人脑颜色认知错觉

为什么人脑会觉得 A、B 区域两块颜色是不一样的？

用数码测色计比较两块区域颜色是一样的

这张棋盘阴影图是错觉（Optical Illusions）的经典图片之一，作者Edward H. Adelson，详情可浏览此网页Checkershadow Illusion。破解此错觉很简单，见下图

图片出自上面的网页。

所谓错觉，指的是我们的视觉系统（Human Visual System， HVS）感知到的图片与实际的图片不符。Optical Illusions and Visual Phenomena此网页系统的归纳了各种错觉图片。棋盘阴影图属于

其中的“光照对比”错觉，即实际上灰度值（或颜色）相等的区域，我们感知的结果却是一亮一暗。

类似的还有下面这张立方阴影图

此图中AB区域的灰度值也是一样的，但HVS感知到

的结果是B比A亮。对于该现象，棋盘图的作者给出了比较直观的解释，主要有两点

•局部对比：在边界出的明暗对比会使得亮的更亮，暗的更暗，即马赫带（Mach bands）效应，比如匿名用户做的那张背景分别为黑白的图，或参考wiki词条。

•阴影：阴影的作用至关重要，因为它的存在，我们看到的这幅图是立体的（当然仿设结构也有一定作用），棋盘上站了一根圆柱，而光源则在右上方。由于B处于阴影之中才与A有着相同的亮度，那么如果阴影没了的话，B应该是比A亮的。

•棋盘的周期性：这个也有一定的作用，但没前两者那么重要。即按照明暗交错的棋盘格，A 是暗的，B是明的。

实际上，人眼视网膜（Retina）看到的结果和照片应该是一致的，但传输到人脑的初级视皮层（Visual Cortex）以及更高级别的处理区域后，上面提到的三个因素都不断地给B的亮度加成，最终产生了对于人类视觉而言，B比A要亮的感觉。而对于电脑，比如Photoshop，这两个区域的亮

度是一样的。

但是，正如Adelson在其解释的最后说到，产生这种结果，并不是人类视觉系统的缺点，正相反，这是大大的优点！

这就是所谓HVS的色彩恒常性（Color constancy），这是一个主观特征，它能确保人眼所看到的

物体的颜色在不同的光照条件下相对保持不变。一个简单的例子就是，在日光下（对HVS而言）

是红色的苹果，放到白炽灯下，烛光下，夕阳下依然是红色的。而“主观”则说明，人们对所观察的

物体要有一定先验知识，即见到过类似的，这样在观察时，HVS才可以更准确估计周围的光照条件，还原物体的真实颜色。相机的白平衡（White Balance）干的就是这个，但远没有HVS来的强大。

那么对于这幅棋盘阴影图，有没有办法看到它们是一样或者接近的，有一个可行的方法（有些答主

说看到的一样，不知道他们具体是怎么做到的）。查看这张大图/persci/peop，

必要时可按“Ctrl+”进行放大，然后将鼠标放在AB中间靠左一定的距离处，并眼睛不动盯着指针看，然后用余光看AB两块，数秒过后，感知到的亮度应该十分接近，甚至相等。这一过程，如评论里

提到的，会产生一种AB以及其他亮度一致的区域浮起来的感觉。该方法的原理是尽可能的抑制人

眼的眼动（Saccade），即我们的眼睛是一直在动，焦点不断在变的，幅度不大但变化很快。比如

我们在看一个人的时候，看对方脸时眼睛焦点的轨迹如下图所示（图片来自Saccade wiki词条）

或者我们在看棋盘图是，眼睛

并不是盯着A或者B一直在看，而是在棋盘区域扫视的。眼动使得，即使是在看一副静止图像时，我们HVS得到的输入是眼睛在不同焦点下看到的图像，然后在视皮层及更高级别的区域进行全局

整合（Global Integration），得到了我们感知到的结果。这一过程的具体机制并不是很了解，相关

文献在illusion这方面貌似不是很多，而且很久没有关注这方面的进展了。

小结一下，我们看物体时，视网膜Retina所看到物体的颜色（Color，C）实际上是物体本身的反

射性质（Reflectance，R，日光下的颜色）和光照条件（Illumination，I）共同作用的结果，暂且

记作（一般为乘或者加，按模型假设定）。而视皮层Cortex和更高级的视觉系统通

过观测量C和从环境估计的光照，恢复出，即R的近似。

对该现象的研究还是比较活跃的，实际上已经有超过40年的历史，主要是在计算机视觉和计算神

经学领域，人们提出发展了很多理论，并称之“Retinex”，“Reti na”和“Cor tex”的合成词，由Edwin H. Land等于1971年提出[1]（该模型中取的是相乘），目前最好的结果是NASA的工作，多尺

度Retinex[2]。

限于篇幅和受众，这里就不继续对Retinex理论做更多介绍了，感兴趣的知友可以查看提到的两篇

文献，以及相关的工作。下面放上自己在相关工作中对上面两张图片处理得到的结果

左边为原始图片，中间为估计出来的阴影，右边为得到的图像。这里用到的模型是，可以看到处理后的图像更接近于我们视觉系统感知到的结果，棋盘图像中圆柱部分结果不甚理想，主要是模型所致。

下面的表格为回复前后的亮度对比，数值代表灰度值，即亮度

[1] Land, Edwin H., and John McCann. "Lightness and retinex theory." JOSA 61.1 (1971): 1-11.

[2] Jobson, Daniel J., Z-U. Rahman, and Glenn A. Woodell. "A multiscale retinex for bridging the gap between color images and the human observation of scenes." Image Processing, IEEE Transactions on 6.7 (1997): 965-976.