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「旋轉蛇」的錯覺原理破解

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文/謝伯讓(謝伯讓的腦科學世界

這張圖叫做旋轉蛇,在網路上流傳很久了,謠言說是壓力越大,旋轉越快。

但事實是,上述的「壓力說」,目前沒有任何證據支持。

畢竟,無憂無慮的貓咪都看得到旋轉蛇了,顯然不會是壓力吧:

當然了,這個貓咪影片不是什麼嚴謹的實驗(而且我家的貓也對旋轉蛇毫無反應),但是,由於這個現象在學術界曾經引發一陣研究熱潮,因此有不少相關的研究。

這種邊緣飄移錯覺(peripheral drift illusion),是在 Fraser & Wilcox (1979) 的論文中最先提出[1],後來被日本立命館大學心理學教授北岡明佳(Akiyoshi Kitaoka)發揚光大。我們現在就一起來看看這個錯覺的演進史。

演進史

最早的論文,是 Fraser & Wilcox (1979) 發表在 Nature 上的文章[1](下圖為論文內圖片)。在這篇論文中,作者發現 678 位受試者中,有 59% 的人看見由黑往白移動的動態錯覺,但也有 24.9% 的人看不到錯覺(可能是因為這些人對動態視覺的敏銳度較低)。其中還有 6.5% 的人看見由白往黑移動的動態錯覺、9.6% 的人看見雙向錯覺。

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那是不是因為上圖中的圖樣是「階梯狀」,才導致動態錯覺的產生呢?Faubert & Herbert (1999) 在他們的論文中簡化了圖像,排除了這個可能性。他們把圖形改成下圖中「漸層式」的連續灰階,移除了「階梯圖樣」中的單一方向性。結果 5 位論文中的受試者和超過 200 位的會議壁報受試者中,都還是看到了由黑往白的動態錯覺。(但有兩位會議受試者例外。而且有 50% 的受試者一開始看不到錯覺。)

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接著,Naor-Raz & Sekular (2000) 又把「漸層式」的連續灰階,改成下圖的「不連續的 6 灰階」,結果也十分類似。22 位受試者中有 68% 的人看見由黑往白的動態錯覺。32% 人看不見錯覺或看見反向錯覺。

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而最近的完成體,就是北岡明佳教授(Hitaoka & Ashita, 2003)的「不連續的 4 灰階」圖形了。他們把 6 灰階簡化成 4 灰階、修改了灰階的順序、並把原本的扇形斬成好幾段。結果動態錯覺似乎因此強化了許多!

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錯覺的機制

好,如果這個錯覺不是因為壓力造成的,那該如何解釋呢?雖然確切的詳細機制仍不清楚,但是目前比較有可能的解釋是:

一、眼球顫動所致。(感謝台大吳建德老師和老貓大陳穎青的補充!)我們的眼睛在移動時,可能會干擾視覺訊息的分析,即使我們定住眼睛凝視事物時,也會有微小的眼球顫動,這些都可能會干擾視覺訊息,讓我們產生錯視。的確,有不少研究的確都發現眼球顫動有影響 [2, 3]。但是,眼球顫動一直在發生,為什麼眼球顫動後,就只有這一種視覺刺激會產生動態錯視呢?這種視覺刺激,必然有其特殊之處吧?!有鑒於此,有人提出了以下額外兩種解釋。

二、大腦對於不同亮度的處理速度不同,因而讓大腦誤以為這些資訊在移動。例如,可能大腦處理黑色的速度快於白色,就會誤以為是黑色往白色移動。

三、大腦對於不同「對比度」(contrast)的處理速度不同,因而讓大腦誤以為這些資訊在移動。此理論和第一個理論類似,不同之處在於,這個理論認為大腦處理的對象並不是某個位置的「絕對亮度」,而是該處亮度與臨近亮度或整體亮度的「對比度」。

以下是北岡明佳教授的另外兩個原理類似的錯覺:

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我之前也發現過一個類似的錯覺 [4]:

9KFkXN1231494579大家只要凝視上圖中間的黑點,當圖案消失時,就會看到上排往左側移動、下排往右側移動。但是,這其實是錯覺,該圖樣實際上是瞬間同時消失的。動態的視錯覺只是大腦的產物。

這個現象的原因也仍不確定。我自己的解釋是,除了大腦在處理亮度和對比的速度可能不同之外,該圖樣所造成的後像(afterimage)在消退時的速度也可能不一致,並因此導致大腦誤以為它們在移動。(所謂的後像,就是凝視事物許久後在視網膜與神經系統中形成的殘像,例如盯著太陽看後,即使接下來數秒鐘不再盯著太陽看,也會持續看到殘留的影像。當上圖案消失時,大家應該可以看到上排的後像往左側移動、下排的後像往右側移動。)

最後,再來一些類似的經典錯覺(感謝北岡教授的圖片提供):

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如果想看更多的旋轉蛇,可以參考日本立命館大學的心理學教授北岡明佳(Akiyoshi Kitaoka)的網頁解說(英文)。

延伸閱讀:

參考文獻

  1. Fraser, A., Wilcox, K.J. (1979). Perception of illusory movement. Nature, 281, 565–566.
  2. Beer AL. et al. (2008). A Motion Illusion Reveals Mechanisms of Perceptual Stabilization. PLoS ONE 3(7): e2741.
  3. Otero-Millan J. et al. (2012). Microsaccades and Blinks Trigger Illusory Rotation in the “Rotating Snakes” Illusion. J of Neuroscience. 32(17): 6043-6051.
  4. Hsieh, P.-J., Caplovitz, G.P., and Tse, P.U. (2006). Illusory motion induced by the offset of stationary luminance-defined gradients. Vision Research. 46, 970-78.
  5. Faubert, J. and Herbert, A. M. (1999). The peripheral drift illusion: A motion illusion in the visual periphery. Perception, 28, 617-621.
  6. Naor-Raz, G. and Sekuler, R. (2000). Perceptual dimorphism in visual motion from stationary patterns. Perception, 29, 325-335.
  7. Kitaoka, A. and Ashida, H. (2003). Phenomenal characteristics of the peripheral drift illusion. VISION (Journal of the Vision Society of Japan), 15, 261-262
  8. O’Reilly, M. and Johnson, A. Understanding the Rotating Snakes illusion

註:更多大腦的秘密,請參考謝伯讓的《都是大腦搞的鬼》。

關於作者

謝伯讓

美國達特茅斯學院認知神經科學博士,麻省理工學院腦與認知科學系博士後研究員。現為杜克–新加坡國立大學醫學研究院助理教授、腦與意識實驗室主任,研究主題為人腦如何感知世界。 部落格:The Cry of All。 微博:http://www.weibo.com/brainscience。新書:《都是大腦搞的鬼》《大腦簡史》