Лекция 1 светология

Лекция 1 – Свет, зрение, архитектура, основные понятия светологии

Основы психофизиологии зрительного восприятия архитектурных форм.

Видимость, зрительное восприятие, зрительные иллюзии и их использование в архитектуре.

Световой и зрительный образ архитектурного произведения, два принципиальных способа его построения.

Фактора различимости объекта, световая среда, основные понятия, характеристики, размерности.

Свет – излучение оптической области спектра, которое вызывает биологические, главным образом зрительные реакции.

Глаз способен оценивать общее количество доходящего до него света и распределение его по различным направлениям. Глаз способен приспосабливаться к различным условиям распределения яркостей в поле зрения. Глаз способен реагировать как на весьма слабые, так и на интенсивные раздражители, то есть глаз имеет широкие пределы чувствительности (при дневном интенсивном освещении эта чувствительность резко снижается, а при ночном – возрастает), это объясняется наличием в сетчатке глаза двоякого рода элементов – колбочек и палочек, воспринимающих световые раздражители.

В центральной части сетчатки преобладают колбочки, а в периферических (удаленных от оптической оси глаза) частях – палочки. Колбочки луше передают цвет, а благодаря палочкам сетчатая оболочка глаза может ощущать яркость при весьма малой интенсивности освещения - например, при сумеречном, лунном и даже звездном освещении с наступлением сумерек улицы и здания кажутся серыми.

Максимум чувствительности при сумеречном зрении сдвинут из желто-зеленой части спектра (при центральном зрении) в сине-зеленую при почти полной потере чувствительности палочек в красной части спектра. Такое изменение чувствительности глаза к излучениям различных участков спектра при переходе от больших яркостей к малым известно под названием эффекта Пуаркинье. Иллюстрацией этого эффекта может служить сравнение яркостей красной и синей или зеленой поверхностей, которые воспринимаются равнояркими при интенсивном освещении и резко контрастными – при малом: красная поверхность кажется значительно темнее синей или зеленой.

Эффект Пуаркинье имеет большое практическое значение при выборе уровня освещенности на улицах городов и в зданиях, а также при отделке зданий и интерьеров, освещаемых источниками с различной цветностью излучения.

Мы видим предмет только в случае, когда существует разница по яркости, цвету и фактуре между предметом и фоном, на котором он проецируется. Эту разницу между предметом и фоном, которая определяет его видимость, называют контрастом,

При высоких освещенностей глаз способен различать яркости, отличающиеся одна от другой на 1-2% (например глаз может различать яркости, равные 33 и 35 кд/м² (кандел на метр квадратный) , а при низких контрастная чувствительность резко уменьшается (например, в темную звездную ночь для различения яркости двух смежных поверхностей необходимо, чтобы перепад между ними был не менее 55% - яркость поверхностей должна отличаться одна от другой более чем в 1,5 раза).

Яркость, воспринимаемая глазом (светлота) субъективна, она зависит не только от действительной яркости и яркостных контрастов, но и от условий адоптации глаза.

Различают темновую адоптацию, наблюдаемую при переходе от большой яркости к малой, и световую – при обратном переходе.

[ При идеальных условиях глаз, полностью адаптированный к темноте, может заметить свет от обыкновенной свечи, находящейся от него на расстоянии 20 км ].

Анализ памятников архитектуры показывает, что для решения архитектурно-художественных задач интерьера и экстерьера зодчие умело использую световую и темновую адаптацию зрения.

Прием темновой адаптации удачно применялся в архитектуре Древнего Египта. Египетские храмы состояли из нескольких пространств, следовавших друг за другом. Окруженный колоннадой открытый двор, залитый солнцем, обладал высокими яркостями колонн и пола. Гипостильный зал ограничивался с боков глухой стеной с небольшими отверстиями для проветривания. И освещался через проемы, расположенные в местах перепада высот среднего и боковых нефов. В этом зале царил полусумрак, который сгущался по направлению к святилищу.

Как оптический прибор глаз человека обладает рядом особенностей.

Зона бинокулярного видения в горизонтальной плоскости равна 180º, в вертикальной плоскости - 120º, зона монокулярного видения по горизонтали составляет 40º (слева и справа) (рис. 1 ). Но не смотря на большое поле зрения неподвижного глаза, обозрение архитектурных объектов происходит (подобно чтению книгами) движущимися глазами, поскольку отчетливое видение деталей возможно только на весьма малой части поля зрения (равной примерно 1º).

При рассмотрении архитектурного объекта всякое изменение направления взгляда связано с изменением положения глаз, а следовательно с преодолением сил инерции глаза и сопровождается оптическими иллюзиями и искажениями, например переоценкой действительного размера угла, образуемого горизонталью и наклонными пересекающими ее линиями, иллюзией уподобления и т.д. (рис. 2 ).

Искажение вследствие высокого контраста освещения искажается восприятие цилиндрической колонны – возникают зрительные эффекты уплощения и излома (при вечернем освещении цилиндрическая поверхность, освещенная сбоку - воспринимается ломанной; освещенная же лучами, направление которых совпадает с направлением зрения наблюдателя – воспринимается плоской.)

На практике такие оптические искажения могут быть, например, использованы для того, чтобы избавиться от кажущегося или действительного небольшого прогиба балок (при неправильной их подсветке с края).

Помещение имея форму в плане трапеции искажает реальные размеры, становясь короче или длинее.

Различают две задачи, связанные с учетом оптических свойств глаза человека. Первая задача – не допустить всякого рода оптические обманы, которые искажают художественный образ, масштаб, пропорции и архитектонику интерьеров зданий и сооружений. Вторая задача – использовать оптические иллюзии для дизайнерских целей: увеличение или уменьшение глубины пространства, использование живописных средств светоцвета для изменения пластической отделки фасадов, интерьеров, устранение геометризма и др.

При выборе световой композиции здания или сооружения целесообразно учитывать естественные ассоциации: большое пространство светлее малых; высокие – светлее низких; на свет идти приятно; идти на темноту неприятно и рискованно; привычное направление света – сверху, свет снизу неестественен.

Если следовать этим ассоциациям в архитектуре, то большие интерьеры логично делать более светлыми, чем малые, а низкие – более темными, чем высокие – такое распределение яркостей в интерьере вызывает ощущение естественности. Распределение яркостей, построенное на обратной закономерности, вызывает ощущение неожиданности, театрального эффекта – может быть применима в отдельных случаях для создания театрального эффекта в барах, дискотеках и т.п.

Различимость объекта (или деталей) зависит от шести факторов: - контраста между объектом и фоном, - его яркости, - углового размера, - спектра освещения, - прозрачности воздуха и – продолжительности наблюдения. Первые три фактора имеют решающее значение. Совокупность всех факторов создает световую среду, оптимальное воздействие которых может быть достигнуто при определенных количественных соотношениях этих шести параметров.

Для различения ахроматических или одноцветных предметов нужна некоторая разность яркостей между предметом и фоном. Отношение минимальной яркости разностей (определяющей порог различения предмета) к яркости фона и называют пороговым контрастом. Значение порогового контраста, так же как и разностного порога, зависит от яркости поля адаптации. углового размера, формы предмета и времени наблюдения. Так, при наблюдении объектов в вечерние часы пороговый контраст между ними и фоном резко возрастает.

Степень различимости объекта определяется контрастной чувствительностью глаза. При уменьшении контраста между деталью и фоном для обеспечения различимости необходимо увеличивать угловой размер предмета. По аналогии с пороговым контрастом отношение разности яркостей между деталью и фоном к большей яркости называют яркостным контрастом

Значение пороговой разности яркостей к яркости фона определяется так называемым вуалирующим действием собственного света сетчатки глаза. [Вуалирующее действие сетчатки глаза можно сравнить с эффектом шумового фона, снижающим ощущение громкости звучания.] Эффект вуалирующего действия сетчатки особенно заметен при малых яркостях фона.

При оценке видимости далеко расположенных зданий и сооружений приходится учитывать. Во-первых, светопотери, обусловленные неполной прозрачностью воздуха. Во-вторых, необходимо принимать во внимание мутность слоя воздуха, отделяющего здание от наблюдателя; мутная среда обладает яркостью, которая накладывается на собственные яркости предмета и фона. При наблюдении через мутный слой воздуха значение контраста здания и неба существенно уменьшается.

Для архитектурной практики большой интерес представляет зависимость разрешающего угла от формы наблюдаемого объекта, Установлено, что усложнение формы деталей значительно повышает требования к остроте различения. Чем сложнее по форме деталь, тем более высокой яркостью, пороговым угловым размером и пороговым контрастом для отчетливого его различения она должна обладать.

На значение порога глубины решающее влияние оказывает яркость объектов наблюдения и их контраст с фоном.

Применительно к задачам световой архитектуры это значит, что при прочих равных условиях (соотношения яркостей, размеров, глубины) архитектурная композиция будет восприниматься вечером более плоской, чем при естественном освещении. Поэтому вечером световой ансамбль, как правило, должен характеризоваться большими яркостными перепадами (вечерная подсветка), чем при естественном освещении.

Т а б л и ц а 1. Характеристики зрительного анализатора

Характеристика глаза	Дневное (центральное ) зрение	Сумеречное зрение	Ночное (периферическое) зрение
Светочувст- вительные элементы	Колбочки	Колбочки + палочки	Палочки
Способность реагировать на яркость	Высокие яркости, L ≥ 10 кд/м²	Малые яркости, 0,01 < L < 10 кд/м²	Очень малые яркости, L ≤ 0,001 кд/м²
Спектральная чувствительность к излучениям	Максимальная к желто-зеленому [ λ = 555 нм, V(λ) = 1,0] с умень- шением к красному [ λ = 710 нм, V(λ) = 0,0021 ] и фиолетовому [V(λ) = 0,0012 при λ = 410 нм ]	Максимальная к голубовато-зеленому ( λ = 520 нм) с уменьшением в длинноволновой и коротковолновой частях спектра	Максимальная к зеленовато-голубому [ λ = 510 нм, V' (λ) = 1,0] с уменьшением к красно-оранжевому [V'(λ) = 0,00737 при λ = 620 нм] и фиолетовому [V’(λ) = 0,0022 при λ = 390 нм]
Способность к восприятию цветов	Хорошее различение цветов	Голубые и зеленые светлеют, красные темнеют	Цвета не различаются, черно-белое видение
Способность к различению деталей	Высокая разрешающая способность	Малая разрешающая способность	Отсутствует

Т а б л и ц а 2. Зависимость разрешающего угла глаза α от яркости объекта

Показатель	При яркости объекта, кд⁄м²
	неба, фасадов, дорог ночью				подсвеченных фасадов			стен в помещениях
	0,0003	0,003	0,03	0,3		3	30		170	300
Разрешающий угол α, мин.	17	9	3	1,5		0,9	0,8		0,8	0,7

Рис.1 Углы зрения в вертикальной

плоскости

А – зона активного видения

Рис. 2 Зрительные иллюзии

а – вследствие иррадиации и контраста: черный квадрат кажется меньше, чем белый, хотя они равны; треугольная полоса на фоне белого квадрата кажется темнее и шире, чем на фоне черного, хотя они одинаковы по светлоте и ширине;

б – вследствие переоценки нашим глазом острых углов: параллельные линии кажутся искривленными или сходящимися;

в – основанные на свойстве глаза уподоблять часть предмета целому:

1 – средний угол в левой фигуре кажется больше среднего угла в правой, хотя они одинаковы;

11 – высота цилиндра кажется значительно больше диаметра его полей, хотя они равны;

111 – верхняя линия кругов кажется провисшей подобно нижней, хотя она горизонтальна