伽利略伽利略令人困惑。文艺复兴时期的天文学家注意到行星似乎扩展了一个“radiant crown”用肉眼看时—但通过望远镜观察,效果大大减少。

差异导致他想知道:这个大小的幻觉是由角膜上的水分引起的吗?轻微散射?既不满足,因为即使使用望远镜,这些效果也会持续存在。事实上,伽利略袭击了研究人员仍在解开的视觉谜语。

一条线索来自另一个Luminary:艺术家和工程师Leonardo da Vinci的观察。伽利略发现辐射冠的发现刚刚几十年,莱昂纳多已经注意到浅色帆布上的暗对象似乎比黑暗的背景上的光物体更加界定。愿景科学家以来发现黑色背景上的白色形状通常看起来大于光背景上的同样大小的暗对象。对19世纪抵达的这些特殊的感知模式的解释,当时德国物理学家和生理学家赫尔曼·冯·赫尔默尔兹当时确定了这一效果至少有两种贡献者,他被称为“辐照错觉。”

第一个贡献者结果是从眼睛中的光线散射的方式。当我们看一个非常明亮的物体时,光子通过视网膜,有些被感光体吸收,产生聚焦的视觉。然后,未被吸收的光子可以反射在视网膜后面的眼睛后面并在它们反射通过视网膜时分散,导致散射,未聚焦的较大斑块的光感受器的活化。这种现象称为题光眩光。

这种光学效应有助于解释伽利略的辐射冠,而且还可以为什么Jupiter,我们的太阳能系统的最大行星显得小于金星。从技术上讲,两个天文体都远远甚至,它们的光子将小于围绕的人类视网膜中的单个感光体小的面积。事实上,根据年的时间,行星应该在九个和66个弧形之间出现—视觉距离如此小到肉眼,有20/20愿景的人只会将它们视为一个Arcminute。 (为了说明那些是多少:如果你用60个交替的黑白垂直条纹绘制了你的缩略图并以手臂的长度保持它,每个条纹都会大约一个Arcminute宽。)因为金星更接近太阳和地球,它表面比木星更加光子,比木星更大,导致更大的题光眩光。

But a second contributor is also in play in the 辐照错觉。 Glare could not explain, for example, the fact that Galilean moons appear smaller when seen as black dots against Jupiter's mass than when seen as white beacons against the night sky. The answer, von Helmholtz realized, must reside in how the brain processes light versus dark objects. Scientists are only now finding ways to elucidate these neural processes.

正如本专栏中的示例所示,光和黑暗之间的相互作用不仅至关重要,而且对于我们的日常愿景是关键,因为对比是我们如何看待一切的基础。

对比与细节

 
新发现有助于显示视觉系统中的神经处理如何导致光对象看起来比暗对象大。这些发现 —来自纽约佛罗里达州纽约勘区学院大学的Jose-Manuel Alonso的实验室和Max Planck佛罗里达州神经科学研究所的David Fitzpatrick—不仅解释了伽利略的令人费解的观察的大部分,而且还有我们经历对比的方式。

通过Alonso的一系列脸部图像展示了我们日常愿景中的暗处理与黑暗处理的光线。在图像1中,我们有正常的彩色照片。在图2中,我们在灰度范围内看到它。有趣的事情如果我们仅仅查看图像中的黑暗(小于图像的中值亮度)与那些亮起的像素(像素的更亮的50%)观察,则开始发生。

注意黑色像素版本是多么尖锐和精确(3)。这种观察结果从发现中,处理黑暗的神经系统具有高分辨率和精确的空间细节。在光像素图像中(4),对比度的看法强烈,但细节丢失了。 Alonso的幻想赢得了2016年最佳幻觉的十大入围者的展示。

研究人员发现,光处理神经元从视觉场景(并且因此具有较低分辨率)的较大区域的输入(因此具有更高的分辨率)。在正常视觉中,深色和光处理系统共同努力创造对比,这引起了强大的效果。例如,暗像素图像中的眼睛的白人看起来比灯像素图像中的头发更轻,但如果我们用符合他们颜色的条带连接两个,我们可以看到它们是实际上相同。 (记住:暗图像中的最亮像素与光图像中最暗像素相同的阴影—这两者都等于正常灰度图像的中值亮度。)这表明感知细节或对比的任何差异必须是由大脑处理灯与黑暗的方式引起的。

Credit: 盖蒂图像(女士); Jose-Manuel Alonso(面部系列)

黑色和白色等同

 
现在在澳大利亚悉尼大学的Barton L. Anderson,现在在纽约大学的Jonathan Winawer推动了极限,即灰色表面可以看出光明或阴暗,具体取决于其背景。棋子上方和下面的棋子是相同的,但周围云的变化使我们将上部作为白色和下部的碎片感知为黑色。删除多云的背景(对比较)消除了幻觉。检查!

Credit: FROM “图像分割和亮度感知,”By Barton L. Anderson和Jonathan Winawer, 自然,卷。 434; 2005年3月3日