Свет, зрение и ночная среда. Основные понятия светологии
Практическое использование света как явления, воспринимаемого и оцениваемого главным образом глазом, приводит к необходимости установления единиц измерения как для самого света, так и для создаваемой им освещенности в пространстве, на земле и на поверхностях объектов, формирующих городскую среду. Эти единицы образуют две шкалы величин - объективных и субъективных. Объективные (физические, действительные, фотометрические) величины определяются с помощью свето- и цветоизмерительных приборов, субъективные устанавливаются в процессе психофизиологических исследований статистическими методами и шкалируются, как правило, пороговыми значениями зрительных ощущений по каждой из функций зрения. Полученные таким образом объективизированные результаты психофизиологических экспериментов характеризуют так называемый «нормальный» (среднестатистический) глаз, от которого реальный глаз любого конкретного человека может отличаться в большей или меньшей степени по тем или иным параметрам - по остроте зрения или цветовосприятию, по способности видеть в темноте, оценивать расстояния в глубину пространства или фиксировать основные координатные направления (вертикаль и горизонталь) и т.д. В частности, поэтому оценки одного и того же архитектурного или природного объекта в определенных ситуациях освещения, даваемые разными людьми даже при одновременном восприятии в одинаковых условиях наблюдения, нередко существенно различаются.
Еще в большей степени эти оценки зависят от того, видел человек данный объект в натуре или судит о нем по изображениям (что нередко бывает в научных работах и публикациях) — по фотографиям, видео-, теле- или киносъемкам, т.е. по печатной, пусть даже высококачественной, цветной, но двухмерной, плоскостной продукции. Даже стереоизображения являются по существу иллюзорной трехмерной имитацией реальной среды. Относительная недостоверность изображений объясняется несколькими причинами. Во-первых, диапазон передаваемых на бумаге или экране яркостей (а иногда и цветовых оттенков) значительно сокращается по сравнению с диапазоном яркостей объектов, неба и других источников света, существующих в натуре, особенно в ночном городе. Кроме того, изображения ретушируются в процессе подготовки их к печати для получения «презентационного» качества, что еще более может исказить объективную картину. Во-вторых, зрительный эффект при рассматривании любого объекта зависит от условий освещения глаза, т.е. от уровня яркости адаптации поля зрения, который не всегда сопоставим при наблюдении объекта в натуре и при его изображении в других условиях. В-третьих, плоскостное изображение, статичное (фото) или динамичное (видео, кино), не обладает реальной глубинностью, а восприятие глубины — третьего измерения пространства — является ощущением синестезическим, в нем в условиях городской среды участвуют практически все органы чувств. Поэтому глубина пространства трактуется как важнейшее качество архитектурно-световой композиции.
Для достоверной оценки, пусть субъективной, но полноценной, нужно видеть конкретный объект в реальной ситуации. Это обстоятельство должно служить стимулом для архитекторов и светодизайнеров больше смотреть и изучать освещенные по их проектам или по проектам других авторов объекты различного масштаба и жанра в разных ситуациях, городах, странах. Следующим шагом должны быть фотометрические измерения, чтобы непосредственные зрительные впечатления, зафиксированные фотографиями, получили объективную количественную оценку в виде яркостей и освещенностей объектов городской среды и городского светопространства. Не менее полезным для приобретения профессионального опыта и мастерства является процесс натурного светомоделирования, когда предварительные проектные плоскостные изображения, пусть фрагментарно, приобретают пространственную и светоцветовую реальность, осязаемость и рельефность на конкретной архитектурной форме.
Основные понятия светологии
Всякое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля, излучает в окружающую среду энергию, называемую лучистой и измеряемую в джоулях (Дж).
Изученный сегодня электромагнитный спектр занимает очень широкую область: в него входят колебания с длиной волн X от 10"12 м до 10 6 м (рис. 1.1). Излучения, воспринимаемые человеческим глазом, называются видимыми (или световыми). Они имеют длины волн монохроматических составляющих в пределах 380-780 нм* (упрощенно — 400—700 нм) и входят в оптическую область спектра, включающую также ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное (ИК) излучения. Внутри каждой области есть свои подразделения: УФ-А (А. 315—400 нм). УФ-В (X 280-315 нм), УФ-С (X 100-280 нм); ИК-А (X 780-1400 им), ИК-В (X 1400-3000 нм). ИК-С (X 3000-106 нм).
В видимой области глаз различает разные цвета, именуемые, обычно, семью (в некоторых странах — шестью) основными «цветами радуги», расположенными в определенной последовательности в соответствии с изменением длин волн хроматических излучений («каждый охотник желает знать, где сидит фазан» — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Это явление, наблюдаемое в природе, связано с разложением сложного излучения со сплошным спектром, каким является солнечный свет, в результате преломления под разными углами в дождевых каплях хроматических излучений с разной длиной волны, из которых состоит белый свет. Его исследовал еще в 1666 году И. Ньютон, осуществивший с помощью стеклянной призмы пространственное «расщепление» белого солнечного света на семь основных (первичных, простых) цветов, границы между которыми весьма нечетки, поскольку в этих пограничных зонах можно различить еще до 150 переходных цветовых оттенков. Существует предание, что Ньютон, создавая цветовой круг с целью научной систематизации, выделил поначалу пять основных цветов (красный, желтый, зеленый, голубой, фиолетовый), затем добавил еще оранжевый и индиго, обозначающий синий, поскольку в английском языке нет цвета «синий», а есть dark(navy)blue — темно-голубой. Считается, что две причины лежали в основе введения седьмого цвета: сенсорная, ассоциативная аналогия с семью ступенями октавы (на ней основано искусство светомузыки) и магия числа семь в средневековой метафизике, из которой выросла наука XVII века.
Тем не менее, другие ученые основными считают шесть цветов (Гете, Рунге и др.), на основе которых осуществляется удобная систематизация цветов и их сочетаний в форме двухмерного цветового круга или трехмерного цветового тела.
Мощность видимого (светового) излучения оценивается световым потоком Ф, измеряемым в люменах (лм) — рис. 1. Поскольку применяемые на практике источники света, в том числе точечные источники искусственного света в осветительных приборах, распределяют световой поток в пространстве неравномерно, для оценки их светового действия пользуются понятием силы света /. оцениваемой в канделах (кд).
Сила света точечного источника — пространственная плотность светового потока в пределах определенного телесного угла, формируемого осветительным прибором — характеризуется и определенным направлением световых лучей в пространстве. Характеристики силы света источников и осветительных приборов удобно изображать графически в системе пространственных полярных координат, центр которых совмещен с центром источника света. Под соответствующими углами, а на радиусах-векторах, проведенных от центра, откладываются в масштабе отрезки, пропорциональные силе света в данном направлении. Концы векторов образуют замкнутую поверхность, называемую фотометрическим телом. Сечение фотометрического тела плоскостью, проходящей через начало координат и точечный источник, определяет кривую силы света (КСС) источника или осветительного прибора для данной плоскости сечения. Если фотометрическое тело имеет ось симметрии, источник света или осветительный прибор характеризуется КСС в продольной плоскости.
Световой поток Ф, падающий на некоторую поверхность S, распределяется по ней и характеризуется поверхностной плотностью, называемой освещенностью Е. Ее среднее значение E ср определяется отношением Фпад /S. Единица освещенности — люкс (лк), это освещенность, создаваемая падающим световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на поверхности площадью 1 м2 (рис. 1). Об освещенности около 1 лк можно судить но следующим примерам: в полнолуние горизонтальная освещенность составляет 0,2 лк, а в белые петербургские ночи — 2—3 лк.
Освещенность поверхности от точечного источника света подчиняется закону квадрата расстояния:
где / — сила света в направлении освещаемой (расчетной) точки Р на поверхности, кд; d — расстояние от источника до расчетной точки, м; а угол между направлением / и нормалью к освещаемой поверхности в точке Р, град.
В соответствии с этим законом освещенность поверхности, удаляющейся от точечного источника света, прогрессивно снижается (рис. 2).
Для поверхностей, излучающих свет (светящий потолок, например), аналогично понятию освещенности вводится понятие светимости М. под которой понимают поверхностную плотность излучаемого светового потока:
М = Физл /S лм/м2.
Все вышеприведенные фотометрические величины в реальной световой среде не оцениваются сколько-нибудь точно глазом — они могут быть определены лишь светоизмерительными приборами. Объективная характеристика, на которую непосредственно реагирует глаз, — яркость L отражающих или излучающих свет элементов. Яркость представляет собой поверхностную плотность силы света в заданном направлении, которая определяется отношением силы света / в направлении α к площади проекции излучающей поверхности S на плоскость, перпендикулярную этому направлению:
В общем случае яркость видимой поверхности, излучающей свет или отражающей падающий на нее свет, может быть различна. По характеру распределения отраженных или излучаемых световых потоков различают три основные вида (рис. 3):
- а) рассеянное (диффузное) отражение, например, окрашенных матовой краской стен, снегом или пропускание света «молочным» стеклом:
- б) направленное отражение, например, зеркал или полированных пластин металла или пропускание света через прозрачное стекло:
- в) направленно-рассеянное отражение или пропускание, например, отражение окрашенных масляной краской стен или пропускание света матированным стеклом.
Точечный метод расчета освещенности
Величина освещенности, создаваемой точечным источником света С. определяется но формуле (закон квадрата расстояния):
Е = I/d2, лк,
где: / — интенсивность света в выбранном направлении (прямая линия между С и Р), кд; d — расстояние между выбранной точкой Р и световым центром С, м.
Однако величины освещенности, определяемые с использованием вышеупомянутой формулы, относятся к нормальной плоскости, проходящей через точку Р. перпендикулярно линии СР. На практике величины горизонтальной освещенности (Eг) и вертикальной освещенности (Eв) в точке Р определяются по формулам:
Между яркостью и освещенностью диффузно отражающей свет (равнояркой) поверхности существует простая зависимость (закон Ламберта):
Для светорассеивающих материалов («молочное» стекло):
где р и т — коэффициенты, соответственно, отражения и светопропускания материалов поверхности, а E — ее освещенность в лк.
Все изложенное выше об отражении и пропускании света относится к монохроматическим излучениям или к так называемым серым (ахроматическим) телам, отражающим и пропускающим излучения всех длин волн в равной степени. Большинство же реальных тел, имеющих разную окраску, отражает и пропускает свет селективно, т.е. их коэффициенты отражения и пропускания зависят от длины волны. Иными словами, воспринимаемый цвет любого тела определяется спектральным составом падающего на него света и зависимостью спектрального коэффициента отражения (или пропускания) этого тела от длины волны излучения.
Объективной количественной характеристикой цвета является фотометрическая яркость, которая может быть определена светоизмерительным прибором. Уровень зрительного ощущения, производимого яркостью, называют светлотой. Светлота — субъективная характеристика яркости, измеряемая в порогах зрительных ощущений, зависящая от условий наблюдения (от яркостной и цветовой адаптации глаза) и от цветовых параметров и отражательных характеристик фасадов наблюдаемого объекта. При сопоставлении разноцветных поверхностей нередко обнаруживается расхождение между их объективной (измеренной) яркостью и производимым зрительным ощущением (светлотой). Например, если зеленая и красная поверхности при определенной освещенности кажутся равносветлыми, их фотометрические яркости могут отличаться в несколько раз. Или, если хроматические поверхности обладают одинаковой объективной яркостью, более насыщенные цвета кажутся относительно светлее. Для обозначения понятия «светлота» (воспринимаемая яркость) применительно к хроматическим объектам И.В. Мигалиной и Н.В. Оболенским предложен термин «цветовая яркость» — уровень зрительного ощущения, производимого фотометрической яркостью этих объектов в заданных условиях наблюдения в зависимости от их цветности .
В условиях сумеречного зрения (при малых уровнях яркости адаптации) излучения различного спектрального состава, одинаковые по яркости для дневного зрения, будут казаться разнояркими (эффект Пуркине), например, голубое будет ярче красного. В этих условиях используется понятие эквивалентной яркости (по предложению А.А. Гершуна). Излучение какого-либо спектрального состава, равносветлое с «опорным» (излучение абсолютно черного тела при температуре затвердевания платины 2042 К), будет иметь одинаковую с ним эквивалентную яркость, хотя стандартные яркости излучений будут различными
Диапазон яркостей, попадающих в поле зрения человека в течение суток, чрезвычайно велик. Днем наиболее ярким элементом является светящий диск Солнца, ночью — точечные источники электрического света. Ниже приведены значения яркости для некоторых светящих элементов
| Светящий элемент | Яркость, кд/м2 |
| Облачное небо в зените в полден | 7000-8000 |
| Ясное небо в зените в полдень | 2500-4000 |
| Солнце в зените | 1.5 • 109 |
| Луна при полнолунии | 2500 |
| Пламя стеариновой свечи | 5000-7500 |
| Лампы накаливания (220В, 100Вт) | (0.5—15) • 106 |
| Люминесцентные лампы | 5000-10000 |
| Натриевые лампы низкого давления | 105 |
| Лампы ДРЛ и ДРИ в светорассеиваюшсй колбе | 105 - 1,5 • 105 |
| Ксеноновые лампы | 1,5*106— 1,8 *109 |