眼見為真嗎？─

由錯覺輪廓到認知心理學

【摘要】人類視覺的錯覺現象究竟是怎麼發生的？

你相信「眼見為真」嗎？眼睛是靈魂之窗，你對它了解多少呢？你眼中的世界和別人眼中的世界是否相同呢？首先，讓我們來看幾個眼見不為真的例子。圖一中a和b兩條直線看起來似乎a比b長，若用尺量你會發現兩線段一樣長。此現象最先由龐左（Ponzo）發現，所以稱為龐左錯覺。圖二稱為波根多夫（Poggendorff）錯覺，即圖中兩斜線看來像是兩條平行線，但事實上它們是一條直線被分隔開來。再看看圖三你是否看到有一個三角形，它比周圍的區域亮，更仔細看你將發現這三角形的輪廓並不完整，換言之，這個三角形並不存在，而是我們感覺到它存在，所以知覺心理學家稱它為「錯覺輪廓」（illusory contour）。諸如此類的人類視覺錯覺現象，實在不勝枚舉。它們究竟是怎麼發生的？一直是心理學家感興趣的問題，本文就是想以錯覺輪廓為例，說明人的視覺是如何的奧妙。

1904年，舒曼（Schumann）首先指出錯覺輪廓這個現象，即人類會將物理向度上（明度、顏色、質地、空間位置等）不連續的刺激看成是連續的。以圖三的卡尼札（Kanizsa）三角形為例：構成三角形的邊的內外兩區域，在三個角的部位可以分得很清楚是一黑一白，但在邊的部位內外都是白色，事實上沒有界限存在；透過人的眼睛，卻看到很清楚的邊。此外，我們會覺得中間的三角形比周圍的區域亮，有時還會覺得三角形壓在三個黑色的圓形上面。

知覺心理學家將錯覺的「邊」（illusory edge），錯覺的「亮度」（illusory brightness）及錯覺的「重疊線索」（illusory interposition cue）三者視為錯覺輪廓形成的三個要件。究竟形成錯覺輪廓的原因是什麼呢？何以自1970年代至今，錯覺輪廓的研究風起雲湧，歷久而不衰呢？下面讓我們分別自生理、心理及物理的角度來看這個問題。

生理學上的發現

1972年諾貝爾獎得主休柏（Hubel）和魏瑟（Wiesel）的研究指出，人類視覺系統對於圖形的偵測，是以由點到線到面的系列性運作方式進行。視網膜是刺激偵測的第一站，對於光點敏感；到視細胞側膝核時，接受區（receptive field）對外暗內亮的光環敏感；到了視皮質區的前端（17區），則因光環以直線方式排列傳遞訊息，使得接受區變為直線或長條形，且對不同角度的直線敏感；視皮質區的後端（18、19區）則因直線或長條形重疊，使得接受區對邊界敏感，對圖形區域的角也較敏感。我們將這種層層累加的訊息傳遞方式稱為「階序」或「系列」性運作模式（hierarchical or serial processing）。依照這個模式我們可以很輕易的了解真實輪廓（有明度、顏色、質地等物理向度上的變化）被偵測到的情形，但對於錯覺輪廓卻是一籌莫展，我們不知道是那些細胞的訊息組成，可以填補物理訊息根本不連續的地方（圖三中三角形的邊），而讓我們「看到了」三角形。

近年來神經生理學的研究漸增，1983年，以史東（Stone）為首的一群學者，對於視覺訊息處理提出另一套看法，認為視覺細胞可以分為三大類：一類處理高頻率光波的細胞（X cell），其接受區較小，細胞體積亦較小；而另一類細胞則對低頻率的光波較敏感（Y cell），其接受區較大，細胞本身體積亦較大，兩種細胞分布的區域不同，使用的神經傳遞物質也不同；第三類細胞（W cell）的功能介於前兩者之間，目前對它的了解較少。

史東等人認為視細胞受到光刺激之後，是以平行方式處理各種不同光頻的細胞，X／Y／W細胞同時進行它們的分析工作，所以它們停留在側膝核的細胞層不同，通往視皮質區的部位也隨之而異。知覺心理學家稱此種運作方式為「平行運作模式」（parallel processing or X／Y／W cell model）。此說討論的層次，僅達光度與光頻的處理而已。圖三三角形錯覺的邊並沒有任何光度或光頻的變化，三角形依然可見，所以這方面的研究也觸了礁。

截至目前為止，有兩方面的證據還可以提供些許線索，讓我們去思考這個問題：

一、1983年史蒂芬斯（Stevens）的病例報告（枕葉病變腦血管破裂之病人J.R.），發現此圖形盲（agnosia）的病人，在平面圖形中偵測不到重疊線索（即使兩眼一起看亦然），所以根本看不出錯覺輪廓的存在。而在實體鏡（stereopsis）的雙眼像差深度效應上，他卻能看出鮮明的錯覺輪廓。實體鏡的立體視覺已被證實是由視皮質17區的部分細胞和18區的細胞所負責，可見得錯覺輪廓的形成，似乎需要視覺訊息處理系統中較高的層次來處理。

二、1984年馮得海德（von　der Heydt）、彼得漢斯（Peter hans）及鮑加納（Baum gartner）發現，在猴子視皮質18區的月狀溝（lunate sulcus）附近，有些細胞對錯覺輪廓敏感，但在17區卻找不到這類的細胞，值得注意的是這些細胞對相似的真實輪廓並不敏感（見圖四）。

前述這兩項證據並不能解決錯覺輪廓如何被偵測到的問題，原因是錯覺輪廓的種類很多不可能一一測試，而且由網膜到18區之間和18區之後的黑箱也仍然是個謎，尚待更多的研究探討之。

總之，依現有的視覺神經傳導的理論，不論是系列模式或平行模式都不足以解釋錯覺輪廓的發生，這方面的研究也因此益形重要，且挑戰性頗高。若能解決錯覺輪廓的問題，則對於人類視覺訊息處理系統之了解，將有長足之進步。

物理學方面的證據

在物理學家的眼中，所有外界刺激的光度組成，均可化為多個正弦波的組合，而許多學者認為人類的視覺系統，是對各個不同空間頻率的光波敏感。這種想法可以解釋外界物體只要在光度分配上有變化即可偵測到物體的輪廓，也足以說明所有真實輪廓被偵測到的情形，且恰巧有生理上的證據（即X／Y／W模式）作支持。但是，形成錯覺輪廓的邊上往往沒有連續性的光度變化，其被偵測到的機制是否與真實輪廓相同，就有待商榷了。錯覺輪廓研究的重要性可見一般。

知覺心理學的研究結果

前文曾提及錯覺的邊、錯覺的亮度和錯覺的重疊線索三者是錯覺輪廓形成的要件，但史蒂芬斯的病例報告卻顯示，沒有這些條件錯覺輪廓依然可以形成。而台大心理系近一年來的研究亦發現，在正常人身上即使沒有上述三要件，錯覺輪廓依然可在實體鏡的操作裡形成。此與朱立茲（Julesz）的研究結果相符，說明錯覺輪廓與真實輪廓具有某些相似性。在其他若干知覺現象上二者亦頗相似，譬如：二者都能形成圖形一背景互換的錯覺（見圖五）；錯覺輪廓亦可形成龐左及波根多夫錯覺（見圖一及圖二）；二者都有後向遮蔽效應；都可抑制假像運動等等。

愈來愈多的研究指出，錯覺的亮度和錯覺的重疊線索都不過是一種副現象。錯覺輪廓的形成主因，可能還有透過人類的認知系統，對外界的刺激做了組織與解釋之後所得的結果。過去慣用格式塔（Gestalt）一詞含蓋所有認知法則。戴依（Day）及約瑞（Jory）早在1978、1980年以較明確的說法說明錯覺輪廓的辨認需經過兩階段：其一是局部神經細胞的反應；其次則是對各局部反應作加成。

1986年黃榮村等人更進一步說明，即錯覺輪廓的辨認歷程與真實輪廓相近，輪廓之辨認同樣是經過兩個步驟：一、眼睛對外界刺激之進入以一種稀薄化的歷程（thinning of contour）登錄，即刺激以不連續的方式被接受；二、透過取樣運算（sampling algorithm）辨識出稀薄化的輪廓。

取樣運算有三個階段：(一)首先找軸心元素（pivotal elements），對三角形而言，「角」是軸心線索；(二)找輔助線索（confirming elements），找尋與軸心線索緊鄰的區域，看是否有輔助線索存在，以支持該輪廓之形成；(三)圖形整合（integration），即軸心與輔助線索間是否能整合出一有意義的圖形，以達成圖形辨識。基本上，軸心與輔助線索愈多，圖形辨識愈容易。此輪廓辨認之假說，稱為「輪廓稀薄化假說」，在行為層次可以說明真實輪廓和錯覺輪廓的辨認歷程，有待進一步蒐集生理和物理方面的證據驗證之。

電腦視覺

1982年馬爾（Marr）融合了生理、物理、心理及數學方面的知識，以電腦來模擬人類視覺系統的運作。因為光波可以化為多個正弦波的組成，所以馬爾找到了一個運作方式（即Laplacian Gaus sian operator，簡寫為▽²G），來模擬人類視覺細胞的運作。

亦即外界影像進入電腦時，立刻被切割為多個面積相等的小區域（切割成多大可以自由調整），針對每個小區域做初階掃描的工作（primal sketch），也就是分別由水平及垂直兩方向對圖形做微分。結果發現該運算的二次微分與記錄單細胞活動電位所得的形狀相似（究竟能否依此為類比之證據，尚待探討）。經過切割、運算之後，是圖形特徵填補（feature filling-in）的階段，即在細微處將不清楚的質點濾掉，或是增添使不連續的特徵變為連續。最後將這些小區域重新組合為完整的圖形，而達成圖形之辨識。遺憾的是，這套出名的方法，尚不能解決錯覺輪廓的辨認問題，目前已有若干人工智慧學家正在努力之中。

由錯覺輪廓到認知心理學

錯覺輪廓所帶來的挑戰，是刺激生理、物理、心理三個領域的研究者面對由「沒有」到「有」的問題，也就是透過人類的眼睛可以將不連續的看成是連續的，將無意義的東西看成是有意義的圖形。

在經過無數次的摸索之後，我們漸漸相信，人的大腦必定存在著某些運算的法則（例如輪廓稀薄化假說）。這些法則是人類獨具的認知功能，透過它我們才能了解人類的圖形組織和辨認的歷程。我們期待知覺方面的研究能帶給認知心理學更多的資訊，也希望認知心理學的發展，為電腦視覺、人工智慧、神經科學帶來新的創意。

參考資料

1. R.H. Day, Adelphi international conference on illusory contours：A report on the conference, l986.

2. J.T. Huang, S. Sakurai ＆ J.C. Yuan, "Sampling algorithm in contour finding," International Statistical Symposium, Taipei, Republic of China, ppl321∼1337, 1986.

3. G. Kanizsa, "Subjective contours", Scientific American, 234(4)：48∼52, 1976.

4. R.von der Heydt, E. Peterhans ＆ G. Baumgartner, "Illusory contours and cortical neuron responses," Science, 224：1260∼1262, 1984.

5. 袁之琦 深度效應下錯覺輪廓的形成 碩士論文（台北：台灣大學） 民國七十五年

袁之琦就讀台大心理系博士班

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