错觉是异常现象，它能像虚构人物夏洛克·福尔摩斯通过专注于一个不寻常的事实来解决犯罪谜题一样，向神经科学家揭示大脑神秘运作的线索。想想短语“那条没有吠叫的狗”（在阿瑟·柯南·道尔的短篇小说《银色马》中）或失踪的哑铃（在柯南·道尔的小说《恐怖谷》中）。
也许最著名的此类视觉技巧的例子是几何光学错觉。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，第 46 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又非常强大；对真实线长的了解并不能阻止或减弱它们的效果。我们知道是什么原因导致了它们吗？为什么视觉系统会坚持犯错，错误地感知如此简单的东西，即使我们有意识地知道这是一个技巧？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 47 页的 d 中，我们有一片阴影圆盘，它们被视为分散在腔体中的鸡蛋。顶部浅色的圆盘看起来像凸起或鸡蛋，其他的则像腔体。这种深度感来自于您的视觉系统的一种内置倾向，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）。因此，大脑将顶部较浅的圆盘解释为像鸡蛋一样是圆形的，而将顶部较深的圆盘解释为腔体（因为如果从上方照射，空腔的底部会是浅色的）。在第 47 页的 e 中，阴影梯度从左向右变化，深度感远没有那么引人注目（标记看起来更平坦），并且更“双稳态”（单个圆盘同样可能被视为凸面或凹面，并且光源可以被视为来自任一侧）。
到目前为止一切都很好。但我们也注意到，球体的感知亮度梯度——每个圆盘最亮和最暗部分之间的明显亮度差异——似乎比陨石坑的浅。顶部浅色的圆盘的亮度梯度也显得不如侧面浅色的圆盘陡峭。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）。
[分隔符] 恒常性联系
这两组错觉，几何光学错觉和梯度陡度类型，看起来完全无关。但两者都揭示了视觉中的一个基本原理，称为知觉恒常性。这种效应是指，尽管对于某个物体可能发生巨大的视网膜图像变化（这些变化是由视角、距离、照明和其他变量的变化引起的），但我们仍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）。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，恒常性在光照变化的情况下引导我们。信不信由你，当在阳光下观看时，报纸的黑色墨水比在光线充足的夜间房间中观看时，白纸具有更高的绝对亮度（由光度计测量的物理光强度）。然而，我们认识到物体的真实特征及其相对亮度：尽管光照条件不同，但我们将其体验为白色纸张上的黑色字体，并且实际上不能感知绝对亮度。
另一个例子，与我们的几何错觉更相关的是大小恒常性，或者将物体识别为大小恒定的倾向，无论它是在近处还是远处。如果您看到一个人朝您跑来，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到距离并正确地解释大小。同样，如果一个人躺在地上，脚朝您伸出，他脚的视网膜图像是他头部大小的两倍，但您不会看到一个头部小、脚巨大的小头畸形人。您看到的是一个身材比例正常的人，他的脚比他的头更靠近您。
但是大小恒常性如何解释我们的几何错觉呢？这种现象源于一种深度线索，称为线性透视，每个视觉艺术家都熟悉它。当恒定大小的物体向远处移动时，它会在您的视网膜上投射一个较小的图像。这种缩小只是光学的简单结果；它与感知无关。现在考虑当您站在平行铁轨中间并沿着铁轨的长度注视时会发生什么。铁轨保持平行，铁轨之间的枕木沿其长度方向保持恒定大小，但生成的视网膜图像或铁轨的任何二维投影（例如照片或线条图）显示铁轨之间的空间和枕木的相应大小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，我们将铁路解释为直线和平行，并将枕木解释为大小恒定。您正确地将大小变化归因于距离，而不是大小的变化。
[分隔符] 汇聚在一起
现在再看看庞佐错觉。考虑会聚线；像铁轨一样，它们暗示平行线延伸到远处。像铁轨枕木一样，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，两个水平线段被绘制成完全相同的长度（与铁轨枕木不同，铁轨枕木的长度会随着距离的增加而变小）。因为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，所以大脑应用恒常性校正，因此顶线看起来比底线长。这就像大脑在推理：“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。但是因为图像大小相同，所以它必须是由一条更长的线在更远的地方产生的。”即使观察者可能对会聚线没有任何深度感，也会发生这种校正。
因为顶线被特意绘制成与底线相同的长度，所以大脑错误地应用了这条恒常性规则，您会感觉到它看起来异常长。底线的情况正好相反；它看起来人为地短。英国布里斯托尔大学的神经心理学家理查德·L·格雷戈里将这种现象称为不适当的恒常性缩放。您负责深度、距离和大小的视觉模块在自动驾驶仪上执行任务，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”恒常性机制从自下而上发出的信号。
格雷戈里还为缪勒-莱尔错觉（b）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（c）时遇到的轮廓相同。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，并产生对不同线长的错误感知。与庞佐错觉一样，虽然深度是由这个图形暗示的，但不需要有意识地体验到它。格雷戈里提出，透视线直接设置了恒常性缩放，因此无需判断距离。
现在让我们回到鸡蛋和腔体。我们已经解释了深度错觉是基于光线从上方照射的内置假设。但是，为什么与侧面照明的圆盘或底部照明的腔体相比，顶部照明的鸡蛋看起来表面反射率（亮度）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，考虑一个顶部浅色的鸡蛋。大脑假设太阳在您上方，而一个真正的鸡蛋会准确地传达这种亮度变化模式——亮度梯度从顶部逐渐降低到底部。因此，您将其视为鸡蛋或凸起，而不是平坦的阴影圆盘；这是“最佳拟合”假设。但随后大脑实际上会说：“亮度变化——顶部浅色——显然不是来自物体本身，而是因为它是从上方照射的，所以我将把它视为反射率均匀的。”这种亮度恒常性效应意味着，如果您在显示器中没有看到深度，就不会有亮度恒常性，实际上您会看到顶部比现在看起来亮得多，而底部则暗得多。
现在，为什么同样的论点不适用于在 e 中看到的侧面浅色的鸡蛋，尤其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 中顶部浅色的鸡蛋更陡峭。
同样的推理适用于腔体。由于内反射现象（光线从真实腔体的内部墙壁反射，部分抵消了由照明产生的梯度），大脑“期望”腔体中的照明梯度小于鸡蛋中的照明梯度。因此，它仅对前者微弱地应用恒常性校正。这种较温和的校正在真实世界中就足够了，但 d 中人造腔体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亮度梯度。第二个原因是腔体不如凸起常见，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，以强调即使是世界上非常微妙的统计方面也作为规则内置到视觉系统中。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——来帮助解开视觉感知的奥秘。