視覺(jué)系統(tǒng)的部分功能缺陷讓世界上多了一種藝術(shù)。

撰文 | 顧凡及（復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院）

視錯(cuò)覺(jué)往往給觀眾造成視覺(jué)震撼，像魔術(shù)表演一樣，會(huì)引起觀眾的無(wú)比好奇，同時(shí)給他們以美的享受。

除了一般公眾，神經(jīng)科學(xué)家對(duì)視錯(cuò)覺(jué)也特別關(guān)注。諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主克里克（Francis Crick）說(shuō)：“看是一種主動(dòng)構(gòu)建過(guò)程。大腦可根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)以及眼睛所提供的有限而模糊的信息做出最好的解釋。進(jìn)化可確保大腦在正常情況下非常成功地完成此類任務(wù)。但情況并非總?cè)绱?。心理學(xué)家之所以熱衷于研究視錯(cuò)覺(jué)，就是因?yàn)橐曈X(jué)系統(tǒng)的這種部分功能缺陷，恰恰能為揭示該系統(tǒng)的組織方式提供某些有用的線索?！?[1]

驚人的假說(shuō)

[英] 弗朗西斯?克里克

湖南科學(xué)技術(shù)出版社 2018

其實(shí)早在神經(jīng)科學(xué)家對(duì)視錯(cuò)覺(jué)感興趣之前，畫家作畫時(shí)就有意無(wú)意地利用過(guò)視錯(cuò)覺(jué)。繪畫和照相不一樣，并非把外界景物“忠實(shí)”地投影在二維屏幕上，而是畫家頭腦里根據(jù)由進(jìn)化所形成的先天機(jī)制和過(guò)往經(jīng)驗(yàn)建立起來(lái)的內(nèi)部模型，對(duì)外界刺激進(jìn)行重建后再將之表現(xiàn)出來(lái)，因此，畢加索說(shuō)“繪畫是一種欺騙”。

美國(guó)二戰(zhàn)時(shí)的征兵廣告。圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

以美國(guó)二戰(zhàn)時(shí)的經(jīng)典征兵廣告“美國(guó)軍隊(duì)需要你”（I Want You for U.S. Army）為例，征募者指著觀看者的手的大小看似正常，但如果把它想象成一張由觀看者拍攝的照片，征募者的手和他的臉相比就會(huì)顯得不成比例地大了許多。這是因?yàn)榕恼諘r(shí)征募者指向鏡頭的手與鏡頭的距離要比他的臉與鏡頭的距離小得多，所以前者落在觀看者視網(wǎng)膜上的像也要大得多。這是一幅廣告畫，畫的并非征募者落在畫家視網(wǎng)膜上的像，實(shí)地觀看時(shí)的深度線索使畫家傾向于維持大小恒常性，在做了視覺(jué)補(bǔ)償之后，他看到的是一個(gè)正常人，而非巨手小頭的怪人。因此，畫家作畫時(shí)，錯(cuò)覺(jué)元素在有意無(wú)意地起作用，而對(duì)視錯(cuò)覺(jué)的特意使用又使其多了一種表現(xiàn)手段，得以達(dá)到意想不到的藝術(shù)效果。藝術(shù)史上有許多善于利用視錯(cuò)覺(jué)創(chuàng)作的畫家，本文要介紹的就是這類藝術(shù)家的代表作及其背后的神經(jīng)機(jī)制。

稀世奇才達(dá)芬奇不僅是偉大的科學(xué)家和發(fā)明家，也是一位名垂千古的藝術(shù)家。他的畫作，如《蒙娜麗莎》和《最后的晚餐》，早已成為難以逾越的經(jīng)典作品。但是，這樣一位天才也曾感嘆，畫布依然有其局限性，難于表達(dá)運(yùn)動(dòng)和立體視覺(jué)。不過(guò)，近世的錯(cuò)覺(jué)藝術(shù)在這兩方面都有所突破，這恐怕是達(dá)芬奇當(dāng)年始料未及的吧！雖然許多人認(rèn)為錯(cuò)覺(jué)藝術(shù)難登大雅之堂，不過(guò)它深受公眾喜愛(ài)。一些經(jīng)典畫作也因利用了視錯(cuò)覺(jué)元素而聞名，如《蒙娜麗莎》的“神秘的微笑”。始于19世紀(jì)下半葉的點(diǎn)彩畫派也是利用了視錯(cuò)覺(jué)元素，使其畫作的色彩更為絢麗多彩，變幻多姿。

歧義圖：魔鬼還是天使？

荷蘭畫家埃舍爾（Maurits Cornelis Escher）畫了許多精彩絕倫的歧義圖。所謂歧義圖，就是對(duì)于同一張圖，大腦可以做出兩種及以上不同的解釋，但每次只能看到其中之一。有多種原因?qū)е缕缌x的產(chǎn)生，埃舍爾經(jīng)常使用的一種方法是把兩類不同的對(duì)象天衣無(wú)縫地鑲嵌在一起，它們的大小差不多，因此既可以被腦認(rèn)為是目標(biāo)，也可以被認(rèn)為是背景，關(guān)鍵是當(dāng)時(shí)腦的注意點(diǎn)落在哪一個(gè)目標(biāo)上（把黑色部分當(dāng)成目標(biāo)的可能性稍大一些，正所謂“白紙黑字”）。以埃舍爾的作品《圓圈極限IV》為例。

埃舍爾的《圓圈極限 IV》? M.C. Escher圖片引自：SCHATTSCHNEIDER D, EMMER M. M. C. Escher's Legacy:A Centennial Celebration[M]. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2003

如果把注意點(diǎn)落在黑色圖案上，那么你看到的就是一大群蝙蝠。在西方，蝙蝠是不受歡迎的，而“非典”和新冠則使原本因“福”的諧音對(duì)蝙蝠印象不錯(cuò)的國(guó)人現(xiàn)在也未免談蝠色變，因此這幅圖可以被看作“群魔亂舞”。但是如果你把白色圖案當(dāng)成目標(biāo)仔細(xì)去看，看到的則是“天使舞蹁躚”。

達(dá)利的《奴隸市場(chǎng)和消失的伏爾泰半身像》?Salvador Dali圖片引自WikiArt. Org

西班牙超現(xiàn)實(shí)主義畫家達(dá)利（Salvador Dali）也畫了不少歧義圖。他的畫作《奴隸市場(chǎng)和消失的伏爾泰半身像》是“整體—細(xì)節(jié)”的歧義圖。觀看者可能首先注意到的是圖中央的一個(gè)明亮的“頭像”，形似伏爾泰的半身像（或許你并不知道伏爾泰長(zhǎng)什么樣，但反正是個(gè)老頭像）。
注意到某個(gè)與眾不同的對(duì)象是一種自下而上的注意機(jī)制。另外，鑒于人臉在社會(huì)活動(dòng)中的重要性，這一元素特別能吸引腦的注意，人們也經(jīng)常從破舊的墻壁和煙云等中看到“人臉”。美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家馬丁內(nèi)茨-康德（Susana Martinez-Conde）從另一個(gè)稍微不同的角度來(lái)解釋這種錯(cuò)覺(jué)：“我們的腦感知的是一個(gè)粗糙、大致接近真實(shí)的世界。由于無(wú)法處理外部每一件事物的信息，因此腦只能對(duì)感知到的信息做簡(jiǎn)化處理，只收錄最關(guān)鍵的現(xiàn)場(chǎng)信息，如邊緣、拐角和輪廓線。對(duì)于圖像模糊的地方，腦會(huì)把原來(lái)儲(chǔ)存的記憶和腦預(yù)期的信息補(bǔ)插進(jìn)去，從而完成‘完整’的圖像。就像（《奴隸市場(chǎng)和消失的伏爾泰半身像》中）伏爾泰的耳朵、頸部的細(xì)節(jié)全部都缺失了，需要觀眾用不同的方式去補(bǔ)充，這樣的圖像很容易顯得模棱兩可?！?[2]

“整體—細(xì)節(jié)”在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域也是一個(gè)爭(zhēng)論不休的問(wèn)題：腦是先“看到”整體，還是先“看到”細(xì)節(jié)？上面這個(gè)例子似乎更傾向于支持“先整體后細(xì)節(jié)”的觀點(diǎn)。但是，神經(jīng)生理學(xué)領(lǐng)域有許多實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，腦會(huì)先提取某些最簡(jiǎn)單的特征，例如邊框及其朝向、顏色、深度、運(yùn)動(dòng)方向等，還有許多證據(jù)支持腦對(duì)刺激的處理依賴層級(jí)組織——先抽取簡(jiǎn)單特征，再逐步抽取越來(lái)越復(fù)雜的特征，直至最后識(shí)別特定目標(biāo)，即“先細(xì)節(jié)后整體”。這兩種觀點(diǎn)似乎水火不容。不過(guò)在筆者看來(lái)，“先細(xì)節(jié)后整體”講的是感覺(jué)過(guò)程，“先整體后細(xì)節(jié)”講的則是知覺(jué)過(guò)程，感覺(jué)是知覺(jué)的基礎(chǔ)，先感覺(jué)后知覺(jué)，感覺(jué)到并不等于知覺(jué)到，所以兩者并不矛盾。問(wèn)題在于如何把感覺(jué)過(guò)程對(duì)刺激所做的分析整合起來(lái)，進(jìn)入意識(shí)層面進(jìn)行識(shí)別。這是至今還沒(méi)有完全解決的問(wèn)題，被稱為“綁定問(wèn)題”（binding problem）。

無(wú)法到達(dá)的頂峰：埃舍爾筆下的不可能立體圖

瑞典藝術(shù)家雷烏特斯韋德（Oscar Reutersv?rd）專注于創(chuàng)作各種“不可能圖形”（impossible figures），即能在畫布上呈現(xiàn)但在真實(shí)三維世界中不可能存在的三維結(jié)構(gòu)。早在1934年，他就創(chuàng)作出了“不可能的三角形”（impossible triangle），但在當(dāng)時(shí)并不廣為人知。著名科學(xué)家羅杰 · 彭羅斯（Roger Penrose）在1954年參加了一個(gè)埃舍爾的演講會(huì)，深受啟發(fā)，在不知道前人工作的情況下也獨(dú)立開發(fā)了兩張圖，并在1958年和他的父親萊昂內(nèi)爾 · 彭羅斯（Lionel Penrose）共同在《英國(guó)心理學(xué)雜志》（British Journal of Psychology）上發(fā)表了這一結(jié)果。因此，人們也常常將這兩張圖像稱為彭羅斯階梯和彭羅斯三角形。

彭羅斯三角形。圖片由本文作者所繪

后來(lái)，埃舍爾又把彭羅斯階梯嵌入他的畫作《登高與下坡》中，呈現(xiàn)了出人意料的藝術(shù)效果。這個(gè)作品里，樓頂上畫的就是彭羅斯階梯，可以看到有些人一直在繞著圈，向上爬著樓梯，但永遠(yuǎn)無(wú)法到達(dá)頂峰。這倒有點(diǎn)像是一個(gè)隱喻：我們不斷追求完美，卻永遠(yuǎn)也達(dá)不到！同時(shí)，畫中有人在不斷地下樓梯，但同樣永遠(yuǎn)無(wú)法到達(dá)谷底。這或許是另一種隱喻：人生不如意事十有八九，想想底下還有人，也就“知足常樂(lè)”了。

埃舍爾的《登高與下坡》?M. C. Escher 圖片引自：RAMACHANDRAN V S,ROGERS-RAMACHANDRAN D. Paradoxical Perceptions: How does the Brain Sort outContradictory Images?[J]. Scientific American, 2008, 18(2) : 70—73

利普森（Andrew Lipson）和修（Daniel Shiu，音譯）仿照《登高與下坡》用樂(lè)高積木搭了一個(gè)模型，并從不同角度拍照，發(fā)現(xiàn)只有從特定的角度才能拍出作品的效果，如果從其他角度看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)樓梯在轉(zhuǎn)角處實(shí)際上并不銜接在一起，而出現(xiàn)很大的起落。[3]這種錯(cuò)覺(jué)依然是由于試圖用二維平面的投影圖來(lái)確定三維物體的真實(shí)構(gòu)型的不確定性引起的。

靜止的“運(yùn)動(dòng)”：歐普藝術(shù)的運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)圖

20世紀(jì)60年代興起了一場(chǎng)藝術(shù)運(yùn)動(dòng)——?dú)W普藝術(shù)（Optical Art，簡(jiǎn)寫作Op Art），旨在創(chuàng)作使觀眾產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)的圖像，這些創(chuàng)作往往使觀眾產(chǎn)生圖像在運(yùn)動(dòng)、閃爍、振動(dòng)、膨起或變形等錯(cuò)覺(jué)。這種藝術(shù)形式在歐美和日本一時(shí)廣受歡迎，也引起了視覺(jué)科學(xué)家的極大興趣。
歐普藝術(shù)的代表作之一是日本京都立命館大學(xué)（Ritsumeikan University）心理學(xué)家北岡明佳（Akiyoshi Kitaoka）創(chuàng)作的一系列被稱為“旋轉(zhuǎn)蛇”（Rotating Snakes）的運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)圖像。

北岡明佳創(chuàng)作的“旋轉(zhuǎn)蛇”。圖片引自：RAMACHANDRAN V S, ROGERS-RAMACHANDRAN D. A Moving Experience: Illusionsthat Trick the Brain[J]. Scientific American, 2008, 18(2) : 53—55

當(dāng)你用余光去看這一系列的圖時(shí)，會(huì)感到圖中的圓圈仿佛在旋轉(zhuǎn)，特別是當(dāng)你的目光在圖中來(lái)回移動(dòng)時(shí)，這種旋轉(zhuǎn)感就更為強(qiáng)烈。一旦凝視這些“旋轉(zhuǎn)的”圓圈，旋轉(zhuǎn)感就消失不見了。如果你沒(méi)有看到圖像的運(yùn)動(dòng)，也不必為此緊張，因?yàn)橛行┮曈X(jué)功能正常的人就是看不到這種“運(yùn)動(dòng)”。
同一時(shí)期，歐普藝術(shù)在歐美也掀起風(fēng)潮。1964年，《時(shí)代》（Time）雜志正式提出了Op Art這一名詞。1965年，紐約現(xiàn)代藝術(shù)博物館（MoMA）舉辦了一場(chǎng)名為“眼睛反應(yīng)”（The Responsive Eye）的展覽，大受歡迎，觀眾超過(guò)18萬(wàn)人。在展覽中，藝術(shù)家們?cè)噲D用作品探索視覺(jué)感知的許多方面，如幾何形狀之間的關(guān)系、各種各樣在現(xiàn)實(shí)中“不可能”實(shí)現(xiàn)的表現(xiàn)三維立體的二維圖，以及涉及亮度、顏色和形狀感知的錯(cuò)覺(jué)，尤以運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)最受關(guān)注。

蒙娜麗莎的神秘微笑：空間頻率成分的巧用

達(dá)芬奇的《蒙娜麗莎》中，蒙娜麗莎似笑非笑的神態(tài)令無(wú)數(shù)觀眾為之傾倒。美國(guó)神經(jīng)生物學(xué)家利文斯通（Margaret Living stone）在仔細(xì)研究這幅畫作之后注意到，當(dāng)她直視蒙娜麗莎的嘴時(shí)，其笑容并不明顯。然而，當(dāng)她把目光移開后，蒙娜麗莎的微笑就出現(xiàn)了，把她的目光又吸引回嘴部。這時(shí)，笑容又消失了。也就是說(shuō)，你必須用眼角的余光去看，才能看到蒙娜麗莎的那一絲微笑。

達(dá)芬奇的《蒙娜麗莎》。圖片引自WikiArt.org

繪于蒙娜麗莎嘴角邊的一抹陰影是使其微笑顯現(xiàn)的主要因素（陰影區(qū)使兩邊的嘴角顯得微微上翹），而陰影主要是低空間頻率成分，也就是空間變化緩慢的成分，只有當(dāng)?shù)涂臻g頻率占主導(dǎo)地位時(shí)，也即當(dāng)觀者移開目光時(shí)，才能看到那抹微笑。為了證實(shí)這一觀點(diǎn)，她對(duì)《蒙娜麗莎》進(jìn)行了低通濾波和高通濾波處理，發(fā)現(xiàn)在通過(guò)低通濾波后，微笑比原始圖像更明顯——即使你直視蒙娜麗莎的嘴部，也能看到。然而，在經(jīng)過(guò)高通濾波后，即使你把目光從嘴部移開，也看不到笑容。只有將兩幅圖像放在一起，才可以還原出最初的杰作和那抹難以捉摸的微笑。蒙娜麗莎的“神秘的微笑”得以實(shí)現(xiàn)，不僅有達(dá)芬奇的匠心獨(dú)運(yùn)，還需要觀眾神經(jīng)系統(tǒng)的積極配合！

“變色龍”：流光溢彩的點(diǎn)彩畫派

在繪畫的各種流派中，“點(diǎn)彩畫派”以其絢麗多彩的風(fēng)格獨(dú)樹一幟，從不同距離觀看其作品的色彩都會(huì)發(fā)生變幻。這一畫派的奠基人之一、法國(guó)畫家修拉（Georges Seurat）相信，所有顏色都是由不同比例的三原色（黃色、紅色和藍(lán)色）及其補(bǔ)色生成的，因此他常常在畫布上涂上大量不同顏色的斑塊。

修拉的《觀看表演》，遠(yuǎn)看顏色非常豐富多彩和逼真，近看卻只有有限的幾種顏色的色點(diǎn)。圖片引自：WOLFE J M，KLUENDER K R，LEVI D M，et al. Sensation & Perception[M].Sunderland. MA：Sinauer Associates Inc，2006

當(dāng)你近距離細(xì)看修拉的作品時(shí)，看到的是幾種顏色的斑點(diǎn)；如果你把圖像直立起來(lái)，逐步后退，你看到的畫面的顏色也會(huì)跟著變化。這是因?yàn)橐暰W(wǎng)膜上有三種視錐細(xì)胞——管色覺(jué)的感光細(xì)胞，它們對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收程度的敏感度曲線不同，也就是說(shuō)，對(duì)于同樣的光刺激，它們的反應(yīng)強(qiáng)烈程度不一樣。我們知覺(jué)到的顏色就取決于這三種視錐細(xì)胞的反應(yīng)比例。視錐細(xì)胞并不直接把其輸出發(fā)送到腦，而是在視網(wǎng)膜中首先通過(guò)一些中間神經(jīng)元會(huì)聚到神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。每一個(gè)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞只接收視網(wǎng)膜上位于其特定區(qū)域中的感光細(xì)胞的輸出，這個(gè)區(qū)域就叫作該神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的感受野。圖片和視網(wǎng)膜的距離不同，投射到特定感受野的圖片區(qū)域也不同，距離越大，區(qū)域就越大。對(duì)點(diǎn)彩畫來(lái)說(shuō)，區(qū)域中包含的色斑也就越多。當(dāng)觀賞的相對(duì)位置發(fā)生變化，特定感受野中接收到的色斑光的成分也會(huì)不同，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞所綜合的三種視錐細(xì)胞的反應(yīng)比例隨之改變，我們知覺(jué)到的顏色也就隨之而變。這就是點(diǎn)彩畫的色彩會(huì)隨觀賞位置而變的原因。

立體錯(cuò)覺(jué)藝術(shù)

一些藝術(shù)家利用透視、顏色、加亮、陰影等使其畫作看似實(shí)物，甚至到了以假亂真的程度。藝術(shù)史上不乏這樣的趣聞逸事。宙克西斯（Zeuxis）和帕拉西烏斯（Parrhasius）是古希臘的兩位名畫家，他們都以寫實(shí)著稱，難分伯仲。為了一決雌雄，兩人決定各帶一幅包裹起來(lái)的代表作進(jìn)行競(jìng)賽。到了競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)，宙克西斯打開他的畫作，這是一幅葡萄寫生，畫上的葡萄看上去就像真的一樣，甚至有飛鳥從空中撲下來(lái)啄食，這使他覺(jué)得勝券在握，就動(dòng)手去打開帕拉西烏斯的包裹。但是他輸了，因?yàn)樗忾_的包裹正是由帕拉西烏斯所繪！

吉斯伯蘭茨的《畫家的特質(zhì)》。圖片引自：MARTINEZ-CONDE S, MACKNIK SL. The Neuroscience of Illusion: How Trickingthe Eye Reveals the Inner Workings of theBrain[J]. Scientific American, 2008, 20(1) : 4—7

這種把畫畫得像實(shí)物一樣的風(fēng)格始于文藝復(fù)興時(shí)期，盛行于17世紀(jì)的荷蘭。畫家吉斯伯蘭茨（Cornelius N. Gisbrechts）的代表作《畫家的特質(zhì)》，畫的是畫家自己的工作室：墻上布滿了藝術(shù)家的作畫工具，畫框上的畫布脫落了一角，釘在墻上的一幅素描草圖卷起了角。這種高超的錯(cuò)覺(jué)藝術(shù)手法要求畫家盡量不露出作畫的痕跡，甚至畫家的簽名也悄悄地藏在了調(diào)色刀上折起的紙條中。

羅馬圣依納爵教堂的“穹頂”。圖片引自：MARTINEZ-CONDE S, MACKNIK SL. The Neuroscience of Illusion: How Tricking theEye Reveals the Inner Workings of the Brain[J].Scientific American, 2008, 20(1) : 4—7

羅馬圣依納爵教堂（St. Ignatius of Loyola Church）的穹頂是巴洛克錯(cuò)覺(jué)藝術(shù)的經(jīng)典范例。教堂的建筑師格拉西（Orazio Grassi）本打算造一個(gè)穹頂，卻在教堂完工之前不幸撒手西去，建造穹頂?shù)腻X也被移作他用。30年后，也即1685年，宗教藝術(shù)家波佐（Andrea Pozzo）受邀在該教堂圣壇頂?shù)奶旎ò迳袭嬕粋€(gè)假穹頂。雖然波佐早就以透視藝術(shù)聞名，但是他繪制的假穹頂?shù)男Ч廊涣钊穗y以相信，甚至直到今日，許多游客依然為這一穹頂只是一種錯(cuò)覺(jué)而驚嘆不已！

參考文獻(xiàn)

[1] 克里克. 驚人的假說(shuō): 靈魂的科學(xué)探索[M]. 汪云九, 等譯. 長(zhǎng)沙: 湖南科學(xué)技術(shù)出版社, 1998.[2] 林鳳生. 名畫在左, 科學(xué)在右[M]. 上海: 上?？萍冀逃霭嫔? 2023.[3] RAMACHANDRAN V S, ROGERS-RAMACHANDRAN D. Paradoxical Perceptions: How does the Brain Sort out Contradictory Images?[J]. Scientific American, 2008, 18(2): 70-73.

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“信睿周報(bào)”，原題為《錯(cuò)覺(jué)藝術(shù)背后的神經(jīng)機(jī)制》。

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