視錯(cuò)覺(jué)的認(rèn)知機(jī)制與研究現(xiàn)狀

視錯(cuò)覺(jué)的認(rèn)知機(jī)制與研究現(xiàn)狀

人類(lèi)的視覺(jué)盲感歷史可以追溯到早元多在公元前4世紀(jì)觀(guān)察瀑布時(shí)記錄的運(yùn)動(dòng)效果（后效），并柏樹(shù)（plato）指出，人類(lèi)永遠(yuǎn)無(wú)法完全避免錯(cuò)誤，理解真相。幾千年后，德國(guó)的e.mach發(fā)現(xiàn)側(cè)格里感覺(jué)被扭曲了。直到19世紀(jì)末，德國(guó)的e.mach發(fā)現(xiàn)側(cè)格里感覺(jué)被抑制，但沒(méi)有得到充分關(guān)注。20世紀(jì)初，德國(guó)的格式塔理論（centta以完整的方式定義，核心思想大于局部）逐漸傳播，相應(yīng)的研究逐漸發(fā)展。在這個(gè)領(lǐng)域的早期階段，人們使用傳統(tǒng)的心理學(xué)方法，如行為實(shí)驗(yàn)。隨著生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平的提高和20世紀(jì)60年代的s.萎縮和j.s.吉爾格斯提出了系統(tǒng)理論，其重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向神經(jīng)生物學(xué)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。為了適應(yīng)人類(lèi)視覺(jué)機(jī)制，模擬相應(yīng)的算法，促進(jìn)認(rèn)知心理學(xué)、神經(jīng)生化和計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的發(fā)展。目前視錯(cuò)覺(jué)的心理學(xué)解釋有格式塔理論(Gestaltism)、生態(tài)視覺(jué)理論(ecologytheory)、建構(gòu)主義(constructivism)、亮度對(duì)比假說(shuō)、視野學(xué)說(shuō)、常性誤用說(shuō)、反常性誤用說(shuō)、先驗(yàn)論和經(jīng)驗(yàn)主義等,但沒(méi)有一種能適用所有視錯(cuò)覺(jué).生理學(xué)解釋有側(cè)抑制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)說(shuō)、眼動(dòng)理論、三色色覺(jué)學(xué)說(shuō)、三環(huán)節(jié)論和色覺(jué)相對(duì)處理學(xué)說(shuō)等,并有神經(jīng)生理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持,但同樣在完善中[1,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13].視錯(cuò)覺(jué)現(xiàn)在主要有哪些種類(lèi),形成原理和基礎(chǔ)是什么,還可以應(yīng)用到信息處理等專(zhuān)業(yè)的哪些方面,這就是本文要回答的問(wèn)題.1實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀視覺(jué)是綜合信息處理和主觀(guān)認(rèn)知的多層次過(guò)程,視錯(cuò)覺(jué)同樣如此.綜合各學(xué)科可看出哲學(xué)探討視錯(cuò)覺(jué)只注重簡(jiǎn)單的動(dòng)作表面和整體意義,而未認(rèn)識(shí)到復(fù)雜的信息處理過(guò)程;傳統(tǒng)心理學(xué)試圖將高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)分解成簡(jiǎn)單心理成分,側(cè)重用整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)心智過(guò)程的內(nèi)部還原(如自底向上、自上而下加工),卻未追究產(chǎn)生具體認(rèn)知的神經(jīng)活動(dòng)基礎(chǔ),不能證明外在視覺(jué)刺激如何轉(zhuǎn)化為內(nèi)在心理表征;神經(jīng)生理學(xué)從神經(jīng)元、神經(jīng)組織、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和整體腦區(qū)等水平上來(lái)確認(rèn)錯(cuò)覺(jué)物理實(shí)現(xiàn),卻無(wú)法知道主觀(guān)認(rèn)知如何作用.計(jì)算機(jī)學(xué)科若想實(shí)現(xiàn)最貼近自然視覺(jué)的算法,就必須了解綜合以上學(xué)科研究的認(rèn)知科學(xué).視錯(cuò)覺(jué)研究屬于認(rèn)知科學(xué),僅在歐洲和北美就有60多所大學(xué)(如Harvard、MIT、Dartmouth、Princeton等)建立了專(zhuān)門(mén)的研究隊(duì)伍.目前研究多偏重“提出假說(shuō),結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和心理學(xué)理論,進(jìn)行行為認(rèn)知和神經(jīng)生理實(shí)驗(yàn),建立神經(jīng)和數(shù)學(xué)模型”的方式,實(shí)驗(yàn)技術(shù)有患者臨床研究、EEG、ERP和fMRI等,研究成果多發(fā)表在Nature、Science、JNS、PNAS、CurrentBiology、Neuron、ACM等頂級(jí)期刊、會(huì)議和相關(guān)網(wǎng)站上.美國(guó)NeuralCorrelateSociety從2005年開(kāi)始舉辦的“BestVisualIllusionoftheYearContest”,已有美、德、英等十幾個(gè)國(guó)家的視覺(jué)科學(xué)家和藝術(shù)家參加,并定期在ScientificAmerican上發(fā)表研究進(jìn)展.當(dāng)前視錯(cuò)覺(jué)研究人員代表有德國(guó)Freiburg大學(xué)的M.Bach、美國(guó)Baylor醫(yī)學(xué)院的D.M.Eagleman、日本Ritsumeikan大學(xué)的A.Kitaoka、意大利Sassari大學(xué)的B.Pinna等.我國(guó)錯(cuò)覺(jué)研究從20世紀(jì)50年代開(kāi)始,各大高校和研究所已將認(rèn)知科學(xué)研究列為重要課題,如北大、清華、中科院和北師大等.一些原從事心理學(xué)、語(yǔ)言哲學(xué)研究的學(xué)者,及時(shí)地捕捉到先進(jìn)科研信息開(kāi)始研究錯(cuò)覺(jué),科研成果多屬于圖形分析、腦機(jī)能研究、視覺(jué)注意機(jī)制、數(shù)理模擬和算法建立方面,除發(fā)表在國(guó)外期刊外,國(guó)內(nèi)典型錯(cuò)覺(jué)的簡(jiǎn)單介紹和造型設(shè)計(jì)類(lèi)文章多發(fā)表于《心理學(xué)報(bào)》、《心理科學(xué)進(jìn)展》、《生理科學(xué)進(jìn)展》及高校學(xué)報(bào)等綜合性自然科學(xué)期刊.21世紀(jì)各國(guó)對(duì)認(rèn)知研究更加重視.美國(guó)國(guó)家基金會(huì)、商務(wù)部提出聚合技術(shù)概念(nanotechnology,biotechnology,informationtechnologyandcognitivescience,NBIC),其中C為認(rèn)知科學(xué);日本科技委員會(huì)于1996年提出為期20年預(yù)算200億美元的“腦科學(xué)時(shí)代計(jì)劃”(theageofbrainscience),包括認(rèn)識(shí)腦(思維研究)、保護(hù)腦(治療)、創(chuàng)造腦(信息處理系統(tǒng))階段,將腦的認(rèn)知功能和信息處理機(jī)制研究視為重中之重;歐盟第七研究發(fā)展框架(theseventhresearchframeworkprogram)在2009年發(fā)展規(guī)劃中進(jìn)一步規(guī)劃了大腦相關(guān)研究項(xiàng)目.我國(guó)自2001年正式加入“人類(lèi)腦計(jì)劃”后,更加重視腦和認(rèn)知領(lǐng)域的研究.繼2005年科技部批準(zhǔn)建立中科院和北師大相關(guān)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室后,2006年《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》出臺(tái),將腦和認(rèn)知科學(xué)作為八大科學(xué)前沿問(wèn)題之一;2008年,國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布“視聽(tīng)覺(jué)信息的認(rèn)知計(jì)算”研究計(jì)劃,希望從人類(lèi)視知覺(jué)機(jī)理出發(fā),構(gòu)建新的計(jì)算模型和方法,在基礎(chǔ)理論研究和與視覺(jué)認(rèn)知相關(guān)的腦機(jī)接口等關(guān)鍵技術(shù)上取得重要進(jìn)展.2細(xì)胞群錯(cuò)誤分類(lèi)視錯(cuò)覺(jué)目前有背景錯(cuò)覺(jué)、側(cè)抑制、繆勒萊耶錯(cuò)覺(jué)、深度錯(cuò)覺(jué)、視覺(jué)后像、填充錯(cuò)覺(jué)、透視錯(cuò)覺(jué)、偽裝錯(cuò)覺(jué)、知覺(jué)模糊、透明錯(cuò)覺(jué)、輪廓錯(cuò)覺(jué)、似動(dòng)錯(cuò)覺(jué)等多種類(lèi)型.視感知的復(fù)雜性使認(rèn)知在不同層次上形成不同種類(lèi)的視錯(cuò)覺(jué),如輪廓錯(cuò)覺(jué)中的Necker立方體和細(xì)胞群錯(cuò)覺(jué)中的顏色后效,前者基于不同組神經(jīng)元群體競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果,后者基于單個(gè)視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ganglioncell)自身特性;而同種類(lèi)的視錯(cuò)覺(jué)可能表現(xiàn)為不同現(xiàn)象,如Hermann柵格和顏色后效都可用細(xì)胞群錯(cuò)覺(jué)的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞特性解釋,但分屬視網(wǎng)膜上的側(cè)抑制和腦紋外區(qū)加工后V4-complex區(qū)發(fā)生的錯(cuò)覺(jué).故已有的錯(cuò)覺(jué)分類(lèi)經(jīng)常出現(xiàn)歸納現(xiàn)象覆蓋面小、同種錯(cuò)覺(jué)重復(fù)分類(lèi)、不同錯(cuò)覺(jué)錯(cuò)歸為同類(lèi)結(jié)果等不足,表1歸納了國(guó)內(nèi)外幾種較全面的錯(cuò)覺(jué)分類(lèi),并進(jìn)行了簡(jiǎn)要評(píng)論.表2在收集整理620多張典型錯(cuò)覺(jué)圖片基礎(chǔ)上,以避免種類(lèi)交叉為出發(fā)點(diǎn),按不同現(xiàn)象和成因分為六大類(lèi)錯(cuò)覺(jué):尺寸錯(cuò)覺(jué)指人根據(jù)深度線(xiàn)索和環(huán)境信息等視覺(jué)規(guī)則對(duì)相同面積、長(zhǎng)度、體積的物體得出不同認(rèn)知的現(xiàn)象;細(xì)胞群錯(cuò)覺(jué)指人因視覺(jué)神經(jīng)上功能相似的神經(jīng)元群或神經(jīng)組織作用對(duì)刺激的亮度、顏色、方向模式產(chǎn)生誤解的現(xiàn)象;輪廓錯(cuò)覺(jué)專(zhuān)指人或動(dòng)物對(duì)圖像中邊緣梯度信息和環(huán)境認(rèn)知出現(xiàn)錯(cuò)誤的現(xiàn)象,包括主觀(guān)輪廓、知覺(jué)反轉(zhuǎn)等;不可能錯(cuò)覺(jué)是指局部平面結(jié)構(gòu)理解合理卻不能客觀(guān)存在的圖像;扭曲錯(cuò)覺(jué)是指人把規(guī)則的點(diǎn)、線(xiàn)、面等結(jié)構(gòu)元素感知為歪曲結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象;運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)是指人結(jié)合環(huán)境線(xiàn)索對(duì)運(yùn)動(dòng)刺激判斷出錯(cuò)誤方向、目標(biāo)等或從單一靜態(tài)刺激感知出運(yùn)動(dòng)效果的現(xiàn)象.與其他分類(lèi)方法相比,表2的分類(lèi)方法按匯總錯(cuò)覺(jué)現(xiàn)象,探尋心理生理學(xué)成因,綜合現(xiàn)象和成因分類(lèi),將現(xiàn)象相近的錯(cuò)覺(jué)分成子類(lèi),這樣就避免了錯(cuò)覺(jué)種類(lèi)重復(fù).如運(yùn)動(dòng)后效通常由于現(xiàn)象和運(yùn)動(dòng)有關(guān)而被劃分在運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)里,但其神經(jīng)基礎(chǔ)是視網(wǎng)膜上神經(jīng)元群體響應(yīng)時(shí)間差異,而非似動(dòng)現(xiàn)象的心理認(rèn)知,故被劃分到細(xì)胞群錯(cuò)覺(jué);又如輪廓錯(cuò)覺(jué)中有主觀(guān)輪廓、偽裝錯(cuò)覺(jué)、知覺(jué)模糊等子類(lèi),主觀(guān)輪廓指從鄰近區(qū)域間明度、色彩突然變化的同質(zhì)刺激中感覺(jué)到并不存在的輪廓、線(xiàn)、面的現(xiàn)象,偽裝錯(cuò)覺(jué)指從一幅包含大量無(wú)關(guān)聯(lián)成分的圖像中感知出有意義圖形的錯(cuò)覺(jué),兩者誘導(dǎo)線(xiàn)索不同,但都從點(diǎn)、線(xiàn)段、圖形等元素信息判斷出區(qū)域邊緣,從而擴(kuò)展整體圖形意義,本質(zhì)都基于視覺(jué)的邊緣提取和自我修復(fù)能力,這和V2主要決定真實(shí)和虛幻輪廓知覺(jué)的生理學(xué)研究成果是相一致的.根據(jù)目前研究成果來(lái)看,視覺(jué)是將神經(jīng)節(jié)細(xì)胞接受的初級(jí)信號(hào)按同類(lèi)組合的模式逐級(jí)整合,到達(dá)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)(essentialnode,對(duì)目標(biāo)刺激屬性有特定反映的神經(jīng)元)所在的腦區(qū)后,才產(chǎn)生完整的知覺(jué)反應(yīng),逐級(jí)整合過(guò)程中每一級(jí)神經(jīng)元都向高一級(jí)和低一級(jí)的神經(jīng)元發(fā)出前饋和后饋.結(jié)合D.Marr的計(jì)算理論,視錯(cuò)覺(jué)可以被看成信息處理的生理機(jī)制和腦多層次認(rèn)知的心理機(jī)制結(jié)合的結(jié)果,其神經(jīng)基礎(chǔ)和產(chǎn)生正常視覺(jué)的神經(jīng)基礎(chǔ)一樣,只是主觀(guān)線(xiàn)索、經(jīng)驗(yàn)等導(dǎo)致心理認(rèn)知發(fā)生變化,以及具體神經(jīng)活動(dòng)幅度、時(shí)間、類(lèi)型上的差異.接下來(lái)就從以下幾種視錯(cuò)覺(jué)中選取最有代表性的圖例驗(yàn)證這一結(jié)論.3視覺(jué)認(rèn)知規(guī)律的典型應(yīng)用和計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的研究3.1不同神經(jīng)元的認(rèn)知反照率輪廓錯(cuò)覺(jué)由來(lái)已久,1915年丹麥心理學(xué)家E.Rubin在18世紀(jì)法國(guó)印刷品基礎(chǔ)上創(chuàng)造了經(jīng)典的Rubin壺(如圖1(a)).圖形的客觀(guān)結(jié)構(gòu)沒(méi)變,變的只是人類(lèi)對(duì)圖形特征的認(rèn)知,這種認(rèn)知反轉(zhuǎn)顯示腦皮層對(duì)輸入信息有一個(gè)積極加工過(guò)程,這也是目前神經(jīng)學(xué)家研究意識(shí)(consciousness)的一個(gè)有用工具.輪廓錯(cuò)覺(jué)一般分為3種.1)視覺(jué)反轉(zhuǎn)(多重刺激/歧義圖形,ambiguousfigures):圖形不變,觀(guān)察者可從中看出2種或2種以上圖像,這幾種認(rèn)知也可循環(huán)轉(zhuǎn)換.常見(jiàn)類(lèi)型有前景/背景反轉(zhuǎn)(figure-backgroundillusion,如圖1所示)等.2)圖像不變,觀(guān)察者因觀(guān)察角度或距離改變而產(chǎn)生不同認(rèn)知,常見(jiàn)有回轉(zhuǎn)錯(cuò)覺(jué)(如圖2所示)、3-D反轉(zhuǎn)錯(cuò)覺(jué)(reverspective).3)展現(xiàn)2種圖形變化過(guò)程的“漸變錯(cuò)覺(jué)”.但無(wú)論如何觀(guān)察者在某一時(shí)刻只能認(rèn)知其中1種圖形的存在(如圖3所示).輪廓錯(cuò)覺(jué)的近期研究多集中于該錯(cuò)覺(jué)相關(guān)的激活腦區(qū)和信息處理方式上.1996年D.A.Leopold等記錄猴的V1、V2、V4和MT區(qū)對(duì)多穩(wěn)態(tài)刺激的反映,發(fā)現(xiàn)只有小部分神經(jīng)元響應(yīng)當(dāng)前主宰刺激,其余神經(jīng)元都響應(yīng)非主宰或被抑制的刺激.次年D.L.Sheinberg等宣布在視覺(jué)信息加工的高級(jí)階段,顳上溝(superiortemporalsulcus)中對(duì)主宰刺激響應(yīng)的神經(jīng)元比例會(huì)增長(zhǎng),直到顳葉皮層中絕大部分(temporalcortex)神經(jīng)元都被主宰刺激相關(guān)的方式激活為止.這說(shuō)明有不同神經(jīng)元群體控制對(duì)刺激的感知狀況.而J.V.Dodd等發(fā)現(xiàn)猴MT區(qū)神經(jīng)元在多穩(wěn)態(tài)刺激中響應(yīng)的概率大于它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)方向判斷中的相關(guān)性,這可能說(shuō)明小群體神經(jīng)元對(duì)前者的決定活動(dòng)更集中.2003年A.J.Parker等用FMRI技術(shù),除了支持Dodd的結(jié)論外,還發(fā)現(xiàn)被試有個(gè)決策處理時(shí)期,即對(duì)歧義圖形的每種形態(tài)認(rèn)知都對(duì)應(yīng)一組神經(jīng)元活動(dòng),幾組神經(jīng)元活動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果決定最終的認(rèn)知形態(tài),在心理物理學(xué)閾值附近的一點(diǎn)變化都會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知反轉(zhuǎn).2005年J.Kornmeier等在人腦枕部找到一個(gè)與反轉(zhuǎn)相關(guān)的早期ERP信號(hào),并解決了反轉(zhuǎn)時(shí)間的估計(jì)問(wèn)題,4年后他們又從意識(shí)控制(volitionalcontrol)和離散刺激(discontinuousstimuluspresentation)方向入手,發(fā)現(xiàn)兩者都可以獨(dú)立控制認(rèn)知反轉(zhuǎn)時(shí)間,并且不同時(shí)間范圍中反轉(zhuǎn)來(lái)源于不同的神經(jīng)處理機(jī)制(top-down或bottom-up).綜上可知,認(rèn)知反轉(zhuǎn)是由2組或2組以上神經(jīng)元群體競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果,不同的刺激信號(hào)從初級(jí)神經(jīng)元和視皮層放大并上傳,結(jié)合被試的先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和意識(shí)控制等,在猴的MT區(qū)(人類(lèi)相似腦區(qū)為V5)上進(jìn)行反轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)過(guò)程可用反轉(zhuǎn)率和時(shí)間等描述.這類(lèi)似于2007年Liu在信息處理中采用的多組智能體線(xiàn)索競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,即用顏色、亮度、方向等表征目標(biāo)的不同特征線(xiàn)索,并按跟蹤目標(biāo)變化進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),注意力始終注意當(dāng)前最顯著的一組智能體線(xiàn)索.從整體水平上來(lái)看,近年學(xué)者比較熱衷從數(shù)學(xué)和認(rèn)知模型的角度來(lái)分析認(rèn)知反轉(zhuǎn)所涉及的深層活動(dòng),為計(jì)算機(jī)模擬認(rèn)知輸出奠定基礎(chǔ).2006年,N.Furstenau利用電磁場(chǎng)干涉和非線(xiàn)性的動(dòng)態(tài)模型成功模擬知覺(jué)反轉(zhuǎn),如圖4,把基于神經(jīng)元平均場(chǎng)(neuronalmeanfields)的認(rèn)知過(guò)程量化成具有干涉和反饋環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)遞歸控制過(guò)程,將諸多認(rèn)知理論和機(jī)器視覺(jué)結(jié)合起來(lái).同年A.J.Noest等對(duì)認(rèn)知反轉(zhuǎn)進(jìn)行伽馬分布擬合的雙參數(shù)分析(形狀k和λ尺度),發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)率隨不同刺激而變化,其中最重要的參數(shù)是大致垂直于反轉(zhuǎn)率均值μ=k·λ的一個(gè)參數(shù)λ/k=λ2/μ,從而方便對(duì)不同刺激和任務(wù)中的意識(shí)進(jìn)行量化研究.2007年他們提出一個(gè)最小神經(jīng)模型:τΗ?tΗi=Xi-(1+Ai)Ηi+βAi+γS(Ηj)?i,j∈{1,2},i≠j?τ?tAi=-Ai+αS(Ηi).τH?tHi=Xi?(1+Ai)Hi+βAi+γS(Hj)?i,j∈{1,2},i≠j?τ?tAi=?Ai+αS(Hi).式中:i、j標(biāo)記2組神經(jīng)元群體,認(rèn)知結(jié)果為Hi(模擬神經(jīng)元膜電位,其反雙曲轉(zhuǎn)換為S(Hi)模擬神經(jīng)元激活率),時(shí)間尺度τH,視覺(jué)刺激Xi,γ決定交叉抑制程度,Ai為短暫歷史信號(hào)和β確定與認(rèn)知j的聯(lián)合程度,α調(diào)制A的幅度.A.J.Noest等認(rèn)為反轉(zhuǎn)結(jié)果主要取決于神經(jīng)元分流適應(yīng)和神經(jīng)學(xué)閾值的互動(dòng)結(jié)果,刺激的ON/OFF時(shí)間控制復(fù)雜知覺(jué)決策序列的產(chǎn)生.繼H.Atmanspacher等用Necker-Zeno模型定量研究多穩(wěn)態(tài)刺激認(rèn)知中反應(yīng)時(shí)間和反轉(zhuǎn)率后,J.W.Brascamp等對(duì)持續(xù)和間歇展示的歧義刺激對(duì)比研究發(fā)現(xiàn):間歇展示的刺激產(chǎn)生的知覺(jué)周期性反轉(zhuǎn)率取決于間歇時(shí)期空白時(shí)間的長(zhǎng)短,并用不同時(shí)間尺度加權(quán)來(lái)改進(jìn)最小神經(jīng)模型:τΗ?tΗi=Xi-(1+∑Ai)Ηi+max{0,β∑Ai-β∑Aj}+γS(Ηj).式中:β決定信號(hào)Aj參與程度,該模型很好解釋了反轉(zhuǎn)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)和相關(guān)活動(dòng).值得一提的是,2002年T.J.Andrews等研究人類(lèi)面孔鑒別的特定腦區(qū)fusiformfacearea時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)被試給予一定邊界線(xiàn)索時(shí)能從robinvace/face刺激中識(shí)別出面孔,且具有和見(jiàn)到真實(shí)面孔相同的響應(yīng)區(qū)域.綜上所述,可推斷人類(lèi)對(duì)知覺(jué)反轉(zhuǎn)在神經(jīng)元水平上有一個(gè)表征(representation)刺激的競(jìng)爭(zhēng)階段,這個(gè)階段動(dòng)態(tài)遞歸,且利用與真實(shí)刺激時(shí)相同的神經(jīng)信息通路.3.2主要作用在混凝土中1904年Schumann首次描述該錯(cuò)覺(jué),最著名的例證為1941年Ehrenstein的Ehrenstein圓環(huán)和1955年意大利人Kanizsa提出的Kanizsa三角,見(jiàn)圖5所示.主觀(guān)輪廓共同點(diǎn)為:靜止就可看到、單眼視覺(jué)時(shí)即能出現(xiàn)、有錯(cuò)覺(jué)亮度差異、有深度視覺(jué)(輪廓兩邊一面在另一個(gè)面上面).任旭明在1996年總結(jié)主觀(guān)輪廓有心理和生理兩方面解釋:心理解釋認(rèn)為主觀(guān)輪廓發(fā)生在中樞神經(jīng)系統(tǒng),包括格式塔學(xué)說(shuō)、認(rèn)知學(xué)說(shuō)、深度線(xiàn)索學(xué)說(shuō)等;生理解釋認(rèn)為發(fā)生在外周神經(jīng)系統(tǒng),包括特征覺(jué)察假說(shuō)、側(cè)抑制亮度對(duì)比假說(shuō)、高空間頻率過(guò)濾假說(shuō)等,但并不統(tǒng)一.1980年張厚粲等通過(guò)比較刺激深度線(xiàn)索和被試主觀(guān)圖形完整化傾向在主觀(guān)輪廓形成中的作用,發(fā)現(xiàn)深度線(xiàn)索是形成主觀(guān)輪廓的直接決定因素;1984年VonderHeydt等首次報(bào)道猴視皮層V2區(qū)約44%的端神經(jīng)元(endstoppedcells)能檢測(cè)主觀(guān)輪廓方向;隨后他們用連續(xù)和間斷的線(xiàn)段、條塊刺激對(duì)恒河猴實(shí)驗(yàn),得出V2神經(jīng)元對(duì)二者有相似的激活反應(yīng);1989年,馬振華通過(guò)研究主觀(guān)輪廓刺激誘導(dǎo)面積和誘導(dǎo)部分反射率對(duì)錯(cuò)覺(jué)感知的影響發(fā)現(xiàn),側(cè)抑制引起的明度對(duì)比起著主要作用;而Grosof等得出初級(jí)視皮層單個(gè)神經(jīng)元能檢測(cè)主觀(guān)輪廓方位.這說(shuō)明刺激的深度和明度線(xiàn)索會(huì)激活視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞,信號(hào)傳至V1檢測(cè)圖像元素方位,V2區(qū)用以判斷區(qū)域邊緣,且V2區(qū)對(duì)真實(shí)輪廓和主觀(guān)輪廓的處理是相似的.之后的發(fā)現(xiàn)也證實(shí)了前人的猜測(cè):2001年T.S.Lee等在V1區(qū)有同VonderHeydt類(lèi)似的發(fā)現(xiàn),但V1比V2的反應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng),這表明大腦在更高級(jí)區(qū)域的反饋活動(dòng)基礎(chǔ)上來(lái)填補(bǔ)主觀(guān)輪廓.因此認(rèn)為主觀(guān)輪廓的主要認(rèn)知部位在腦視皮層V1、V2區(qū).同年,B.M.Ramsden等用光成像和電生理學(xué)技術(shù),比較“abuttinglinegrating”刺激和真實(shí)刺激對(duì)V1區(qū)的影響,發(fā)現(xiàn)能讓V1有強(qiáng)烈響應(yīng)的主觀(guān)輪廓方位和真實(shí)刺激輪廓方位是相反的,因此推斷V1神經(jīng)元對(duì)主觀(guān)輪廓是一個(gè)“去強(qiáng)調(diào)(de-emphasis)”過(guò)程,它輔助V2區(qū)完成人對(duì)主觀(guān)輪廓的認(rèn)知.2006年,M.L.Seghier等綜合1991年來(lái)主觀(guān)輪廓的20多項(xiàng)神經(jīng)成影方面的主要研究,從研究技術(shù)、發(fā)生時(shí)期、位置、信息處理機(jī)制等方面總結(jié)了成果和問(wèn)題.2007年Zhan等對(duì)人腦V1/V2區(qū)和貓腦A17/18區(qū)研究發(fā)現(xiàn):主觀(guān)輪廓刺激分別在人腦和貓腦這兩區(qū)域中產(chǎn)生的映射(map)都相反,從而認(rèn)為映射的恒定性或相反性由刺激中誘導(dǎo)元素的空間頻率和腦皮層神經(jīng)元的空間過(guò)濾特性共同決定.同年,Kouhsari等用fMRI技術(shù)發(fā)現(xiàn)初級(jí)視皮層V1、V2和相關(guān)高級(jí)視皮層(V3、hV4等)都適應(yīng)主觀(guān)輪廓的方向選擇性,并且按初級(jí)—高級(jí)順序遞增,這是對(duì)以前主觀(guān)輪廓只涉及早期視皮層和腹側(cè)通路觀(guān)點(diǎn)的重要拓展.綜合其他生理學(xué)發(fā)現(xiàn)可知,人類(lèi)對(duì)主觀(guān)輪廓主要由V1、V2區(qū)完成,V2對(duì)來(lái)自V1的信息進(jìn)行輪廓方向、明度變換方面的處理,在向更高級(jí)神經(jīng)中樞傳遞信息的同時(shí)又對(duì)V1進(jìn)行反饋,V2是處理主觀(guān)輪廓的關(guān)鍵腦區(qū),V1為輔助腦區(qū),這與識(shí)別真實(shí)輪廓時(shí)V2的活動(dòng)一樣;但2008年G.Sary等的研究說(shuō)明起碼獼猴下顳葉皮層(inferiortemporalcortex)對(duì)二者的處理還有所不同.除傳統(tǒng)生理研究外,近年學(xué)者也嘗試從信息處理和數(shù)學(xué)模擬等方向開(kāi)拓研究:Grossberg等人在1994年提出FACADE(formandcoloranddepth)理論,認(rèn)為邊界輪廓系統(tǒng)(boundarycontoursystem)和特征輪廓系統(tǒng)(featurecontoursystem)共同作用形成了3-D輪廓和背景前景感知,建立了一個(gè)可解釋主觀(guān)輪廓的綜合性計(jì)算模型,是當(dāng)今部分邊緣圖像處理算法的基礎(chǔ).2008年,Y.M.Jung等用level-set提出一個(gè)變偏微分一階能量最小化的數(shù)學(xué)模型,從而可對(duì)大量主觀(guān)輪廓進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和計(jì)算機(jī)模擬.同年,M.A.Halko等認(rèn)為主觀(guān)輪廓錯(cuò)覺(jué)是內(nèi)插(interpolation)、外推(extrapolation)和圖形(figural)類(lèi)3種信息處理機(jī)制的共同作用結(jié)果,而非先前研究注重的單機(jī)制作用.由此可以看出,對(duì)主觀(guān)輪廓深層成因的研究,有利于模擬人類(lèi)對(duì)復(fù)雜刺激的邊界提取魯棒性和認(rèn)知修復(fù)能力,從而指導(dǎo)計(jì)算機(jī)視覺(jué)方向建立特征提取模型和邊緣算子.Ullman、ShaShua、Rosa等的不同算法和Grossberg的FACADE主觀(guān)輪廓感知修復(fù)模型研究則為計(jì)算機(jī)模擬主觀(guān)輪廓感知奠定了基礎(chǔ),如國(guó)防科大的邵曉芳等提出一個(gè)計(jì)算機(jī)分級(jí)模型構(gòu)造了邊界輪廓系統(tǒng)和特征輪廓系統(tǒng),模擬了視覺(jué)系統(tǒng)的有向邊緣檢測(cè)、競(jìng)爭(zhēng)-合作機(jī)制和輪廓邊緣端點(diǎn)重組,有效實(shí)現(xiàn)了圖像輪廓提取.3.3亮度對(duì)比、t.kramma主效應(yīng)和血清中運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤的關(guān)系本文中的似動(dòng)(apparentmotion/illusorymotion)指在某些條件下人由單一刺激可以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)感覺(jué),而刺激實(shí)際并不運(yùn)動(dòng),而非將客觀(guān)不連續(xù)刺激位移認(rèn)知成連續(xù)位移的現(xiàn)象.1912年德國(guó)格式塔心理學(xué)創(chuàng)始人MaxWertheimer說(shuō)明后者是一種通過(guò)視覺(jué)幻覺(jué)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)假象的Phi現(xiàn)象,他認(rèn)為刺激的不同部分引起腦區(qū)相應(yīng)皮層區(qū)域的興奮,在適當(dāng)時(shí)空條件下興奮回路發(fā)生融合短路得到運(yùn)動(dòng)印象.而心理學(xué)上Korte定律說(shuō)明了刺激強(qiáng)度、時(shí)間間隔和空間距離間隔對(duì)產(chǎn)生似動(dòng)影響的相互關(guān)系.前者典型圖例有周邊漂移錯(cuò)覺(jué)(peripheraldriftillusion)和旋轉(zhuǎn)蛇(rotatingsnakes),如圖6～7所示,此類(lèi)“似動(dòng)”最早于1875年被德國(guó)人Exner發(fā)現(xiàn).1983年R.L.Gregory等首次發(fā)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的亮度變化能引起運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué).2003年,日本Ritsumeikan大學(xué)的A.Kitaoka等對(duì)似動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行歸納,認(rèn)為亮度漸變和線(xiàn)段邊緣斷層是2個(gè)基本因素,并根據(jù)此結(jié)論設(shè)計(jì)出“旋轉(zhuǎn)蛇”及其系列變體(如圖8所示).然而A.Kitaoka等僅解釋了錯(cuò)覺(jué)設(shè)計(jì)規(guī)則,并未找到生理機(jī)制.同年,他又與B.R.Conway等對(duì)猴和人實(shí)驗(yàn),除肯定亮度對(duì)比是必要因素外,還發(fā)現(xiàn)V1、MT區(qū)有方向選擇特性的神經(jīng)元,這是首次發(fā)現(xiàn)V1單神經(jīng)元能對(duì)重復(fù)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象(RepeatedAsymmetricPatterns,RAPs)產(chǎn)生方向性響應(yīng),說(shuō)明了低水平神經(jīng)元對(duì)似動(dòng)的解釋作用,并提出基于亮度對(duì)比的反應(yīng)時(shí)間差模型(contrast-dependantlatency-differencemodel).2005年Backus等認(rèn)為原因是對(duì)亮度(luminance)和對(duì)比度(contrast)響應(yīng)的神經(jīng)元隨時(shí)間變化而變化,在高低亮度對(duì)比條件下響應(yīng)時(shí)間不同,對(duì)比度越高,響應(yīng)時(shí)間越短,從而使RAPs相對(duì)快速運(yùn)動(dòng).次年P(guān).Sterzer等用fMRI技術(shù)研究似動(dòng),除V1參與外,還首次發(fā)現(xiàn)在此過(guò)程中V5區(qū)會(huì)產(chǎn)生增強(qiáng)反饋,與V1皮層間發(fā)生耦合;而T.Kumar對(duì)Enigma錯(cuò)覺(jué)進(jìn)行心理測(cè)試發(fā)現(xiàn)人們產(chǎn)生似動(dòng)速率和真實(shí)刺激旋轉(zhuǎn)起來(lái)速率是同樣的;2008年丁曉攀等利用ERPs技術(shù)發(fā)現(xiàn)初級(jí)視皮層產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)形成的最初加工;同年,B.Ahmed等對(duì)白鼬的腦皮層17、18、19、21區(qū)神經(jīng)元群的膜電位動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)皮層產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)反饋信號(hào)和去極化活動(dòng)與似動(dòng)有關(guān).由此可見(jiàn),似動(dòng)現(xiàn)象是在V5神經(jīng)元水平上進(jìn)行認(rèn)知的,V1接受刺激各類(lèi)信息,向高級(jí)視皮層傳送,不同對(duì)比度線(xiàn)索到V5區(qū)時(shí)激活對(duì)真實(shí)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的神經(jīng)元,從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的心理認(rèn)知.似動(dòng)也與顏色、聽(tīng)覺(jué)等刺激相關(guān),但目前還沒(méi)有較成熟的信息處理模型來(lái)表征似動(dòng).似動(dòng)現(xiàn)象與其他類(lèi)型刺激的關(guān)系也是近年研究的對(duì)象:2006年V.S.Ramachandran等用與顏色關(guān)聯(lián)的數(shù)字對(duì)被試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)共感(synesthesia)中的色彩能產(chǎn)生似動(dòng);次年D.Sanabria等發(fā)現(xiàn)空間注意力在跨模態(tài)信號(hào)(cross-model)互動(dòng)中能削弱似動(dòng)效果,認(rèn)為在接收運(yùn)動(dòng)信息過(guò)程中,空間注意發(fā)揮作用的時(shí)刻至少不晚于視聽(tīng)信號(hào)互動(dòng);以及E.Freeman等通過(guò)雙耳接受不同時(shí)信號(hào)成功影響似動(dòng)效果,從視聽(tīng)融合角度去研究視覺(jué)感知運(yùn)動(dòng)方向的時(shí)空處理(spatio-temporalprocessing)特性,這說(shuō)明似動(dòng)可能是多種認(rèn)知途徑交互作用的結(jié)果.3.4herman柵格的存在背景除了似動(dòng),細(xì)胞群錯(cuò)覺(jué)是最常見(jiàn)的基于神經(jīng)元群體的錯(cuò)覺(jué),包括關(guān)于亮度的側(cè)抑制(lateralinhibition),關(guān)于亮度、運(yùn)動(dòng)的后效(after-effect)等.這里介紹側(cè)抑制:視網(wǎng)膜由許多光敏細(xì)胞組成,單個(gè)細(xì)胞的激活會(huì)影響鄰近的細(xì)胞活動(dòng),當(dāng)刺激某個(gè)細(xì)胞得到較大響應(yīng)時(shí),再刺激鄰近細(xì)胞,該細(xì)胞反應(yīng)會(huì)減弱,即周?chē)?xì)胞抑制了其反應(yīng),這種現(xiàn)象被稱(chēng)為側(cè)抑制.典型例子有Hermann柵格(如圖9左半部分所示)和同時(shí)對(duì)襯(simultaneouscontrast,如圖10所示).1865年,E.Mach首次發(fā)現(xiàn)馬赫帶現(xiàn)象:在亮度逐漸變化的條紋交界處會(huì)發(fā)生亮帶更亮、暗帶更暗的錯(cuò)覺(jué).1870年,L.Hermann發(fā)現(xiàn)“Hermann柵格”:以矩陣排列的黑方格交叉處會(huì)閃現(xiàn)灰色斑點(diǎn),斑點(diǎn)被凝視時(shí)不可見(jiàn).1956年,H.K.Hartline通過(guò)生物實(shí)驗(yàn)微觀(guān)上證明了側(cè)抑制的存在.4年后Baumgartner提出側(cè)抑制學(xué)說(shuō),認(rèn)為柵格中的灰斑錯(cuò)覺(jué)主要源于視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ganglioncells)的生理結(jié)構(gòu)和響應(yīng)特性,此后大約半個(gè)世紀(jì)Hermann柵格都被認(rèn)為是側(cè)抑制所致.1996年Xiang等發(fā)現(xiàn)節(jié)細(xì)胞有2種中央-周邊結(jié)構(gòu),通過(guò)錐狀體輸入的紅綠/藍(lán)黃信息差傳送色彩信息,其在傳導(dǎo)速度、亮度差異敏感度、分辨率以及分布位置的差異是許多視錯(cuò)覺(jué)產(chǎn)生的生理基礎(chǔ),依然支持了側(cè)抑制學(xué)說(shuō).與此同時(shí),不少科學(xué)家發(fā)現(xiàn)側(cè)抑制并不能解釋Hermann柵格中的所有現(xiàn)象.如1984年Wolfe發(fā)現(xiàn)柵格間的十字交匯處的位置和數(shù)量會(huì)影響錯(cuò)覺(jué)效果;2004年J.Geier等對(duì)柵格形狀稍加修改,灰斑效果就消失了(見(jiàn)圖10右半部分);同年M.Bach認(rèn)為Hermann柵格還與視皮層其他加工結(jié)構(gòu),如有方向選擇特性的神經(jīng)元有關(guān);2008年J.Geier又指出柵格交線(xiàn)是否筆直是產(chǎn)生灰斑的主要因素.隨后部分學(xué)者開(kāi)始轉(zhuǎn)向以不同的角度解釋Hermann柵格.比如與視網(wǎng)膜的聯(lián)系:2005年Ares-Gomez等對(duì)原發(fā)性開(kāi)角型青光眼患者進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)該錯(cuò)覺(jué)是關(guān)于柵格線(xiàn)寬度的一個(gè)空間調(diào)諧函數(shù);2年后M.J.Cox在不同亮度、偏心度等條件下用基于標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞感受野的模型,良好預(yù)測(cè)了Hermann柵格的空間調(diào)諧性,認(rèn)為該錯(cuò)覺(jué)是在視網(wǎng)膜節(jié)細(xì)胞特性上產(chǎn)生的結(jié)果,而非腦皮層.又比如與整體感知的聯(lián)系:2007年,D.Corney等訓(xùn)練一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)明視覺(jué)系統(tǒng)的亮度恒常性,從錯(cuò)覺(jué)定義本身理解Hermann柵格現(xiàn)象;2008年M.Bach總結(jié)近年來(lái)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)指出側(cè)抑制已不能解釋該錯(cuò)覺(jué).然而目前側(cè)抑制還是Hermann柵格的通用解釋,當(dāng)前的研究說(shuō)明側(cè)抑制在小群體神經(jīng)元水平上接受亮度等信息,引起相應(yīng)感受野的抑制,致使對(duì)應(yīng)區(qū)域心理認(rèn)知亮度產(chǎn)生差異.現(xiàn)可以用高斯帶通濾波函數(shù)和Gabor算子來(lái)模擬單個(gè)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞對(duì)信息的選通性,用小型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬神經(jīng)元群體產(chǎn)生側(cè)抑制的過(guò)程,用基于最大離散小波的非線(xiàn)性模型來(lái)模擬側(cè)抑制和其他亮度錯(cuò)覺(jué),并得到心理實(shí)驗(yàn)的支持.4人工智能等其他領(lǐng)域的視錯(cuò)覺(jué)視錯(cuò)覺(jué)的應(yīng)用大量存在于現(xiàn)實(shí)生活和專(zhuān)業(yè)研究中.如美國(guó)EPIndustries公司以Pulfrich現(xiàn)象為核心研制出優(yōu)于3-D的Circlescan4-D技術(shù),使看立體電影所需佩戴的特制眼鏡從2片偏振片變?yōu)?片灰濾光片和1片透明鏡片,成