奥秘#23　区分明度和亮度：棋盘阴影错觉

棋盘阴影错觉是一项强有力的错觉例证，它证明了大脑在感觉物体明暗度时会将场景结构和可能光源纳入考虑范围。

对于视觉而言，最大的挑战是如何将二维的视网膜图像重新建构成三维的视觉世界。从三维投射至二维，信息会不可避免地丢失，这需要大脑的视觉中心以某种方式将其弥补。没错，我们有两只眼睛，这在水平面上的确有一定帮助。不过，即使闭上一只眼睛，我们依然能看到生动的3D世界。

在从2D到3D的重新建构中，大脑会聪明地依靠之前它对现实世界的体验和假设。因为信息如此建构而来，所以在过程中难免出错，这便给刻意设计的错觉图像以蒙骗人眼的机会。特德·阿德尔森（Ted Adelson）的棋盘阴影错觉便是其中一例。

练习

请看图2-18阿德尔森的棋盘阴影错觉。

图2-18：阿德尔森的棋盘阴影错觉——方块A和方块B哪个更明亮

我们都会同意，图中有一张棋盘，而且棋盘的角落立着一根圆柱。根据棋盘上的阴影，我们立马做出光源位于右上角的判断（我们知道阴影对于塑造我们的视觉图景有多重要【奥秘#20】）。这一切仅仅发生在刹那之间，比你读完这句话还要快。

现在，请回答：方块A和方块B哪个更明亮？很显然，答案是方块B。我同意。不过，再看看图2-19。两个灰条分别来自方块A和方块B，毫无疑问，这两个灰条是一样的（实际上，整个图像是刻意设计成这样子的）。

或者，你可以剪一个遮罩，遮罩上带有A、B两方块的孔。你把这个遮罩放在原本的棋盘（图2-18）上，将其他部分遮住，只留下方块A和方块B，再进行对比。

图2-19：除了新加的两个灰条，该棋盘和之前的一模一样，现在哪个方块更明亮

原理

方块A和方块B的明亮程度在第一种情景下明显不同，而在第二种情景下却相同，究竟是怎么回事？这两个情景真的不能同时存在？答案很简单：明亮程度取决于所处背景。

视觉科学家在描述他们的实验时，不会说明度（Brightness），而会说亮度（Luminance）。亮度是物理量，反映一个表面的光量子数量，接着根据它们的可见度波长进行加权。（亮度的度量单位是坎德拉每平方米，cd/m2。坎德拉原本的定义是一根标准蜡烛在1英尺[1]距离的亮度。

明度则是主观的衡量，是大脑建构出来的东西。它取决于你之前的体验（光适应）、周遭对比（对比效应）和所处背景（就像这里所体现的）。明度没有度量单位，但是能根据心理物理学技术进行测量。

在视觉科学中，对比度有两个意思。首先，它指的是我们对视野中某块区域的明度感受取决于相邻区域的亮度（这种效果会为“侧抑制”所调节，相当于一种场景中的空间高通滤波器）。其次，它是一个技术术语，用来衡量亮度差异。这里提到的“所处背景”指的是大脑对图形元素或场景结构的一种解读——在上文中，“所处背景”便因灰条的加入而发生改变。

当我们在对比图2-18和图2-19时，究竟发生了什么？当我问哪个方块更明亮时，我知道你给出了一个更深层次的答案，即方块本身的亮度。我知道你——或者你聪明的视觉系统——会把这个场景看作3D场景，并根据阴影假想一个看不见的光源，接着评估方块上反射过来的光，减掉阴影和外在光源的影响，最后针对其真实亮度给出了很好的猜测。不过，在加上灰条之后（图2-19），所处背景发生变化，之前的3D场景解释不再适用。现在，两个方块不再是一个在阴影中，一个在光源照射下，对应的亮度补偿或扣除也都不再需要，所以两者的明度变得相同。其实，方块A和方块B的亮度一直是一样的。不过，在不同的背景中，它们被感知的明度会发生变化。

顺便一提：图中还有更多亮度相同但明度不同的方块，请找到它们——这个任务便交给亲爱的读者。

结果引人注目的特德·阿德尔森棋盘阴影错觉教给我们好几件事：一是它向我们展示出当视觉大脑应用反向透视和反向光照模型时，有多少无意识的场景计算在我们的视觉大脑内进行；二是它向我们展示出明度和亮度所产生的差别可以有多大，从而保证知觉的恒常性（这里则是光的恒常性）；三是它体现了错觉的狡猾之处，你给出的第一个答案其实没有错（而在大多数情况下，这个答案是人们所感兴趣的地方）。不妨将棋盘看作拼图，而你必须找到和缺失部分相匹配的图形。这时，你所在意的是材料性质，而与光照无关。事实上，在没有具体背景的情况下进行材料性质的推测是一个非常困难的计算问题，而对于这个问题，连计算机视觉系统也还未处理到令人满意的程度。

现实生活

对表面光照和阴影的感知调整，是我们的感知机制中非常基本的组成部分——它运作得几近完美——以至于对于某些刻意设计的场景而言，必须得有相应的对比图来加以解释和揭示。这也是我们在拍照时需要技术帮助的原因：因为在不同光照下，照片呈现的效果不同，所以专业摄影师需要花工夫调整光照，好让照片呈现人们想要的样子。

延伸阅读

·Adelson，E.H.(1993).Perceptual organization and the judgment of brightness.Science 262，2042–2044.

·Adelson，E.H.(2000).Lightness Perception and Lightness Illusions.In The New Cognitive Neurosciences，2nd edition，339–351.M.Gazzaniga(ed.).Cambridge，MA：MIT Press.

·Todorovic，D.(1997).Lightness and junctions.Perception 26，379–395.

·Blakeslee，B.&McCourt，M.E.(2003).A multiscale spatial filtering account of brightness phenomena.In：L.Harris&M.Jenkin(eds.)，Levels of Perception.New York：Springer-Verlag.

——迈克尔·巴赫

[1] 1英尺=0.3048米。