[學習筆記] 視覺與大腦 - 我們實際上看到的世界 (Visual Perception and the Brain - What We Actually See)

人類的視覺所見到的, 和真實世界有所差異. 原因主要有兩個層面:

1. 光子碰撞到物體, 反射, 穿過介質, 最後投射到視網膜, 我們無法得知過程, 只能接收到結果. 而人類為了能夠在世界上生存, 必須設法從有限的資訊, 逆推真實世界的情況, 此稱為 inverse problem.

2. 大腦皮層為了克服 inverse problem, 演化出影像處理及認知的機制, 目前人類還不了解實際的運作機制, 但目前推測最可能的機制是大腦會根據經驗的累積調整對於接收到視網膜的影像後的處理, 使得我們看到的影像不同於視網膜上接收到的影像.

這門課說明人類視覺系統的組成, 並舉了幾個層面的例子, 來說明上述 2 點, 包括:

1. 人類視覺看到的亮暗和真實世界的亮暗有所差異

2. 人類視覺看到的色彩和真實世界的色彩有所差異

3. 人類視覺看到的幾何形狀 (長度, 角度, 大小) 和真實世界的幾何形狀有所差異

4. 人類視覺看到的物體距離及深度和真實世界的物體距離及深度有所差異. 很多動物沒有立體視覺, 例如牛和馬, 兩眼在頭的兩側, 兩眼的視野幾乎沒有交會,
因此難以形成立體視覺. 掠食者比較需要立體視覺, 因為需要精準判斷獵物的距離; 而視野較廣對於被掠食者較有利, 因為有助於更容易察覺到周遭是否有掠食者.

5. 人類視覺看到的物體運動 (方向與速度) 和真實世界的物體運動有所差異.

Background


覺知 (Perception)
what we are aware of
視覺 (Visual Perception)
what when we look out at the world, we're actually aware of seeing.
物理量測 (Physical measurements)
make physical measurements of the world that's out there with instruments (objective).
精神物理量測 (Psychophysical measurements)
measuring what we actually see and there is really no way because what we see is subjective.

It can be made with measurements that are comparative measurements.

E.g. Take a standard stimulus and ask somebody to adjust another stimulus until the two match.

The Strange Way We See the Physical World


「我們見到的」和「實際的世界」有很大的差異!

The Perception of Luminance (i.e. relative lightness)


Lunimance
the intensity of light measured with a photometer (physical measurement).
Lightness/Darkness
psychophysical subjective definition of the response to luminance.

When we see an intensity of light, we judge it to be light or dark.

The subjective impressions of what we see are the psychophysical correspondences of the physical luminance.
同樣亮度的灰色圓形,如果背景亮度相同,看起來亮度相同:


同樣亮度的灰色圓形,如果背景亮度不同,看起來亮度卻不同:


為什麼會這樣呢?

看下面這張圖:


注意紅色框的部分,我們會覺得 A 的部分比 B 亮:


但如果把 A, B 附近的背景色去除,我們會發現 A 的亮度和 B 是相同的:


The Perception of Color


看下面這張圖:


注意紅色框的部分,會覺得 A 是橘色,而 B 是棕色:


但如果把 A, B 附近的背景色去除,會發現 A 的顏色和 B 是相同的:


The Perception of Geometry


除了亮度和顏色之外, perceived geometry 也往往和 physical geometry 有極大的差異。

以下圖為例,看起來兩張桌子的尺寸是不同的:


但實際上,兩張桌子的尺寸是相同的:


下面四個顏色的線條的夾角看起來是不同的:


但實際上,這些夾角都是 90 度:


Even though we behave successfully in the physical world, we don't see it according to reality.

So, what is going on?

These are not illusions but just the way we see stuff.

But why are our perceptions at odds with respect to reality?

The Inverse Problem


The inverse problem as it applies to luminance


如下圖所示,光源 (Illumination) 照射物體,物體會吸收部份的光、反射 (Reflectance) 部份的光,反射的光線經過空氣 (Transmittance) 進入眼球,對視網膜產生刺激 (Retinal Stimulus):


我們只能觀察到視網膜上最終接收到的訊號 (Retinal Stimulus),無法回溯 (reverse engineering) 得知我們所見的其中哪些部份是源於 Transmittance, 哪些部份是源於 Reflectance, 哪些部份是源於 Illumination.

The inverse problem as it applies to geometry


以下圖為例,3D 真實世界中不同大小、不同距離、不同方向的物體,投射在 2D 視網膜之後,得到同樣的結果,我們無法回溯看到的究竟是右邊三種情況其中的哪一種:


Color, motion 同樣有無法回溯的問題 (inverse problem)。

Summary of the Main Points


The relationship between visual images and reality is inherently uncertain (the inverse problem).

This means that the real world is "unknowable" by any direct, logical operation on retinal images.

How then does vision succeed in a physical world that is basically hidden in terms of its physical properties?

延伸閱讀


[Coursera] Visual Perception and the Brain - What We Actually See, by Dr. Dale Purves, M.D, Duke University.

[學習筆記] 視覺與大腦 - 視覺刺激 (Visual Stimuli)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人類視覺系統的組成 (Organization of the Human Visual System)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺所見到的亮暗,本質為何? (Seeing Lightness and Darkness)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺所見到的色彩,本質為何? (Seeing Color)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺見到的幾何形狀,和真實世界有何差異? (Seeing Geometry)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺見到距離及深度的方式 (Seeing Distance and Depth)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺見到運動的方式 (Seeing Motion)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 視覺運作機制的各種可能性 (Alternative Conceptions of Vision)

[學習筆記] 視覺與大腦 - 從視覺的運作機制探討大腦的運作機制