Living in Difference

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--亮度對比與側抑制(Brightness Contrast and Lateral Inhibition)

by Julient Chen

在視覺的領域中，「對比(contrast)」是一個常常在探討的議題。簡單地來說，對比指的就是事物間的各種「差異」，像是大小的差異、距離遠近的差異、顏色的差異等等，都屬於對比所要討論的範圍。


為什麼對比或是差異那麼受到重視呢？最主要的原因，就在於人類的知覺系統對「絕對物理量(像是聲波頻率、聲音強度等等)」反應並不敏銳，反而對「對比」相當敏感。舉例來說，在夜深人靜時放了一個屁，它的聲音一定相當地清晰，搞不好還會把自己給嚇醒呢！然而，如果在西門町街上放個一樣響的屁，有誰會聽見呢？如果人類對絕對物理量很銳的話，同樣響度的聲音，聽起來應該一樣大聲才對，怎麼會因為週遭環境的不同，而產生不同的感覺呢？一個很直覺得答案是：「因為晚上睡覺時，身旁安靜無聲；但是街上車子的聲音會把放屁的聲音給蓋過。」沒錯，因為外在環境和屁聲的差異不同，也就是「對比」不同， 造成了我們對相同事物的感覺也完全不同了。換言之，我們人啊，是活在差異之中。

現在我們來看看上方這個圖，請大家比較一下，兩個灰色的小正方形，顏色或是亮度是否相同呢？一般而言，我們會覺得左邊的小正方形比右邊的小正方形還要亮，但是事實上(絕對物理量上)，這兩個小正方形的亮度和色彩是完全一模一樣的。請相信我，這張圖是我用Photoshop，複製了左邊的灰色正方形到右邊去的。大家只要拿張紙把黑色和白色部份遮起來，就會發現我所言不假。


這是一個「錯覺(illusion)」的demo，錯覺指的是人類所知覺到的，與現實物理世界不同(「幻覺(delusion)」則是知覺到現實世界不存在的事物)。視覺的領域中，我們常常用這個錯覺來說明週邊環境是如何影響我們的知覺。這個現像，在視覺訊號還沒到達大腦之前就發生了，根據視神經細胞的排列形狀，它可以用「側抑制(lateral inhibition)」來解釋。
在說明側抑制的概念之前，我們先來把所謂的「顏色」或是「亮度」轉換成簡單的數字。熟悉影像處理的朋友一定知道，一般8-bit的色階，就是用0~255的數字，來表示256種不同的顏色；如果這256種不同的顏色，按照最暗的黑色，排到最亮的白色的話，就會像上圖所示一樣，0代表黑色，125大概是灰色，255是白色。為了簡化說明，我們將這些數字比擬成每個顏色所放射出的光線強度好了；黑色的光線強度是0，灰色的光線強到是125，而白色的光線強度是255。我們之所以能看到東西，就是因為視神經細胞會吸收光線，並且根據光線的強度，產生不同大小的神經反應；吸收的光線強度越強，神經的反應就會越大。


在我們眼球的底部，佈滿了會因光線而引發反應的細胞，我們稱它們為「感光細胞」。這些細胞排列得密密麻麻的，而且彼此之間又有神經相互聯繫著。左邊這個圖，是一個大略描述細胞分佈和聯結的示意圖。這些對光線反應的細胞，可是會形成小團體的喔，在同一個團體中，它們的聯結就是互相增強；而不同的團體之間的聯結，就有互相競爭、互相抑制的效果。如左邊這張圖，週圍深綠色的細胞，會對中間深紅色的細胞輸送抑制的信號(以「-」表示)；而中間深紅色的細胞，彼此間則呈現相互增強的效果(以「+」表示)。



現在，我們把黑色和灰色正方形從中間橫著切開，就像右圖最上方一樣，變成黑、灰、黑的排列。如同我們剛剛將亮度所賦與的數字，黑色的強度是+0，灰色的強度是+68。我們假設每個感光細胞的反應，剛好會等於它接收到的強度；因此，兩旁深綠色的感光細胞在此時不會有反應。中間兩個深紅色的細胞，會因為接收到灰色所發出+68的光線，而產生+68的反應。剛剛曾提到，這些感光細胞是彼此聯結的。我們把焦點放在靠左邊的那個深紅色細胞上，它自己本身會因接收到+68的光線，而產生+68的反應，但是它右邊的深紅色細胞也會傳來+68的反應，使得總反應變成68+68=136。這個狀況下，旁邊深綠色的細胞因為沒有反應，所以對深紅色細胞沒有發生抑制的效果。這一連串的反應，寫成數學式的話，就如右圖下方一樣：68+68-0.1*(0+0)=136。為什麼0+0之前還要乘一個0.1呢？這是表示週圍細胞對中間細胞的抑制，有經過一個權重的過程，這是為了防止週邊的影響不要「越俎代庖」、防止「乞丐趕廟公」的事情發生；也就是說，週圍的細胞的確會對中央細胞發生影響，但是影響並不會完全取代的效果。畢竟，我們還不至於會把白色看成黑色吧！





反過來，我們看看被白色所包圍的灰色正方形，會引發怎麼樣的神經反應。如左圖所示，中間的兩個深紅色細胞仍然會有+68的反應，但是這個時候兩旁的綠色細胞也發生了+255的反應。偏左邊的深紅細胞除了自身的+68反應外，也會收到右邊深紅色細胞+68的加持，使得反應變成68+68=+136。繼續往下看，偏左邊的深紅細胞會收到左邊兩個深綠色細胞的抑制訊號，使得原本+136的反應，被減去了0.1*(255+255)，剩下+85的反應而已了。另一方面，我們也可以發現，如果不對綠色細胞乘上0.1的權重，紅色細胞就會收到-510的抑制訊號，使得反應完全歸零了。但是我們並不會把灰色看成黑色，頂多看成比較暗的灰色罷了。也因此，側抑制訊號的權重過程是必需的。


這就是所謂「側抑制」的效果。原本一模一樣的灰色區塊，對細胞產生的反應卻不同，一個+136，另一個只有+85。也因此，我們會覺得被白色包圍的灰色正方形，比被黑色包圍的灰色正方形還要來得暗。事實上，細胞間彼此聯結的複雜度，遠超過本文所描述的的。其中權重、聯結順序、細胞的分佈範圍等等，都有很多議題存在，本文僅以最簡單的方式，將其主要精神表現出來。


透過對側抑制的介紹，我們可以看到亮度在不同背景之下會有所變化，這也印證了人類的視覺系統對差異是非常敏感的。現在電腦繪圖相當發達，使用者可以精準地用色碼決定顏色，但是各位不要忘了，電腦能提供精確的「絕對物理量」，卻不能準確預測我們看到的會是什麼。今天我們舉的這個錯覺例子，只涉及到亮度的知覺，其實側抑制在色彩知覺中，也有非常大的影響，未來我們也會進一步來介紹。





(註：這一個類別的文章，是應台灣創意公司的邀請，在他們blog上發佈針對和設計有關的心理、神經基制介紹，內容都會盡量簡單化、圖表化，希望能讓不同領域的讀者，了解一些有趣的現象。網址是http://blog.boco.com.tw/blogs/techno0831/default.aspx ，因為目前他們的blog系統很爛，我會在blogger系統中編輯，之後在貼到那邊去，希望大家能多多提供建議給我。）