科技猎艺海拾真?|?视觉的欺骗：古典名画是这样让你陶醉的
歌德告诉我们：眼见并不为实。现代科学 研究发现， 粗糙模式下的图像更能刺激人大脑里的”杏仁体”结构，而杏仁体正是大脑里的情感中心 。这就是为什么 印象派绘画较之同样景象的真实照片更能打动人。
林凤生 （上海大学教授，《自然杂志》退休编审）
蒙娜丽莎的微笑之谜
眼球的运动
众所周知，人们在观赏世界第一名画―― 达芬奇 的《蒙娜丽莎》时，常常会被画中人物的微笑所迷惑。初看上去，人们会领略一份安谧的微笑；仔细观察，又会感到笑容消逝；凝神端详，笑容重现，继而又退去……为什么这幅画会产生这样的神奇效果？
500年来，人们一直对《蒙娜丽莎》神秘的微笑莫衷一是。不同的观者在不同的时间去看，感受似乎都不同。通常在一幅画中，光线的变化不像在雕塑中能产生那样大的差别。但在蒙娜丽莎的脸上，微暗的阴影时隐时现，为她的双眼与唇部披上了一层面纱。而人的笑容主要表现在眼角和嘴角上，达?芬奇却偏把这些部位画得若隐若现，没有明确的界线，因此才会有这令人捉摸不定的“神秘的微笑”。荷兰阿姆斯特丹的一所大学应用“情感识别软件”分析出蒙娜丽莎的微笑包含的内容及比例：高兴83%，厌恶9%，恐惧6%，愤怒2%。
美国马里兰州的约瑟夫?鲍考夫斯基博士认为：“蒙娜丽莎压根就没笑，她的面部表情很典型地说明她想掩饰自己没长门牙。”法国里昂的脑外科专家让?雅克?孔代特博士认为，蒙娜丽莎刚得过一次中风，请看，她半个脸的肌肉是松弛的，脸歪着所以才显得是在微笑。英国医生肯尼思?基友博士相信蒙娜丽莎怀孕了，他的根据是：她的脸上流露出满意的表情，皮肤鲜嫩，双手交叉着放在腹部。性学专家则推测：蒙娜丽莎刚刚经历了性高潮，所以才表现出令世人倾倒的微笑。还有一种近乎无稽之谈的说法：她的表情就像吃完巧克力后被人体内产生的一种欢愉激素苯氨基亚胺俘获了似的，显得万分陶醉。但很少有人相信这种说法，因为当时还没有巧克力呢！总之，一时间众说纷纭，不知谁对谁错。不过近年来，对这个话题，学界已经有了比较可信回答：眼球的运动。
美国哈佛医学院的神经生物学家 玛格丽特?利文斯通 在美国《科学》杂志上，对此作出了解释。她认为， 与其说蒙娜丽莎的神秘微笑与画家的绘画技巧有关，倒不如说它是观察者眼球运动的结果。 利文斯通是研究视成像的专家，她的合作者是1981年诺贝尔生理与医学奖得主 哈勃 教授。近年来她一直潜心于“视觉生理学与绘画关系”的研究，并且多有发现，2006年出版了专著《Vision and art: the biology of seeing》。图1就是从她的这本书里拿来的。
图1 观者在关注蒙娜丽莎不同部位的时候得到的三种影象
众所周知， 人的视觉细胞有2种: 锥细胞和杆细胞 。视锥细胞有600万个，主要集中在视网膜中心，有一个小而浅的凹处，称为小窝，比针尖还小，眼睛所有细微的观察都要靠它。视杆细胞有1.2亿个，分布在视网膜的四周外围。 正是这两种神经器官的联袂工作，交替活动，让人既能看到色彩缤纷的美景，也能感受灰暗朦胧的夜色；既能全神贯注地注视物体的精细结构，也能通过匆匆一瞥，了解环境的大体轮廓。 而人的眼球在大脑反馈的指令下，不断地运动，使视网膜上的图像不断地更迭变化，派生出许许多多奇妙的神经感受。（视觉生理学认为，眼球以3种不同的方式运动：一是颤动，以40-80赫兹频率震颤；颤动叠加在漂移运动上面，半秒内漂移5-10弧分。一次漂移运动结束后，在大约1毫秒的时间内眼球转动，将注视点突然跳到观察对象的另一点上。）
利文斯通认为，人类的眼睛有两个不同部位接收影像：中心部分（即视网膜上的小窝）负责分辨颜色、细致印记；环绕小窝的外围部分则留意黑白�动作和阴影。当人们看着一张脸时，眼睛多数集中注视对方的双眼。假如人们的中心视觉放在蒙娜丽莎的双眼上，较不准确的外围视觉便会落在她的嘴巴上。由于外围视觉并不注重细微之处，无形中突出了颧骨部位的阴影。如此一来，笑容的弧度便显得更加大了。（如图1的左、中）不过，当眼睛直视蒙娜丽莎的嘴巴时，中央视觉便不会看到阴影（图1右）。利文斯通说：“如果看着她的嘴巴，便永远无法捕捉她的笑容。”蒙娜丽莎的笑容若隐若现，就是观者的眼球不断运动的结果。
利文斯通赞叹道：
“达?芬奇是一位天才，他从真实的生活中捕捉到一些不易为人们注意的东西，让我们这些人困惑了500年。”
但是，利文斯通也无法解释为什么其他画家迄今都无法复制出原作的这种效果。她认为，若想完美地复制这幅画，就必须在画蒙娜丽莎的嘴时将视线移开。如何能做到这一点？恐怕就是另外一个谜了。
图2 美国哈佛医学院神经生物学家玛格丽特?利文斯通
2011年11月，利文斯通访问北京大学并接受了记者的专访。当她被问及：“在演讲中您为我们展示了一些图片，很多图片欺骗了我们的眼睛，因为线条和色彩的特殊组合会造成错觉。”利文斯通回答：“我不喜欢称它为‘错觉’。并不是很多东西是由神经自己决定的。当你看这个世界，看一幅完整的画时所看到的结果，会形成错觉。你所获得的是神经的作用，而高级的神经占有很小的比重，能让你看到说‘噢，那是安吉丽娜·朱莉’，事实上是你看整个事物的错觉。艺术家所做的是弄清整个事物，你真正看到了什么，只是小部分关键的东西。所以有时候只是让你看到了小部分关键的东西，你就说‘哇，我看到了全部’。你称它为‘错觉’，那并不是错觉，那只是大脑处理信息的方式。”（可能是记者翻译的问题，这一段话有点不太好理解，为此我谈一些自己的看法：教授说的意思是，所谓错觉，实际上是大脑处理信息的方式引起的。 大脑的处理方式就是删繁就简，突出重点 ，这样一来，次要的信息都被忽略了，因此产生了错觉。）
图3 莫奈的《蒙特戈依街道1878年6月30日，巴黎》
让我们再来感受一次视觉带来的欺骗！图3是印象派大师 莫奈 的《蒙特戈依街道1878年6月30日，巴黎》。如果观者全神贯注地关注画面（当然只能局限于一部分），见到一堆纷乱的色彩条纹和粗糙的笔触，会觉得杂乱无章。但如果我们只是粗粗一瞥，就会产生奇妙的感觉，整个画面散发出一种热烈而奔放的气氛。许许多多原来分散独立的蓝色、红色条块都自然地连成了一面面法国的三色国旗。特别奇妙的是，观者的视觉会把某一种物体的颜色移到相邻的另一个物体上（如把一片红色条纹，安到了原来的蓝条上），这在视觉生理学上称为 幻觉连接 。倘若我们的眼光不断地在画面上游离，就可以感觉到这些彩旗在微风中摆动。 在莫奈大师的许多作品里，观者感觉到的波光粼粼的水面、风中摇曳的花草，那种静中有动之感，都是由画家的技法与视觉生理的机理联袂形成的。
从黎明到早晨的光感
浦肯雅现象
还有一种有趣的视觉现象――浦肯雅现象，也会影响到我们对画作的观赏。
浦肯雅(1787―1869)捷克生理学家，在神经科学上多有建树。1825年他观察到一种现象：日光下明度相等的红花和蓝花，在黄昏的时候蓝花要比红花显得亮一些，这种环境亮度降低时颜色的明亮度发生的变化就称为 浦肯雅现象 。
图4 马蒂斯的《舞蹈》
图4是野兽派大师 马蒂斯 的《舞蹈》，橘红色的人物和蓝色的背景反差相当强烈。请读者先在日光下观看，然后再在昏暗的环境下观看此画，此时你可以观察到浦肯雅现象：蓝色的背景要比红色的人体显得更亮。为什么会产生这样的视觉现象呢？这与人的视觉系统的结构和机理有关。还是前文中说到的人视网膜里存在的两种感光细胞（视杆细胞和视锥细胞），它们各有自己的工作。在弱光下，对光敏感的视杆细胞能够产生视觉，不过分辨率很差，也没有色感。当光线达到中等亮度时，视锥细胞就开始起作用了，这时候会有一些模糊的色感，随着亮度增加到日光的强度，视锥细胞开始主宰视觉，此时周围的世界就变得五光十色了。 产生浦肯雅现象的原因是两种视觉细胞对光谱的感光度有很大的差别： 视杆细胞的最大感光度大约在500纳米的蓝绿光区域（靠近蓝色)；而 视 锥细胞的最大感光度在560纳米的黄绿光（靠近红色)，所以当我们从成像不佳的弱光转为成像清晰的强光时，人眼的感光度会移向红端，所以原来比较暗的红色也变得与蓝色一样亮了，参见图5。
这种有趣的视觉现象也会影响到我们对其它画作的观赏。莫奈的《日出》是大家熟悉的名作。在日光下观看，红色的太阳在蓝色天幕的映衬下显得光彩夺目，使整幅画色彩斑斓，生机勃勃。然而随着外界光线逐渐变暗，红色的太阳渐渐褪去光芒，太阳便成了一个圆形的黑斑融入灰色的天穹里。（读者可以在电脑里下载《日出》，然后用照相处理方式使画面褪色，看到这种效果。）
图5 两种感光细胞
横轴：波长（单位：纳米），从左至右依次为紫外线、可见光、红外线。 纵轴：光感受反应。图中橘色线为视杆细胞，黑线为视锥细胞。
景动、眼动、心不动
视觉恒常性原理
大诗人 歌德 在他的《论颜色的科学》里有这样一段话：
“深颜色的东西看起来要比同样大小的鲜明颜色的东西小。假如把画在黑色背景上的白圆点跟画在白色背景上的同样大小的黑圆点放在一起看，会觉得黑圆点要比白圆点小1/5。假如把黑圆点适当地放大，那么两种圆点看起来就仿佛相等了。一弯新月看起来仿佛是比月面的阴暗部分（有时候它可以看得出的)有更大直径的圆的一部分。穿深色衣服的人，要比他穿鲜明颜色衣服的时候显得瘦些。从门框后面看一只灯，可以看到正对那灯的门框旁边仿佛缺了一些。放在烛光前面的一支尺，在正对烛光的地方显出一个凹痕。日出和日落的时候，地平线上都仿佛有一个凹陷似的。”
歌德的话传递了这样的信息： 眼见并不为实 。这是为什么呢？原来视网膜上的感光细胞接收到光信号后，要通过视觉神经把信号传送给视中枢，由大脑的视皮层区分析判断才能产生视觉。读者不要认为视皮层区只是被动地接收信号。不！它要把信号分门别类，还要主动有所取舍。所以视知觉与视网膜接收到的信号是不一致的！例如你白天见到一盆盆栽，感知色彩的视觉椎细胞告诉你花是红的，叶是绿的。晚上视觉椎细胞不起作用了，弱光下工作的视觉杆细胞却见花朵和叶子都成了灰黑色。尽管如此，此时你的视知觉（大脑里储存的经验会对知觉进行修正）告诉你，还是绿叶红花，并非黛花灰叶。这就是 视觉恒常性原理 。
失之东隅、收之桑榆
空间频率
视神经科学里还有许多道理，有些与绘画的关系还很密切呢!
在视神经科学里，一个图像的粗糙或精细程度可以用 空间频率 来描述： 在高空间频率的区域，图像细部清晰，整体模糊；而在低空间频率的区域，图像细节模糊，整体的特征凸现。 读者如想见识这两种不同的图像，不妨做个模拟试验：取一架数码相机将镜头对着前面的景色，由于没有调节镜头，只能在取景器上见到模糊的画面，这就是低空间频率的图像。倘若此时镜头前有运动物体出现，那么能自动调节的镜头就会追踪运动物体，获取清晰的图像。这时取景器里得到的就是高空间频率的图像。有意思的是 人的视觉会通过自动调节来获取合适频率的图像 ，一般是先扫描得到外界的整体大概情况，然而有选择地关注某个局部，获取高空间频率的图像。为体验对不同频率图像的感受，读者不妨取一幅蒙娜丽莎画的复制品，挂在墙上，直接盯着画某一部位（如嘴唇）细看时，则无欢笑感觉。而当你从侧面快速一瞥，却可以看到她笑容可掬。前者是感受了高空间频率图像，而后者看到的是低空间频率的图像，二者给人的感觉完全不一样。笔者借用利文斯通的插图（图1）来说明这个问题。图1是蒙娜丽莎画像的三个频率的分量图片（就像一个声音可以分成低、中和高频率一样），自左向右分别代表了低、中和高频率（通俗讲就是分辨率）。可以看到在分辨率低、中的图像里蒙娜丽莎笑容很明显，而在分辨率高的图像中看不到她的笑容。
科学家还通过实验告诉我们：动物的视觉神经系统对不同的频率图像是有不同感受的。实验证明：把微电极插入猫的视网膜的神经细胞，给它观看不同空间频率的图像，发现神经细胞只对某一空间频率范围内的图形有强烈的反应。而我们人类的神经系统虽然能响应一定宽度的频带，但也是有选择的。研究发现， 粗糙模式下的图像更能刺激人大脑里的”杏仁体”结构，而杏仁体正是大脑里的情感中心 。所以哈佛大学的 卡瓦纳 教授说：
“印象派绘画作品由于斑驳的笔触和色彩，而与大脑的情感中心关系更加密切，因而忽略细节的印象派绘画较之同样景象的照片更能打动人。”
图6 雷诺阿的《游艇聚会的午餐》,1881年
印象派画家 雷诺阿 (1841-1919) 的《游艇聚会的午餐》(图6)很好地证实了这一科学道理。该画显示出一种“速写化”的特征，好像画作还没有完成。因为你要想仔细观察人物的面部和其它细节，几乎都得不到明确的结果。即便是坐在最前排的那位女士，她的眼睛和前额也处于阴影之中，模糊不清；阳光照在她的嘴和下巴上，光斑有点跃眼；而身上的衣服也用粗放的笔触涂抹，闪着明亮的反光。虽然我们看不清楚大部分人的五官、衣服和神态，但这样的场面我们只要用目光一瞥便可感知它的氛围：热情奔放、活力四溢、光色颤动。
《游艇聚会的午餐》通过一群年轻男女的午餐聚会场景，精彩地表现了一种欢愉悠闲的生活状态和情调。画中人物亮丽的服饰及轻松的神态，折射出了平和与安静的气息。坐在左边玩宠物的是画家的未婚妻阿琳·沙里戈特。
雷诺阿是印象派里最善于画人物的画家。美术史评论他“总是能从被他和善的目光注意到的事物中感受到单纯的快乐，他着意要表现这些事物留下的印象、感觉，它们的普遍性，以及瞬息之间呈于我们眼前的生活。”雷诺阿自己也说：
“从理想角度说，也许每一件东西都值得我去关注，可实际上我们没有时间。我们只会记住匆匆而过，马上能够引起我们注意的景物。”
彩云烘托月更明
马赫带效应
马赫带效应 是1868年由奥地利物理学家马赫发现的一种明度对比现象，即是指人们在明暗交界处感到亮处更亮，暗处更暗的现象。
图7 马赫带实验图
如图7所示，它是一种主观的边缘对比效应。上图的左边是喑区，右边是亮区，中间是过渡区，请仔细观察过渡区，可以看到一条亮线和一条喑线。下图是用仪器实测上图中的照明分布得到的结果，虚线是人感知到的亮度分布。亮度分布曲线上的峰和谷就是对应的马赫带。显然，如能把这种效应巧妙地融入绘画创作之中，便能收到渲染烘托的效果。
事实上，画家早在几百年之前就凭着自己的感觉在尝试这样的画法了。我国古代的画家用谈墨在宣纸上渲染一下，中央留出一个圆表示月亮。尽管圆圈里的宣纸与谈墨阴影外的纸同样白，但内圆表示的月亮看起来更加明亮。
图8 卢梭的画
图8是后印象派画家 卢梭 的画，在这如梦如幻的画作里，空中美丽的月亮清楚地显示了马赫带效应：月亮的圆周有一个深色的外圆圈和一个比较明亮的内圆圈构成的马赫带。
而英国画家 赖特 创作的月光系列是这一类作品里最负盛名的画作。可以肯定，他是有意识地表达了这种光影对比效应（虽然他并不知道这种效应的名称和原理）。他在每一幅画上都画了一轮明月，在彩云的映衬下显得格外皎洁明亮。图9是他该系列作品里的一幅名作《磷的发现》(1771年)。画中跪在地上的老人是痴迷炼金术的德国商人 布朗德 。1669年，布朗德从大量的尿液中通过强热蒸发的方法提炼出粉末状的磷。他在蒸发尿的过程中，偶然地在曲颈瓶的接受器中发现到后来被称之为“磷”的一种特殊的白色团体，像是蜡，带有蒜臭味，在黑暗中不断发光，于是称它为kalte feuer（德文，冷火）。至于他为什么这样做，有人说他是异想天开，企图从有机体中找到使贱金属转变成金和银的“哲人石”，也有人说，当时的人普遍认为凡是金色的东西里都会含有金，尿是金黄色，所以他想从尿里提炼金子。虽然最终他没实现心愿，但发现了磷，也算没有白忙乎一场。
图9 赖特的《磷的发现》，1771年
该画记录了磷元素的发现：布朗德被磷燃烧所发出的耀眼光辉所震惊，与此形成对照的是背景中负责记录的助手桌前微弱的烛光，以及顶部透过窗户射进来的清冷的月光。
布朗德的发现首先引起了当时德国学者们的注意，其中有哲学家兼数学家的莱布尼兹、化学家克拉夫特、孔克尔、艾尔绍兹等人。也正是他们把布朗德制得磷的事迹记录下来，传播了出去。今天化学史研究者们也只是根据他们的记述，肯定布朗德首先发现了磷。莱布尼兹著有《磷的发现史》(1710年出版)；孔克尔著有《奇异的磷和奇异的发光丸》(1677年出版)；艾尔绍兹著有《磷的观测》(1681年出版)。此外，当时还有一位名叫克拉夫特的人用金钱向布朗德购得制取磷的秘密，然后在好几个欧洲国家的王侯宫殿里表演：他熄灭了烛火，用自制的磷表演磷发光的实验，表演的地点包括普鲁士大选侯腓特烈·威廉和英国皇帝查理二世的宫殿。
科学史上称， 布朗德 是第一个记录了一种化学元素发现过程的人。画面中的布朗德被磷燃烧所发出的耀眼光辉所震惊，与此形成对照的是背景中负责记录的助手桌前微弱的烛光，以及顶部透过窗户射进来的清冷的月光。
印象派画法和月光系列画的成功告诉我们，凡迎合视觉机理偏好的绘画技法，往往能取得出奇制胜的效果。
参考文献
[1] Livingstone M,Hubel D.Vision and art: the biology of seeing [M]. New York: Harry N. Abrams, Inc., 2008:70-75.
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[6] 梦隐 . 美术作品中的化学家与化学实验 [J]. 科学文化评论 ,2011(2): 128.
本文原题为 《 视知觉与绘画二议 》 ，原载于《自然杂志》 。《赛先生》获作者授权独家首发于电子媒体，发表时经再次修订和补充。
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