【观点】复旦大学张军平——爱犯错的智能体（一）：视觉倒像

机器会犯错，其错要么是因为数据集太少，无法涵盖数据形成的样本空间；要么是由于训练太过精细，导致没办法对新来的样本或数据形成有效预计，俗称为过拟合；要么是模型本身的能力低，结果对样本的刻画能力不足；要么是硬件条件受限，无法完全相关任务。不管哪种错，总是多少能找到原因的。

而智能体尤其是人类的犯错，却有很多缺乏明晰的解释。人类会在很多方面犯错，产生错误的判断，视觉上、听觉上、距离上、认知上、情绪上，甚至人类发育的基础，基因上，都有。为什么这样一种错误频出的智能体，却能凌驾于其他生命成为地球的主宰呢？这些犯错到底有什么用呢？了解这些犯错，说不定能从中找出一些有用的线索，来重新思考人工智能的发展方向。

今天聊聊人类在视觉上的犯错表现。这种犯错常被称为光学错觉，英文叫Optical illusion。

先从光学成像说起吧，第一个还没得到完全认识、但却又是最基本的，是视觉倒像问题。小孔成像原理告诉我们，要观测的目标通过瞳孔的凸透镜原理映射至视网膜上，是一个标准的倒像。如果是机器，则可以通过光学变换还原成正常的影像。而智能体似乎并没有光学变换的能力，从视网膜往后联就是视神经元了。人类的视网膜上位于中间位置（俗称中央凹，fovea）的视锥神经和周边的视杆神经主要承担感受光强、颜色和运动状态的功能，似乎没有自动翻转的能力。

图1：眼睛的小孔成像原理

假如没有自动翻转成正常或倒着看世界会如何呢？金庸的书籍《射雕英雄传》谈到过。西毒欧阳锋为了学习从黄蓉那弄来的、假的《九阴真经》，将全身经脉逆转，结果走火入魔，变成手当足、脚当手来倒立走路。经过一段时间后，他似乎已经习惯这种颠倒的世界。

当然，这是小说中的虚构。但从历史来看，还真有科学家做过这样的尝试。1897年，美国心理学家George Stratton发表了“视网膜没有逆转视觉”的论文。在论文中，他详细介绍了关于视网膜倒像的实验。他给自己戴了一幅凸透镜，并把其中一只眼完全遮住。在前四天，本已被凸透镜纠正过来的正像，他看到的却始终是倒的。结果，以平时经验去拿东西都很失败和别扭。因为影像是倒过来的，而手势什么却还是按正常的方向去行动，想拿地上的物品手会往上伸，想拿架子上的手却往下放。不过到第五天后，他的视觉奇怪地、自发地变成正像了，好象视觉神经已经适应了，他肢体的动作也与再次世界协调了。但再取掉凸透镜后，他发现世界竟然都是巅倒的，之前的正像要再过一段时间才能恢复。换一只眼执行此实验，情况依旧。因此，他断定人的视网膜并没有把倒像颠倒过来，其功能是在视觉神经的后端实现的。即，视网膜感受的颠倒信号，是在通过视神经传导到大脑皮层的视觉中枢后，在视觉中枢实现自动翻转的。这也是目前学术界的共识。

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图2  视觉倒像实验[Wiki]

其实还有个简单的办法可以检验视觉在视网膜位置是倒像的。你读到这里的时候，不妨把手放到下眼皮底下，用手把下眼皮慢慢往上推。你应该能看到一整块模糊掉的字和图往下走，而不是往上。视觉能力强的，说不定在下眼皮遮挡眼睛的过程中，看到上方会出现一块黑斑。这些恰恰就是因为光学视觉倒像造成的。

后期有很多科学家想重复他的实验，不过比较遗憾地是，没有人观察到过倒像还能适应后翻转的现象，更多地是表示能够适应巅倒过来的世界。

不过也有科学家在尝试中发现，如果戴那种会导致变形的眼镜时，类似哈哈镜那种，有些人的视觉会自动将一些没注意到的变形的位置纠正。而取下眼镜后，看到的世界反而变得扭曲了。这似乎表明大脑确实能自适应地纠正一些扭曲。

现实生活中，也有一些人会故意去阅读一些倒过来的书本，他们将其视为提高阅读速度和能力的一种秘技。还有科学家说，通过这种方式，可以刺激大脑形成新细胞，防止衰老。其实大家稍微练练，也不难做到。所以，以后看到倒着看报纸、读书的人或新闻照片时，不要马上就嘲笑喔，说不定他们真的能这样读的，哈哈。

图3  大师辜鸿铭”把报纸倒过来读”的轶事【摘自2018年1月《博爱》】

另外，作为感官元件，眼睛和其它感觉器官还有点不一样。它是在大脑发育过程中，从大脑细胞中分裂出来的。如果把从眼球到视觉中枢的连接看成是一个深度学习模型，也许可以将这种视频倒像的纠正，理解为大脑处理的端到端表现。

但倒像纠正具体是何时发生的，George Stratton没有给出研究结论。现有的文献也是说法不一。有说初生儿开始感知的世界是颠倒的，随着大脑发育的逐步完善而慢慢实现的。因为有报道说，有些两三岁的小孩可能喜欢会倒拿玩具，倒读连环画的，并猜测这可能和正视发育未完全有关。还有些人，据说天生就有空间定向现象(spatialorientation phenomenon)，看的世界都是颠倒的。也有说倒视能力是与生俱来的，毕竟前者的例子还是很鲜见。

图4  患有“空间定向障碍”的塞尔维亚女子，眼中世界完全颠倒

不管怎么说，这个看似极其简单的问题，仍然没有找到统一圆满的答案，不论是它的成因还是发生时间上。

张军平

2018年6月24日于湖南省湘潭市

来源：混合智能专委会

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