2019/10/14

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色彩错觉扭曲了世界(一)

色彩错觉扭曲了世界

撰文 约翰·S·沃纳(John S. Werner)

   班吉奥·平纳(Baingio Pinna)

   洛塔尔·斯皮尔曼(Lothar Spillmann)

翻译 周林文

秋天的落叶和泉水的反射展示了色彩提供的丰富信息。层次和细节在黑白照片中几乎丧失殆尽。

秋天的落叶飘在平静的泉水上,水面倒映着树影和午后深蓝的天空。同样的场景出现在黑白照片里时,树叶就变得有些难以辨认,深蓝的天空不见了,水面的反射光有所减弱,连泉水本身也几乎看不到了。天空、树木和漂浮的落叶原本层次分明,但在黑白照片上,空间深度上的差异却几乎荡然无存。这两张照片的对比,让我们知道,一个失去色彩的世界错失了某些重要的元素。颜色不但能让我们更准确地看清这个世界,还拥有其他特质。

然而,长期以来,人们没能深刻认识色彩的这种作用,也难以理解色彩的真正本质。许多人认为色彩是物体的本质属性,完全取决于物体反射光的特定波长。这种看法是错的。实际上,色彩是大脑创造出来的感觉。如果我们看到的色彩只依赖于反射光的波长,那么,光照和阴影稍有差异,物体的颜色就会随之剧烈变化。幸而大脑的活动模式能让物体的颜色在多变的环境中保持相对稳定。

大多数研究视觉的学者都以为,只有在物体的亮度差异不明显时,我们才会借助色彩来辨别物体。甚至有人直接宣称色觉并非生存必需的感觉,而是奢侈的享受:虽然患有色盲的人和多种动物没有大多数人的色觉,但他们仍然可以活得很好。又比如,人脑中辨别空间方向、控制运动的信号通路根本不需要色觉的参与。还有那些因中风而导致色盲的人,除了无法分辨色彩,其他视觉功能似乎都很正常。这些事实都在支持同一个观点:色觉信息是被独立处理的,对空间深度和形态信息的处理毫无用处。简言之,色彩只与色调、饱和度和亮度有关。

但是,我们研究了颜色错觉——大脑被“哄骗”之后看到的颜色,发现大脑对颜色信息的处理与对物体其他性质(诸如形状和轮廓)的处理息息相关。十几年来,我们一直试图了解,色彩怎样影响到大脑对物体其他属性的感知。为此,我们考察了许多新奇的错觉,其中还有不少是我们自创的。这些错觉帮助我们理解,神经系统处理色彩信息的过程,如何影响到对物体形状和轮廓的感知。不过,在讨论这些错觉之前,我们首先要回忆一下人类视觉系统是怎样处理颜色的。

通向错觉之路

从视锥、视杆细胞到双极细胞,视觉信息经过了加工、分配、派送,终于激起某些神经节细胞的注意……了解到大脑处理视觉信息的大致过程以后,我们才能找出是哪个环节的失误引发了错觉。

视觉始于对光的吸收,或者更准确地说,是从视网膜上的视锥和视杆细胞对一份份不连续的能量——光子的吸收开始(见第 54 页的示意图)。视锥细胞负责白天的视觉,视杆细胞则负责夜间的视觉。根据吸收到的光子数量的不同,视锥细胞的反应也不同,反应将被传递给两种不同的神经元——ON 型和 OFF 型双极细胞(bipolar cell)。双极细胞又分别把信息输入视网膜上紧密排列的 ON 型和 OFF型神经节细胞(ganglion cell)。

这些神经节细胞具有所谓的“中心—周围”感受野(receptive field)。一个与视觉相关的神经元只能察觉到现实世界中一个特定空间区域内的状况,这个空间区域就是它的感受野。根据感受野中心和周围光强的相对差异,中心—周围感受野的神经元会作出不同反应。

当感受野的中心比周围亮时,ON 型神经节细胞最活跃(具有高频率的电活动);当中心和周围的光强相同时,它处于最不活跃的状态。OFF 型细胞的反应恰恰相反:当中心比周围暗时最活跃,而中心和周围光强相同时最不活跃。中心和周围的这种对立意味着,神经节细胞会对光强反差起反应,并以此强化大脑对边缘和轮廓的认知

大部分神经节细胞的轴突(神经纤维)会将信号传递给大脑,特别是丘脑(接近大脑中央)的外侧膝状体核(lateral geniculate nucleus),再从那里传递到大脑后部的视觉皮层。不同类型的神经节细胞对视觉刺激的不同特征( 比如运动和形态)具有敏感性,它们的纤维传递信号的速度也不同。例如,色彩信号就由速度相对较慢的纤维传递。

人们通常认为人脑中有 40% 甚至更多的部位参与了视觉信息的处理。在视觉处理过程的早期,有些部分(视觉皮层的部分地区——V1、V2 和 V3)就受到了刺激,神经元在那里构成了一幅“地图”,一一对应地再现出视野中的一切。接下来,视觉信号又发散到 30 多个不同的区域,并与超过 300 条信号回路相交连。虽然其中的每个区域都身兼多职,但它们也各有专长,比如处理色彩、运动、空间深度和形态。最后,所有这些信息以某种方式整合起来,形成对一个具有特定形状、颜色的物体的统一感知。不过,神经科学家们还不清楚其中的具体细节。

有趣的是,当某一视觉区域受到双侧性的损伤,会引起对形态和颜色的感知障碍,这证明色彩的处理过程并非与对物体其他性质的处理无关。大脑中产生的感知混合了物体的色彩信息和形体信息,这不是简单分析物体反射光波长就能得到的。我们创造的错觉也证明了这一点。

水彩错觉

如果真如传统观点所言,大脑对颜色信息的处理是一个独立的过程,与感知形状、空间信息无关,那么,为什么颜色一深一浅的轮廓线能让图形染上像水彩画一样朦胧的色彩,还能让它像浮雕一样带点立体感?

我们以前进行过一个颜色错觉的实验,形象地说明了在感知图形轮廓和形状的过程中,颜色的影响多么重要。在某些情况下,一种颜色会因周围的颜色而改变,变得与周围更加不同(即反差)或更加趋同(即同化)。过去,人们认为,相近颜色带来的扩散错觉只能影响一个较小的范围。本来大脑中视觉神经元间的大多数连接也是短程的,这似乎为人们的推论找到了证据。但我们意外地发现,如果一块无色的区域被两种不同颜色的线条包围——外侧的线条颜色深,内侧的颜色浅,浅色线条的颜色就似乎会向内扩散,覆盖整个图形,即使离线条很远的地方,也一样会受到影响(见第 53 页图)。

扩散出去的颜色就像一层薄纱,和水彩画中的色彩相似,因此,我们把这个错觉叫做水彩效应(watercoloreffect)。我们发现,要产生这种错觉,两条轮廓线必须是连续的,外侧深色的线条才可以作为屏障,把浅色线条的颜色扩散限定在图形之内。水彩错觉让图像显得厚实,并略微浮凸。当两条轮廓线的颜色互换之后,原先被看作图形的区域就变得苍白,稍稍萎缩。

 



■水彩效应说明了色彩对界定图形的范围和形状的重要性,在线条上用到的两种颜色中,较浅的颜色让人产生了颜色延伸的感觉。A图中,颜色较浅的轮廓线靠在深色线条的内侧,容易让人把线条包围的形状看成图形,而外侧则是背景。当把较浅的颜色换到深色线条的外侧(B图),原先的背景似乎染上了淡淡的色彩,而且微微浮凸,原来是一幅地中海地图。 

20 世纪初,格式塔派心理学家发现,临近程度、流畅的延续性、图形的闭合和对称性等,可以把图像和背景区分开来。现在看来,相比这些因素,水彩效应的区分效果更突出。浅色轮廓线包围的部分出现了水彩的效果,人们把它看成是图像;而深色轮廓线以外的部分则被看作背景。两条轮廓线的差异有助于避免图片的模棱两可。这个现象让我们想起埃德加 · 鲁宾(Edgar Rubin)。他是图像 - 背景研究的先驱者之一,曾经提出轮廓线根本不属于背景,而是图像的一部分。

就水彩错觉的神经机理而言,一个可能的解释是,当深色和浅色的轮廓线搭配在一起(背景底色比两种轮廓线的颜色更浅),某些神经元会受到这种组合的刺激。它们只对内浅外深的轮廓,或内深外浅的轮廓起反应。可能在视觉皮层处理信息的早期阶段(比如在 V1 和 V2 脑区),图像轮廓的信息就已被编码处理了。在对猴子的实验中,神经生理学家们发现,视觉皮层上将近一半的神经元会对颜色反差的变化趋势(不论是变浅还是变深)起反应,由此描画出边界轮廓。同时,这些神经元还参与了空间深度的感知,对区分图像和背景也有帮助。

我们研究发现,相比平直的轮廓线,歪歪扭扭的轮廓线能引起更强的水彩效应,这可能是因为波浪形的轮廓激发了更多对线条的朝向起反应的神经元。前面已经提到,对轮廓起反应的视觉神经元较早被激活,在大脑皮层中再现了视野中的图形(比如,看到方框,大脑中被激活的神经元构成的形状也大致是个方形)。而后,来自这些弯曲线条的颜色信号沿着神经纤维一路疾走,穿过皮层中的“图形”,一直传输到“图形”另一条边,才会停下脚步。实际上,轮廓指定了颜色信号的传输范围,在大脑和脑皮层感知分析的过程中,色彩和形态就这样牢牢地联系在一起。文章转载自心理学空间。

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