“有色眼镜”看世界

Reality is merely anillusion, albeit a very persistent one.

---Albert.Einstein

现实是一种挥之不去的假象。你所能感知到的现实,只是你的大脑对于输入信号的解释,而非现实本身,否则下图这些看似合理却经不起推敲的矛盾便不会出现.。即使理性告诉你这些矛盾是假的、是特技,它们仍能被知觉到。

图1 透视错觉举例,图中事物的空间关系或多或少有着不合理的地方(左)Waterfallby M.C.Escher 1961 Lithograph. (中)Ascending and Descendingby M.C.Escher 1960 Lithograph (右) 游戏纪念碑谷

正如近代经验主义哲学家乔治.贝克莱(George Berkeley)所说,我们不能直接获得物理世界的信息,对于世界的感知是对物理世界观测结果之上的进一步解读。其中,感觉部分通过感受器获得现实的切片,而知觉则对切片进行解读,这种解释的能力对人类来说意义重大。以视觉为例,尽管视网膜感受到的只是三维世界的一个二维切片(或者说投影),我们仍能从中知觉出物体的形状、大小、方向、距离、颜色等等。简单的数学几何知识告诉我们,有无数种可能的三维世界能够在视网膜上投射出一模一样的二维切片,视觉该如何得出稳定并且几乎所有情况下真实的解读呢? 来自于外部环境和内部经验的假设(assumption)为寻求解答增加了约束条件,使这一逆向求解的过程成为可能。

图2 先验假设影响了我们的知觉(左上)“光源来自于上方”这一稳定假设,使我们将部分特定的圆看作凸的,另一些(仅仅是旋转180°)看作凹的。(左下)背景的不同使我们对同样颜色产生不同知觉(半圆部分颜色相同)。(右)两组螃蟹交替出现,这取决于把哪一组看做背景。

艺术家很早就注意到了这类“一题多解”现象,并利用用人类视知觉规律创作了值得捉摸的作品。一方面,一些非常稳定的假设(如光来源于上方、重力是向下的)使一些画面的解读浑然天成,极难改变;另一方面,改变那些相对不那么稳定的假设(背景的选择),同样的画面能够产生不同的解读。总之,大脑对于感觉信息的解读必须建立在一定的假设之上,这一过程与科学假说形成的过程有异曲同工之处。

科学假说是指“根据已有的科学知识和新的科学事实对所研究的问题做出的一种猜测性陈述。知觉,则是根据已有的经验和感觉通道的信息对当前的环境做出的一种猜测性的解读.它们在结构上有如下相似性:

信号的获取:知觉信号最初由感受器获得,并将基础的神经电信号编码为抽象的表征。而在科学假说过程中,新的科学事实(数据)是由测量工具测量并编码后得出的。

解释或推论:知觉的工作是对信号进行解释,形成相对稳定的解答。同样的,科学假说也并非对观测到的事实进行陈述,而是在已有理论和假设的基础上,推论出新的观点以待验证。

图3 有时知觉需要耗费相当的努力才找到稳定的答案——将黑色当作背景,能看出白色的汉字

知觉与假说不仅结构上有着相似性,它们也有相似的工作方式:

补充数据之间的地方:无论是作为知觉输入的数据,还是用以检验科学假说而采集的数据,其本质上都是采样(Sample)的结果,如图4所示,收集到图中左侧数据点时,我们推论出一种S型关系的科学假说;而对于图中右侧的情况,视知觉则能够得到一个黑色的圆环。这两个例子中,最终结果都是通过对数据的补充得到的,这一工作方式我们称之为内插法(Interpolation)。

图4 科学假说与知觉都能够补充数据之间的地方

预测数据之外的地方:如图5所示,左侧图中观测到的数据有着某些规律或趋势,结合已有理论和经验,我们能针对已知数据范围外的情况提出假说——线性的变化;知觉同样能够进行预测性的工作,在先验知识的帮助下,我们看到右图中的手,会更倾向于脑补出黑色区域的内容——另一只相握的手或者一个球。这种工作方式可以称之为外推法(Extrapolation)。

图5 科学假说与知觉都能够预测数据之外的地方

相似的犯错模式:对于科学研究来说,如果一个假说出了错,也就是“假说”的结论与现实不符合时,并不一定是它的观测或者推论过程有误,很可能是作为基础的先验假设存在某些问题。我们往往能看到基于不同理论做出相互矛盾的结果,不少学术论文也常为各自观点辩驳。这类冲突或以对先验假设的修补、扩展、包容而告一段落。知觉也会“犯错”,这就是我们常说的错觉。错觉现象的发生并非我们的认知过程真的出了问题,而是脑中固有的某些先验知识与当前场景不适应。有时,我们可以通过自我调节来减弱错觉,对于另一些特别强的错觉现象来说,它们所对应的先验知识在人类进化过程中往往扮演着十分重要的角色,因此难以消除。

图6 现实世界中的透视错觉(左)不可能的三角形结构;(右)破除先验,得到正确知觉结果

当然了,知觉与科学假说之间显然存在一些区别。知觉能够与世界进行动态的实时交互,显得更为灵活。并且,知觉终究是对客观世界的主观体验,而科学毕竟试图达到一种客观。然而,将这两者进行类比的思考,仍能带给我们一些启示。

譬如对于一直追求达到人类视觉能力的计算机视觉而言,它所做的与人类视知觉有着巨大差别。计算视觉的祖师爷大卫·马尔(David Marr)说过”视觉是一个探索发现的过程…”。然而当前的计算机视觉大都关注对视觉对象真实、精细的还原,完全忽略了先验知识的作用和主观解释的过程,尽管这在许多情境下确实有用,但与人类视觉的过程可谓背道而驰。

这样的类比再次告诉我们,理解人类智能,是发展人工智能路途中绕不过去的关卡。在这条路上,我们仍将继续努力。

文:赵阳

Reference

候世达. (1997). 歌德尔, 艾舍尔, 巴赫: 集异璧之大成. 商务印书馆.

Gregory, R. L. (1980). Perceptions asHypotheses. Philosophical Transactions of the Royal Society B: BiologicalSciences, 290(1038), 181–197.

Marr, D. (1988). Vision. Neurocomputing:foundations of research. MIT Press.

Solso, R. L., MacLin, O. H., & MacLin,M. K. (2013). Cognitive Psychology: Pearson New International Edition. PearsonHigher Ed.

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