错觉是一种异常现象，它可以像虚构人物夏洛克·福尔摩斯通过专注于一个不同寻常的事实来侦破犯罪谜题一样，为神经科学家揭示大脑神秘运作的线索。想想短语“没有叫的狗”（在阿瑟·柯南·道尔爵士的短篇小说《银色马》中）或丢失的哑铃（在柯南·道尔的《恐怖谷》中）。
也许最著名的此类视觉戏法是几何光学错觉。在庞佐错觉（a）中，意大利心理学家马里奥·庞佐于 1913 年首次展示，一条水平线看起来比另一条水平线短，尽管它们是相同的。在缪勒-莱尔错觉（b，在对面页）中，由德国精神病学家弗朗茨·缪勒-莱尔于 1889 年创建，由发散箭头界定的线看起来比由会聚箭头界定的线短——尽管它们也是相同的。
这些错觉非常熟悉，但却非常强大；了解真实的线段长度并不能阻止或减弱它们的效果。我们对造成这些错觉的原因有什么了解吗？为什么视觉系统会坚持犯错，即使我们有意识地知道这是一个把戏，也要错误地感知如此简单的东西？在我们探讨这些问题之前，让我们再介绍两个眼睛谜题。
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在第 18 页的d中，我们看到一片阴影圆盘，它们看起来像是分散在空腔中的鸡蛋。顶部光亮的圆盘看起来像凸起或鸡蛋，其他的则像空腔。这种深度感来自于您的视觉系统的一个内置倾向，即假设光线从上方照射下来（毕竟，我们是在一个头顶只有一个太阳的星球上进化而来的），正如我们在之前的专栏文章[“眼见为实”，《大众科学·思想》，第 14 卷，第 1 期，2004 年]中所描述的那样。因此，大脑将顶部较亮的圆盘解释为像鸡蛋一样圆润，而将底部较亮的圆盘解释为空腔（因为如果从上方照射，空腔的底部会是亮的）。在第 18 页的e中，阴影梯度从左向右变化，深度感远不如之前那样强烈（标记看起来更平坦），并且更“双稳态”（单个圆盘同样有可能被视为凸面或凹面，并且光源可以被视为来自任一侧）。
到目前为止一切都好。但我们也注意到，对于球体而言，感知到的亮度梯度——每个圆盘最亮和最暗部分之间的明显亮度差异——似乎比对于陨石坑而言更浅。对于顶部光亮的圆盘而言，亮度梯度也显得不如侧面光亮的圆盘那样陡峭。为什么？每个阴影圆盘的物理梯度完全相同（为了说服自己，请旋转纸张）。
恒常性联系
这两组错觉，几何光学错觉和梯度陡峭度类型，看起来完全无关。但两者都揭示了视觉中的一个基本原则，称为知觉恒常性。这种效应是指，尽管对于某个物体可能会出现极其可变的视网膜图像（这些图像是由视角、距离、照明和其他变量的变化引起的），但我们倾向于正确地观察到该物体具有恒定的物理属性（大小、形状、颜色、亮度、距离等等）。这一点并非微不足道。与摄像机不同，我们的大脑不仅仅“读取”视网膜图像来感知物体。相反，我们根据知识和背景来解释它。例如，恒常性在照明变化的情况下引导我们。信不信由你，报纸的黑色墨水在阳光下观看时具有比在光线充足的房间里晚上观看时白纸更高的绝对亮度（通过光度计测量的物理光强度）[参见艾伦·吉尔克里斯特的“黑白视觉”；《大众科学·思想》，六月/七月]。然而，我们认识到物体的真实特征及其相对亮度：尽管照明条件不同，我们仍将其体验为白纸上的黑色字体，并且实际上无法感知绝对亮度。
另一个与我们的几何错觉更相关的例子是尺寸恒常性，或者将物体识别为尺寸恒定的倾向，无论它离我们是近还是远。如果您观看一个人朝您跑来，他在您视网膜上的图像会放大，尽管您并没有看到他膨胀。您的大脑会无意识地考虑距离并正确地解释尺寸。同样，如果一个人躺在地上，脚朝向您伸出，他的脚在视网膜上的图像是头部的两倍大，但您不会看到一个头部过小而脚巨大的畸形人。您看到的是一个身材比例正常的人，他的脚比头部更靠近您。
但是尺寸恒常性如何解释我们的几何错觉呢？这种现象源于一种称为线性透视的深度线索，每个视觉艺术家都对此很熟悉。当一个尺寸恒定的物体离您越来越远时，它会在您的视网膜上投射一个较小的图像。这种缩小只是简单的光学结果；它与感知无关。现在考虑一下，当您站在平行的铁轨中间并将目光沿着它们的长度方向投射时会发生什么。铁轨保持平行，它们之间的枕木沿其长度方向的尺寸恒定，但由此产生的视网膜图像或任何二维投影（例如照片或线条图）都显示铁轨之间的空间和相应的枕木尺寸随着距离的增加而缩短。同样，这个结果来自简单的光学原理，而不是感知。在感知世界中，我们的大脑在很大程度上纠正了这种线性透视，我们将铁路解释为笔直和平行的，并将枕木解释为尺寸恒定的。您正确地将尺寸变化归因于距离，而不是尺寸的变化。
汇合
现在再看一下庞佐错觉。考虑会聚线；像铁轨一样，它们暗示着平行线延伸到远处。像铁路枕木一样，水平线段是在这些会聚线的背景下解释的，因此被视为存在于不同的距离处。然而，在庞佐错觉中，两条水平线段被绘制成完全相同的长度（不像铁路枕木，它们的尺寸随着距离的增加而变小）。由于它们是在会聚线的背景下解释的，并且看起来位于不同的距离处，因此大脑应用了恒常性校正，因此顶线看起来比底线长。这就像大脑推理：“一条水平线更远，所以如果它与另一条水平线的物理长度相同，它应该在我的眼睛中投射一个较小的图像。但由于图像尺寸相同，它一定是由一条更长的、更远的线产生的。”即使观察者可能没有从会聚线中获得任何深度感，这种校正也会发生。
由于顶线被特意绘制成与底线相同的长度，因此大脑错误地应用了这种恒常性规则，您会感觉到它看起来异常地长。底线的情况正好相反；它看起来人为地短了。英国布里斯托大学神经心理学荣誉教授理查德·L·格雷戈里将这种现象称为不适当的恒常性缩放。您的视觉模块，负责深度、距离和尺寸，以自动驾驶模式执行任务，无需您有意识地思考。即使我用尺子向您展示这两条线段是相同的，这种高层次的有意识知识也无法“纠正”恒常性机制从下向上发出的信号。
格雷戈里还为缪勒-莱尔错觉提出了一个令人愉快的尺寸恒常性解释。他指出，这种错觉的轮廓与观察建筑物外边缘或房间内角时遇到的轮廓相同（c，在前一页）。在三维世界的这种二维投影中，房间的内角被视为更远；尺寸缩放被触发，并产生对不同线段长度的错误感知。与庞佐错觉一样，虽然这个图形暗示了深度，但不必有意识地体验到深度。格雷戈里提出，透视线直接设置恒常性缩放，因此距离判断是不必要的。
现在让我们回到鸡蛋和空腔。我们已经解释了深度错觉是基于光线从上方照射下来的内置假设。但是，为什么与侧面光亮的圆盘或底部光亮的空腔相比，顶部光亮的鸡蛋在表面反射率（亮度）方面看起来更均匀？在这里，我们需要调用亮度恒常性的类似现象——大脑提取物体表面真实反射率的能力，而不是由照明引起的亮度变化。
首先，考虑顶部光亮的鸡蛋。大脑假设太阳在您上方，而一个真正的鸡蛋会传递完全相同的亮度变化模式——亮度梯度从顶部逐渐减小到底部。因此，您将其视为鸡蛋或凸起，而不是扁平的阴影圆盘；这是“最佳拟合”假设。但随后大脑实际上说：“亮度变化——顶部光亮——显然不是来自物体本身，而是由于从上方照射的方式，所以我将把它视为反射率均匀。”这种亮度恒常性的效应意味着，如果您没有在显示屏中看到深度，就不会有亮度恒常性，实际上您会看到顶部比现在看到的要亮得多，而底部则要暗得多。
现在，为什么同样的论点不适用于e中看到的侧面光亮的鸡蛋，特别是考虑到亮度梯度完全相同？这是因为大脑不习惯侧向照明。因此，深度印象较弱，亮度变化（亮度恒常性）的校正也相应较弱。因此，感知到的亮度梯度看起来比d中顶部光亮的鸡蛋更陡峭。同样的推理适用于空腔。由于内部反射现象（光线从真腔的内壁反射，部分抵消了照明产生的梯度），大脑“期望”空腔中的照明梯度小于鸡蛋中的照明梯度。因此，它仅对前者施加弱恒常性校正。这种较温和的校正在现实世界中就足够了，但d中人造空腔的阴影在物理上与鸡蛋的阴影相同（尽管是倒置的）。因此，感知到的亮度梯度高于鸡蛋的梯度。第二个原因是空腔不如凸起常见，因此视觉系统不太擅长这种恒常性校正。
我们提出了这些复杂的论点，以强调即使是世界统计数据的极其微妙的方面也被作为规则构建到视觉系统中。我们可以设计非常简单的显示，从中我们可以使用线索——就像夏洛克·福尔摩斯一样——来帮助解决视觉感知的奥秘。