視覺系統的功能之一是使人們能夠從2D視網膜影像中辨識3D的物體。為達此一目的，視覺系統會從環境中攫取各種線索來協助從一個2D影像中計算出3D物體。陰影，亦即物體表面的亮度變化，為其中的一個重要線索為。對一個均勻反射的物體表面(如紙張)而言，物體表面上的亮度，由入射光角度和表面相對於觀察者的傾斜角度決定。因此，若照明方向已知，觀察者可從物體表面上的亮度決定每個表面上每個點的相對深度。然而，視覺系統並無法得知僅從一個影像決定其中的照明方向。比如說，一個45o入射的光照在垂直的表面上產生的亮度和一個直射光照到45o傾斜的表面一樣。人類視覺系統解決這個陰影重構形狀問題(shape–from-shading problem)的方法是假設整個環境中只有一個單一的光源從上方照明（更準確地說是稍微偏左上角的照明）。有了這個限制，視覺系統便會把由上到下的亮度變化為由亮到暗的表面視為凸面，由暗到亮則視為凹面。

這種假設在演化上被認為是合理的。畢竟，在人類文明出現之前，絕大多數的照明是來自天體。許多的視覺錯覺的產生就是由於這樣的的假設被現代照明設備所破壞。譬如說，如果光是從下方照上來，人類觀察者會產生“凹洞錯覺”，即將凸起的表面感知成凹陷，凹陷的表面感知成凸起。然而，此種錯覺並不會發生在像人臉的物體上。如果我們把一個面具反過來看它的背面，無論照明從上方或下方來，我們皆會把凹面感知為凸面。對於此錯覺的解釋是，臉部具有一定的立體形狀，且為人所熟悉，所以人們不需要以陰影的幫助去辨識臉的3D形狀。然而這種解釋與一些研究矛盾，比如說，人們難以辨識光源由下方照明的臉，或是亮度分布被反轉(如底片)的臉。也就是說，於臉部的照明方向對於明暗重構形狀並沒有影響，但對於臉孔辨識有影響。換言之，陰影之外的線索，雖足以讓視覺系統將凹面臉去視為凸面，但並不足以提供視覺系統足夠的資訊去進行正確的臉孔辨識。

在此研究中，我們探討了照明方向所產生的陰影對臉孔識別的影響。我們的目的是證明在臉孔識別中，陰影比臉部特徵更重要。而這個乍看之下違反常識的現像，是由於陰影提供了臉孔的立體訊息；而人類的視覺系統是透過臉孔的立體訊息，而非平面臉部特徵來辨認臉孔。

圖1顯示了本研究的原理。在圖1中，O為一張人臉的原始影像，LA為該影像非對稱(Fourier transform 中sine transform)且低空間頻率的成份，亦即於原始影像上之非對稱光源的影響。CS是影像的對稱(cosine transform) 且高空間頻率的成份，亦即細部臉部特徵的影響。混疊臉孔LA+CS是LA和CS的總合，於感知上幾乎等同於原始影像。換言之，非對稱高空間頻率和對稱的低空間頻率(LS+CA)的組合對於人臉知覺幾乎未造成影響。因此從原始影像中減去它們並不影響人們的臉孔知覺。

在實驗中，我們首先用電腦3D繪圖的技術，利用兩個真實人臉(一男一女)的數位立體模型(資工系歐陽明老師實驗室提供)產生出在不同照明角度下的影像。將影像的LA和CS成份萃取出來，然後，使用影像處理的技術，內插出兩個人臉的CS成份之間的中介影像。最後，在把中介CS影像和不同光源下的LA加起來，觀察人類觀察者如何判斷複合影像的身份。

如圖二所示的例，在沒有LA成份時，人類觀察者認為一張影像為某種身份(如:女性)的機率隨著中介影像中該身份的CS成份比重成肩形曲線增加。加上LA成份後，身份判斷則受LA成份來源的影響，此種影響隨著照明方向移到某一側，時，入射光的角度增加而增加。當入射角超過30o後，身份則均由LA成份來源決定，CS的相對影響，顯得微不足道。此外，我們也發現，人類觀察者的深度感知也隨著入射光的角度增加而增加。

因此，這些結果表明:（1）照明方向移到側邊時，會增加不對稱的陰影訊息;(2) 陰影的加強提高了觀察者感知的深度以及臉部的立體結構;（3）強化的立體結構訊息使得臉孔辨識變得容易。因此，研究結果支持臉部辨識依賴的是臉孔的立體結構。而非平面的臉部特徵。

Chen C-C, Chen C-M, Tyler CW (2013) Depth Structure from Asymmetric Shading Supports Face Discrimination. PLoS ONE 8(2): e55865. doi:10.1371/journal.pone.0055865