視覺的欺騙：古典名畫是這樣讓你陶醉的！

科技 06-12

視覺的欺騙：古典名畫是這樣讓你陶醉的！

歌德告訴我們：眼見並不為實。現代科學研究發現，粗糙模式下的圖像更能刺激人大腦里的」杏仁體」結構，而杏仁體正是大腦里的情感中心。這就是為什麼印象派繪畫較之同樣景象的真實照片更能打動人。

林鳳生（上海大學教授，《自然雜誌》退休編審）

蒙娜麗莎的微笑之謎

眼球的運動

眾所周知，人們在觀賞世界第一名畫——達芬奇的《蒙娜麗莎》時，常常會被畫中人物的微笑所迷惑。初看上去，人們會領略一份安謐的微笑；仔細觀察，又會感到笑容消逝；凝神端詳，笑容重現，繼而又退去……為什麼這幅畫會產生這樣的神奇效果？

500年來，人們一直對《蒙娜麗莎》神秘的微笑莫衷一是。不同的觀者在不同的時間去看，感受似乎都不同。通常在一幅畫中，光線的變化不像在雕塑中能產生那樣大的差別。但在蒙娜麗莎的臉上，微暗的陰影時隱時現，為她的雙眼與唇部披上了一層面紗。而人的笑容主要表現在眼角和嘴角上，達?芬奇卻偏把這些部位畫得若隱若現，沒有明確的界線，因此才會有這令人捉摸不定的「神秘的微笑」。荷蘭阿姆斯特丹的一所大學應用「情感識別軟體」分析出蒙娜麗莎的微笑包含的內容及比例：高興83%，厭惡9%，恐懼6%，憤怒2%。

美國馬里蘭州的約瑟夫?鮑考夫斯基博士認為：「蒙娜麗莎壓根就沒笑，她的面部表情很典型地說明她想掩飾自己沒長門牙。」法國里昂的腦外科專家讓?雅克?孔代特博士認為，蒙娜麗莎剛得過一次中風，請看，她半個臉的肌肉是鬆弛的，臉歪著所以才顯得是在微笑。英國醫生肯尼思?基友博士相信蒙娜麗莎懷孕了，他的根據是：她的臉上流露出滿意的表情，皮膚鮮嫩，雙手交叉著放在腹部。性學專家則推測：蒙娜麗莎剛剛經歷了性高潮，所以才表現出令世人傾倒的微笑。還有一種近乎無稽之談的說法：她的表情就像吃完巧克力後被人體內產生的一種歡愉激素苯氨基亞胺俘獲了似的，顯得萬分陶醉。但很少有人相信這種說法，因為當時還沒有巧克力呢！總之，一時間眾說紛紜，不知誰對誰錯。不過近年來，對這個話題，學界已經有了比較可信回答：眼球的運動。

美國哈佛醫學院的神經生物學家瑪格麗特?利文斯通在美國《科學》雜誌上，對此作出了解釋。她認為，與其說蒙娜麗莎的神秘微笑與畫家的繪畫技巧有關，倒不如說它是觀察者眼球運動的結果。利文斯通是研究視成像的專家，她的合作者是1981年諾貝爾生理與醫學獎得主哈勃教授。近年來她一直潛心於「視覺生理學與繪畫關係」的研究，並且多有發現，2006年出版了專著《Vision and art: the biology of seeing》。圖1就是從她的這本書里拿來的。

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圖1 觀者在關注蒙娜麗莎不同部位的時候得到的三種影象

眾所周知，人的視覺細胞有2種: 錐細胞和桿細胞。視錐細胞有600萬個，主要集中在視網膜中心，有一個小而淺的凹處，稱為小窩，比針尖還小，眼睛所有細微的觀察都要靠它。視桿細胞有1.2億個，分布在視網膜的四周外圍。正是這兩種神經器官的聯袂工作，交替活動，讓人既能看到色彩繽紛的美景，也能感受灰暗朦朧的夜色；既能全神貫注地注視物體的精細結構，也能通過匆匆一瞥，了解環境的大體輪廓。而人的眼球在大腦反饋的指令下，不斷地運動，使視網膜上的圖像不斷地更迭變化，派生出許許多多奇妙的神經感受。（視覺生理學認為，眼球以3種不同的方式運動：一是顫動，以40-80赫茲頻率震顫；顫動疊加在漂移運動上面，半秒內漂移5-10弧分。一次漂移運動結束後，在大約1毫秒的時間內眼球轉動，將注視點突然跳到觀察對象的另一點上。）

利文斯通認為，人類的眼睛有兩個不同部位接收影像：中心部分（即視網膜上的小窩）負責分辨顏色、細緻印記；環繞小窩的外圍部分則留意黑白﹑動作和陰影。當人們看著一張臉時，眼睛多數集中注視對方的雙眼。假如人們的中心視覺放在蒙娜麗莎的雙眼上，較不準確的外圍視覺便會落在她的嘴巴上。由於外圍視覺並不注重細微之處，無形中突出了顴骨部位的陰影。如此一來，笑容的弧度便顯得更加大了。（如圖1的左、中）不過，當眼睛直視蒙娜麗莎的嘴巴時，中央視覺便不會看到陰影（圖1右）。利文斯通說：「如果看著她的嘴巴，便永遠無法捕捉她的笑容。」蒙娜麗莎的笑容若隱若現，就是觀者的眼球不斷運動的結果。

利文斯通讚歎道：

「達?芬奇是一位天才，他從真實的生活中捕捉到一些不易為人們注意的東西，讓我們這些人困惑了500年。」

但是，利文斯通也無法解釋為什麼其他畫家迄今都無法複製出原作的這種效果。她認為，若想完美地複製這幅畫，就必須在畫蒙娜麗莎的嘴時將視線移開。如何能做到這一點？恐怕就是另外一個謎了。

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圖2 美國哈佛醫學院神經生物學家瑪格麗特?利文斯通

2011年11月，利文斯通訪問北京大學並接受了記者的專訪。當她被問及：「在演講中您為我們展示了一些圖片，很多圖片欺騙了我們的眼睛，因為線條和色彩的特殊組合會造成錯覺。」利文斯通回答：「我不喜歡稱它為『錯覺』。並不是很多東西是由神經自己決定的。當你看這個世界，看一幅完整的畫時所看到的結果，會形成錯覺。你所獲得的是神經的作用，而高級的神經佔有很小的比重，能讓你看到說『噢，那是安吉麗娜·朱莉』，事實上是你看整個事物的錯覺。藝術家所做的是弄清整個事物，你真正看到了什麼，只是小部分關鍵的東西。所以有時候只是讓你看到了小部分關鍵的東西，你就說『哇，我看到了全部』。你稱它為『錯覺』，那並不是錯覺，那只是大腦處理信息的方式。」（可能是記者翻譯的問題，這一段話有點不太好理解，為此我談一些自己的看法：教授說的意思是，所謂錯覺，實際上是大腦處理信息的方式引起的。大腦的處理方式就是刪繁就簡，突出重點，這樣一來，次要的信息都被忽略了，因此產生了錯覺。）

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圖3 莫奈的《蒙特戈依街道1878年6月30日，巴黎》

讓我們再來感受一次視覺帶來的欺騙！圖3是印象派大師莫奈的《蒙特戈依街道1878年6月30日，巴黎》。如果觀者全神貫注地關注畫面（當然只能局限於一部分），見到一堆紛亂的色彩條紋和粗糙的筆觸，會覺得雜亂無章。但如果我們只是粗粗一瞥，就會產生奇妙的感覺，整個畫面散發出一種熱烈而奔放的氣氛。許許多多原來分散獨立的藍色、紅色條塊都自然地連成了一面面法國的三色國旗。特別奇妙的是，觀者的視覺會把某一種物體的顏色移到相鄰的另一個物體上（如把一片紅色條紋，安到了原來的藍條上），這在視覺生理學上稱為幻覺連接。倘若我們的眼光不斷地在畫面上游離，就可以感覺到這些彩旗在微風中擺動。在莫奈大師的許多作品裡，觀者感覺到的波光粼粼的水面、風中搖曳的花草，那種靜中有動之感，都是由畫家的技法與視覺生理的機理聯袂形成的。

從黎明到早晨的光感

浦肯亞現象

還有一種有趣的視覺現象——浦肯亞現象，也會影響到我們對畫作的觀賞。

浦肯亞(1787—1869)捷克生理學家，在神經科學上多有建樹。1825年他觀察到一種現象：日光下明度相等的紅花和藍花，在黃昏的時候藍花要比紅花顯得亮一些，這種環境亮度降低時顏色的明亮度發生的變化就稱為浦肯亞現象。

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圖4 馬蒂斯的《舞蹈》

圖4是野獸派大師馬蒂斯的《舞蹈》，橘紅色的人物和藍色的背景反差相當強烈。請讀者先在日光下觀看，然後再在昏暗的環境下觀看此畫，此時你可以觀察到浦肯亞現象：藍色的背景要比紅色的人體顯得更亮。為什麼會產生這樣的視覺現象呢？這與人的視覺系統的結構和機理有關。還是前文中說到的人視網膜里存在的兩種感光細胞（視桿細胞和視錐細胞），它們各有自己的工作。在弱光下，對光敏感的視桿細胞能夠產生視覺，不過解析度很差，也沒有色感。當光線達到中等亮度時，視錐細胞就開始起作用了，這時候會有一些模糊的色感，隨著亮度增加到日光的強度，視錐細胞開始主宰視覺，此時周圍的世界就變得五光十色了。產生浦肯亞現象的原因是兩種視覺細胞對光譜的感光度有很大的差別：視桿細胞的最大感光度大約在500納米的藍綠光區域（靠近藍色)；而視錐細胞的最大感光度在560納米的黃綠光（靠近紅色)，所以當我們從成像不佳的弱光轉為成像清晰的強光時，人眼的感光度會移向紅端，所以原來比較暗的紅色也變得與藍色一樣亮了，參見圖5。

這種有趣的視覺現象也會影響到我們對其它畫作的觀賞。莫奈的《日出》是大家熟悉的名作。在日光下觀看，紅色的太陽在藍色天幕的映襯下顯得光彩奪目，使整幅畫色彩斑斕，生機勃勃。然而隨著外界光線逐漸變暗，紅色的太陽漸漸褪去光芒，太陽便成了一個圓形的黑斑融入灰色的天穹里。（讀者可以在電腦里下載《日出》，然後用照相處理方式使畫面褪色，看到這種效果。）

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圖5 兩種感光細胞

橫軸：波長（單位：納米），從左至右依次為紫外線、可見光、紅外線。縱軸：光感受反應。圖中橘色線為視桿細胞，黑線為視錐細胞。

景動、眼動、心不動

視覺恆常性原理

大詩人歌德在他的《論顏色的科學》里有這樣一段話：

「深顏色的東西看起來要比同樣大小的鮮明顏色的東西小。假如把畫在黑色背景上的白圓點跟畫在白色背景上的同樣大小的黑圓點放在一起看，會覺得黑圓點要比白圓點小1/5。假如把黑圓點適當地放大，那麼兩種圓點看起來就彷彿相等了。一彎新月看起來彷彿是比月面的陰暗部分（有時候它可以看得出的)有更大直徑的圓的一部分。穿深色衣服的人，要比他穿鮮明顏色衣服的時候顯得瘦些。從門框後面看一隻燈，可以看到正對那燈的門框旁邊彷彿缺了一些。放在燭光前面的一支尺，在正對燭光的地方顯出一個凹痕。日出和日落的時候，地平線上都彷彿有一個凹陷似的。」

歌德的話傳遞了這樣的信息：眼見並不為實。這是為什麼呢？原來視網膜上的感光細胞接收到光信號後，要通過視覺神經把信號傳送給視中樞，由大腦的視皮層區分析判斷才能產生視覺。讀者不要認為視皮層區只是被動地接收信號。不！它要把信號分門別類，還要主動有所取捨。所以視知覺與視網膜接收到的信號是不一致的！例如你白天見到一盆盆栽，感知色彩的視覺椎細胞告訴你花是紅的，葉是綠的。晚上視覺椎細胞不起作用了，弱光下工作的視覺桿細胞卻見花朵和葉子都成了灰黑色。儘管如此，此時你的視知覺（大腦里儲存的經驗會對知覺進行修正）告訴你，還是綠葉紅花，並非黛花灰葉。這就是視覺恆常性原理。

失之東隅、收之桑榆

空間頻率

視神經科學裡還有許多道理，有些與繪畫的關係還很密切呢!

在視神經科學裡，一個圖像的粗糙或精細程度可以用空間頻率來描述：在高空間頻率的區域，圖像細部清晰，整體模糊；而在低空間頻率的區域，圖像細節模糊，整體的特徵凸現。讀者如想見識這兩種不同的圖像，不妨做個模擬試驗：取一架數碼相機將鏡頭對著前面的景色，由於沒有調節鏡頭，只能在取景器上見到模糊的畫面，這就是低空間頻率的圖像。倘若此時鏡頭前有運動物體出現，那麼能自動調節的鏡頭就會追蹤運動物體，獲取清晰的圖像。這時取景器里得到的就是高空間頻率的圖像。有意思的是人的視覺會通過自動調節來獲取合適頻率的圖像，一般是先掃描得到外界的整體大概情況，然而有選擇地關注某個局部，獲取高空間頻率的圖像。為體驗對不同頻率圖像的感受，讀者不妨取一幅蒙娜麗莎畫的複製品，掛在牆上，直接盯著畫某一部位（如嘴唇）細看時，則無歡笑感覺。而當你從側面快速一瞥，卻可以看到她笑容可掬。前者是感受了高空間頻率圖像，而後者看到的是低空間頻率的圖像，二者給人的感覺完全不一樣。筆者借用利文斯通的插圖（圖1）來說明這個問題。圖1是蒙娜麗莎畫像的三個頻率的分量圖片（就像一個聲音可以分成低、中和高頻率一樣），自左向右分別代表了低、中和高頻率（通俗講就是解析度）。可以看到在解析度低、中的圖像里蒙娜麗莎笑容很明顯，而在解析度高的圖像中看不到她的笑容。

科學家還通過實驗告訴我們：動物的視覺神經系統對不同的頻率圖像是有不同感受的。實驗證明：把微電極插入貓的視網膜的神經細胞，給它觀看不同空間頻率的圖像，發現神經細胞只對某一空間頻率範圍內的圖形有強烈的反應。而我們人類的神經系統雖然能響應一定寬度的頻帶，但也是有選擇的。研究發現，粗糙模式下的圖像更能刺激人大腦里的」杏仁體」結構，而杏仁體正是大腦里的情感中心。所以哈佛大學的卡瓦納教授說：

「印象派繪畫作品由於斑駁的筆觸和色彩，而與大腦的情感中心關係更加密切，因而忽略細節的印象派繪畫較之同樣景象的照片更能打動人。」

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圖6 雷諾阿的《遊艇聚會的午餐》,1881年

印象派畫家雷諾阿(1841-1919)的《遊艇聚會的午餐》(圖6)很好地證實了這一科學道理。該畫顯示出一種「速寫化」的特徵，好像畫作還沒有完成。因為你要想仔細觀察人物的面部和其它細節，幾乎都得不到明確的結果。即便是坐在最前排的那位女士，她的眼睛和前額也處於陰影之中，模糊不清；陽光照在她的嘴和下巴上，光斑有點躍眼；而身上的衣服也用粗放的筆觸塗抹，閃著明亮的反光。雖然我們看不清楚大部分人的五官、衣服和神態，但這樣的場面我們只要用目光一瞥便可感知它的氛圍：熱情奔放、活力四溢、光色顫動。

《遊艇聚會的午餐》通過一群年輕男女的午餐聚會場景，精彩地表現了一種歡愉悠閑的生活狀態和情調。畫中人物亮麗的服飾及輕鬆的神態，折射出了平和與安靜的氣息。坐在左邊玩寵物的是畫家的未婚妻阿琳·沙里戈特。

雷諾阿是印象派里最善於畫人物的畫家。美術史評論他「總是能從被他和善的目光注意到的事物中感受到單純的快樂，他著意要表現這些事物留下的印象、感覺，它們的普遍性，以及瞬息之間呈於我們眼前的生活。」雷諾阿自己也說：

「從理想角度說，也許每一件東西都值得我去關注，可實際上我們沒有時間。我們只會記住匆匆而過，馬上能夠引起我們注意的景物。」

彩雲烘托月更明

馬赫帶效應

馬赫帶效應是1868年由奧地利物理學家馬赫發現的一種明度對比現象，即是指人們在明暗交界處感到亮處更亮，暗處更暗的現象。

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圖7 馬赫帶實驗圖

如圖7所示，它是一種主觀的邊緣對比效應。上圖的左邊是喑區，右邊是亮區，中間是過渡區，請仔細觀察過渡區，可以看到一條亮線和一條喑線。下圖是用儀器實測上圖中的照明分布得到的結果，虛線是人感知到的亮度分布。亮度分布曲線上的峰和谷就是對應的馬赫帶。顯然，如能把這種效應巧妙地融入繪畫創作之中，便能收到渲染烘托的效果。

事實上，畫家早在幾百年之前就憑著自己的感覺在嘗試這樣的畫法了。我國古代的畫家用談墨在宣紙上渲染一下，中央留出一個圓表示月亮。儘管圓圈裡的宣紙與談墨陰影外的紙同樣白，但內圓表示的月亮看起來更加明亮。

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圖8 盧梭的畫

圖8是後印象派畫家盧梭的畫，在這如夢如幻的畫作里，空中美麗的月亮清楚地顯示了馬赫帶效應：月亮的圓周有一個深色的外圓圈和一個比較明亮的內圓圈構成的馬赫帶。

而英國畫家賴特創作的月光系列是這一類作品裡最負盛名的畫作。可以肯定，他是有意識地表達了這種光影對比效應（雖然他並不知道這種效應的名稱和原理）。他在每一幅畫上都畫了一輪明月，在彩雲的映襯下顯得格外皎潔明亮。圖9是他該系列作品裡的一幅名作《磷的發現》(1771年)。畫中跪在地上的老人是痴迷鍊金術的德國商人布朗德。1669年，布朗德從大量的尿液中通過強熱蒸發的方法提煉出粉末狀的磷。他在蒸發尿的過程中，偶然地在曲頸瓶的接受器中發現到後來被稱之為「磷」的一種特殊的白色團體，像是蠟，帶有蒜臭味，在黑暗中不斷發光，於是稱它為kalte feuer（德文，冷火）。至於他為什麼這樣做，有人說他是異想天開，企圖從有機體中找到使賤金屬轉變成金和銀的「哲人石」，也有人說，當時的人普遍認為凡是金色的東西里都會含有金，尿是金黃色，所以他想從尿里提煉金子。雖然最終他沒實現心愿，但發現了磷，也算沒有白忙乎一場。

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圖9 賴特的《磷的發現》，1771年

該畫記錄了磷元素的發現：布朗德被磷燃燒所發出的耀眼光輝所震驚，與此形成對照的是背景中負責記錄的助手桌前微弱的燭光，以及頂部透過窗戶射進來的清冷的月光。

布朗德的發現首先引起了當時德國學者們的注意，其中有哲學家兼數學家的萊布尼茲、化學家克拉夫特、孔克爾、艾爾紹茲等人。也正是他們把布朗德製得磷的事迹記錄下來，傳播了出去。今天化學史研究者們也只是根據他們的記述，肯定布朗德首先發現了磷。萊布尼茲著有《磷的發現史》(1710年出版)；孔克爾著有《奇異的磷和奇異的發光丸》(1677年出版)；艾爾紹茲著有《磷的觀測》(1681年出版)。此外，當時還有一位名叫克拉夫特的人用金錢向布朗德購得製取磷的秘密，然後在好幾個歐洲國家的王侯宮殿里表演：他熄滅了燭火，用自製的磷表演磷發光的實驗，表演的地點包括普魯士大選侯腓特烈·威廉和英國皇帝查理二世的宮殿。

科學史上稱，布朗德是第一個記錄了一種化學元素髮現過程的人。畫面中的布朗德被磷燃燒所發出的耀眼光輝所震驚，與此形成對照的是背景中負責記錄的助手桌前微弱的燭光，以及頂部透過窗戶射進來的清冷的月光。

印象派畫法和月光系列畫的成功告訴我們，凡迎合視覺機理偏好的繪畫技法，往往能取得出奇制勝的效果。

參考文獻

[1] Livingstone M,Hubel D.Vision andart: the biology of seeing [M]. New York: Harry N. Abrams, Inc., 2008:70-75.

[2]陳葉軍.專訪哈佛大學教授利文斯通:關於大腦,藝術能告訴我們什麼[EB/OL]. (2011-11-08)[2013-05-24]. http: //www.people.com.cn.

[3]劉曉玲.視覺神經生理學(供眼視光學專業用) [M].第1版.北京:人民衛生出版社, 2004: 9.

[4]約翰·基西克.基西克藝術史[M].水平,朱軍,譯.哈爾濱:北方文藝出版社,2007.

[5]王谷岩,吳衛國,田麗娟,等.視覺與仿生學[M].上海:知識出版社, 1984.

[6]夢隱.美術作品中的化學家與化學實驗[J].科學文化評論,2011(2): 128.

本文原題為《視知覺與繪畫二議》，原載於《自然雜誌》。《賽先生》獲作者授權獨家首發於電子媒體，發表時經再次修訂和補充。

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