439。

［9］[美] 斯蒂芬·斯托加茨,“同步”，翻译：张 羿，四川人民出版社 出版，2018 年 4 月。

［10］郭光灿，光究竟是什么？来源：《科学世界》，2017年第9期。

［11］眼球成像，来源：百度百科词条。

［12］饶毅谈色， 逸心茶舍  文章来源，新浪微博，2015-04-02 .

2015-04-02 。http://www.360doc.com/content/15/0402/17/506102_460116759.shtml

[13]寿天德 ，视觉信息处理的脑机制，（Brain Mechanisms of Visual fnformation Processing），当代科学技术基础理论与前沿问题研究丛书，中国科学技术大学出版社。1997 年12月第1 版  2010 年1 年10月第2版。

[14]刘德森．变折射率透镜的研究和发展现状，物理，1989，1 7(3)：145。

刘德森等著，微小光学与微透镜阵列，—北京：科学出版社，2013，2013年4月第1版。

 [15]大脑怎么“看见”世界的——视觉系统知多少，来源：三青三青 >《健康》2016-06-28， 摘自 中科院之声，作者系中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所研究人员。

 [16]李秈霓，“深海“暗光鱼”眼部发现新型视细胞”，来源：《联合早报》，2017年11月12日 http://www.zaobao.com/realtime/world/story20171112-810412

[17]“深海鱼眼部发现新型视细胞 昏暗条件下视觉良好”。来源：《科技日投》，2017-11-13。

[18] 楊雄里，“视觉”，来源：中国百科词条。

[19] 钟顺时编，“天线理论与技术”，電子工业出版社，2011年，p439。