Лекции по дисциплине Колористика Б3.ДВ.8
advertisement
Лекции по дисциплине Колористика Б3.ДВ.8 Специальность подготовки: 072500.62 - Дизайн Квалификация выпускника: бакалавр Форма обучения: очное Язык обучения: русский Автор(ы): доцент кафедры изобразительного искусства и дизайна Мусина К.И. Л1 Введение. Основные термины и понятия Что такое свет? Изотерическое понятие «Бог есть свет». Во всех культурах есть тесная связь между светом и божественностью, между светом и мирозданием. Свет – это цвет, свет – это энергия. Он вдохновляет искусство религию и науку. Свет заключает в себе секреты Вселенной. Многие тысячелетия человек пытается понять природу света, так как он ведет к пониманию Бога. Вся современная наука возникла в результате религиозного познания природы света. Первая теория света-зрения-оптики принадлежит Эмпедоклу основателю медицины, жившему ок. 430 до н. э. (2500 лет назад) в г. Акрагант в Сицилии. Эвкли́д ок. 300 г. до н. э. — древнегреческий математик, «отец геометрии». Он считал, что свет это лучи, которые испускаются глазом и «ощупывают» предметы, и что при помощи геометрии прямых линий и треугольников можно справиться со стоящими проблемами света и зрения (глаз - кончик пальца - верхушка колонны находятся на одной линии). Ибн ал-Хайсам ал-Басри (X-XI), «отец оптики». Ибн ал-Хайсаму принадлежит фундаментальный труд по оптике — «Сокровища оптики» в 7 книгах. Среди опытов, проведенных учёным, выделяются опыты с камерой-обскурой, опыты по преломлению света и эксперименты с различными видами зеркал. В XII веке это сочинение было переведено на латинский язык под названием «Сокровище оптики» (лат. Opticae thesaurus) и оказало большое влияние на развитие оптики в Европе. Ибн ал-Хайсам составил также ряд трактатов о зажигательных стёклах и трактаты «О свете Луны», «О радуге», «О 1 свойствах теней». В XII веке Роджер Бейкон, францисканский монах изучал труды алХайсама, делал опыты с линзами, изобрел очки, был посажен на 20 лет, где и написал труд о радуге и оптическом свойстве линз. Рене Декарт, французский ученый, физик, математик, физиолог, работал по поручению Ришелье, в своих трудах сравнивал мироздание с Землей в центре с хорошо отлаженным часовым механизмом. Он изучал строение человеческого глаза и увидел, что хрусталик передает изображение на сетчатку перевернутым, а нервная система исправляет его в нашем мозгу. Какова же была картина мира в это время или какова была научная парадигма XVIII века? В этот период было множество спекулятивных теорий света и цветности; Всеобщий разлад усугубил каскад открытий XVII века: дифракция (1665, Гримальди), интерференция (1665, Гук), двойное лучепреломление (1670, Эразм Бартолин, изучено Гюйгенсом), оценка скорости света (1675, Рёмер). Теории света, совместимой со всеми этими фактами, не существовало. Исаак Ньютон, жил в Кембридже в сер. XVIII века. Ньютону принадлежат фундаментальные открытия в древней науке оптике. Он построил первый зеркальный телескоп (рефлектор). Но его главное достижение — создание основ физической (не только геометрической) оптики как науки и разработка её математической базы, превращение теории света из бессистемного набора фактов в науку с богатым качественным и количественным содержанием, экспериментально хорошо обоснованным. Историки выделяют две группы тогдашних гипотез о природе света. Эмиссионная (корпускулярная): свет состоит из мелких частиц (корпускул), излучаемых светящимся телом. В пользу этого мнения говорила прямолинейность распространения света, на которой основана геометрическая оптика, однако дифракция и интерференция плохо укладывались в эту теорию. Волновая: свет представляет собой волну в невидимом мировом эфире. Оппонентов Ньютона (Гука, Гюйгенса) нередко называют сторонниками волновой теории, однако надо иметь в виду, что под волной они понимали не периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; по этой причине их объяснения световых явлений были мало правдоподобны и не могли составить конкуренцию ньютоновским (Гюйгенс даже пытался опровергнуть дифракцию). Развитая волновая оптика появилась только в начале XIX века. Ньютон, выдвигает компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света. В своих работах Ньютон детально описал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света: «Учение моё о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении». 2 Л2 Природа света 2.1.Оптические приборы С созданием оптических инструментов появились сомнения в существовании Бога. В 1577 году в Дании, на Балтийском море, датский астроном, астролог и алхимик эпохи Возрождения Тихо Браге построил лучшие навигационные приборы, создал навигационную карту неба. Наука космология все еще считала, что Земля находится в центре, окруженная хрустальными сферами. В Венеции XVI века изготавливали очень много декоративного стекла. Здесь в 1609 году Галилео Галилей изготовил первую подзорную трубу. Вогнутая и выгнутая линзы увеличивали изображение в 10 раз. В телескоп «Звездный посланник» он увидел планеты, вращающиеся вокруг Юпитера. Галилей создал модель мироздания с Солнцем в центре. Вильям Гершель трансформировал теорию света. Он изобрел новую модель зеркального телескопа, открыл Уран, измерил скорость света (300 тыс. км/с). Например, свет от Солнца доходит за 8 минут, а свет звезд идет миллионы лет. Телескоп Галилея, микроскоп Хука, зеркала Гершеля изменили мир. 2.2.Волновая природа света Джеймс Максвелл разгадал природу света – эл/магнитная волна. Разные цвета спектра соответствуют волне разных частот колебаний. Красная – низкая частота, фиолетовая – высокая. Еще быстрее – ультрафиолетовые волны, медленнее – инфракрасные. Теория цветов Джеймса Максвелла. Благодаря исследованиям Максвелла появились эл/магнитный генератор и лампа накаливания. В 1878 году Эдисон создал первую в мире общественную систему эл/освещения, и начал продавать электричество как стиль жизни. Во времена Ньютона ещё не было известно, что свет – это электромагнитные волны, а различные цвета световых лучей соответствуют электромагнитным волнам разной длины волны. В настоящее время установлено, что диапазон волн с длиной волны 3 от 630 до 760 нм (нанометр) воспринимается нами как красный, от 590 до 620 нм – как оранжевый, от 565 до 590 нм – как жёлтый; от 500 до 565 нм – как зелёный, от 485 до 500 нм – как голубой, от 440 до 485 нм – как синий от 380 до 440 нм – как фиолетовый. Считая свет электромагнитными волнами с длиной волны, лежащей в диапазоне между 380 и 760 нм, можно дать современную интерпретацию дисперсии, открытой Ньютоном. Дисперсия – это зависимость показателя преломления света от его длины волны. Цвета предметов зависят от того, электромагнитные волны какой длины волны они отражают. Например, кожура помидора отражает только свет с длиной волны, соответствующей красному цвету, а листья – только лучи зелёного цвета. Поэтому, если осветить помидор только синими лучами света, то он станет чёрным. Интерференция и дифракция волн Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве. Сопровождается чередованием максимумов и минимумов (пучностей) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн. Опыт Юнга Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. Картина интерференции большого количества круговых когерентных волн, в зависимости от длины волны и расстояния между источниками. Дифра́кция во́лн (лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный, огибание препятствия волнами) — явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы. На рисунке показано, как выглядят на фотографиях дифракционные картины от различных препятствий: а) от тонкой проволочки; б) от круглого отверстия; в) от круглого экрана. 4 Вместо тени от проволочки видна группа светлых и темных полос; в центре дифракционной картины от отверстия появляется темное пятно, окруженное светлыми и темными кольцами (изменяя диаметр отверстия, можно в центре дифракционной картины получить и светлое пятно, окруженное темными и светлыми кольцами); в центре тени, образованной круглым экраном, видно светлое пятнышко, а сама тень окружена темными концентрическими кольцами. 2.4. Архитектурная акустика Архитектурная акустика, акустика помещений, область акустики, изучающая распространение звуковых волн в помещении, отражение и поглощение их поверхностями, влияние отражённых волн на слышимость речи и музыки. Целью исследований служит создание приёмов проектирования залов (театральных, концертных, лекционных, радиостудий и т. п.) с заранее предусмотренными хорошими условиями слышимости. В закрытых помещениях более или менее значительного объёма слушатель воспринимает, кроме прямого звука, ещё и ряд его запаздывающих повторений, обусловленных отражениями от ограничивающих поверхностей и быстро следующих друг за другом. Вследствие поглощения звуковой энергии при каждом отражении и в процессе её распространения эти повторения ослабляются тем сильнее, чем больше их запаздывание относительно прямого звука. Прежде в состав А. а. включали вопросы изоляции помещений от проникающих извне звуков; теперь эти проблемы выделились в самостоятельную область — строительную акустику. Методами А. а. пользуются также в технике борьбы с шумом в помещениях. В А. а. различают более строгую волновую теорию и менее строгую, но более удобную для технических расчётов геометрическую, в которой направление распространения и границы основной части потока звуковой энергии, переносимой падающими на препятствие или отражёнными звуковыми волнами, изображают прямыми лучами. Геометрические представления тем более правомерны, чем меньше длина звуковой волны по сравнению с размерами препятствия. Психоакустика. Акустика изучает физические свойства звука и его взаимодействие с окружающей средой. Психоакустика изучает восприятие звука человеком: слушатель с биологическими приемниками звука (ушами) и процессором (мозгом) реагирует на поступающий к нему звук. Реверберация. Реверберация - это послезвучие, которое продолжает звучать в помещении после того как источник звука замолчал. Наиболее заметна реверберация в больших помещениях таких как холл или зал. Если рассмотреть этот процесс физически то возможно нарисовать такой график:) Звуковые волны, исходящие от источника к слушателю возможно разбить на несколько составляющих: 5 Прямой сигнал Ранние отражения Поздние отражения и последующая реверберация Как не трудно догадаться, физика такого явления заключается скорости звука. Путь звуковой волны можно представить в виде ломаной линии, состоящей из отрезков l1,l2...lm. Длина каждого такого отрезка соответствует свободному пути, пройденному между двумя соседними отражениями. Реверберация - это естественное физическое явление, которое ежедневно присутствуют в нашей жизни. Без него - (в звукоизолированной камере) подсознательно чувствуешь себя неуютно… Светотехника Светотехника, область науки и техники, предмет которой — исследование принципов и разработка способов генерирования, пространственного перераспределения, измерения характеристик оптического излучения (света) и преобразования энергии света в др. виды энергии. В С., в соответствии с областями использования света, различают осветительные, облучательные и светосигнальные установки (и соответствующие световые приборы). Осветительные установки создают необходимые условия освещения, которые обеспечивают зрительное восприятие (видение), дающее около 90% информации, получаемой человеком от окружающего его предметного мира. В СССР на искусственное освещение расходуется 10—12% вырабатываемой электроэнергии (установлено около 650 млн. световых точек); в США — 18%. Оптика Оптика (греч. optikē — наука о зрительных восприятиях, от optós — видимый, зримый), раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Физическая О. рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света, интерференции света, поляризации света и распространения света в анизотропных средах (см. Кристаллооптика, Оптическая анизотропия). Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе физической О. — волновой О. Её математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики — Максвелла уравнения. Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами — диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m, входящими в уравнения Максвелла в виде коэффициентов. 6 Двойственность природы света (наличие одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам) — частное проявление корпускулярно-волнового дуализма, свойственного, согласно квантовой теории, всем объектам микромира (например, электронам, протонам, атомам). Новые возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем даёт голография, основанная на однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него световых волн. Появление источников интенсивных когерентных световых полей (лазеров) дало толчок широкому развитию голографии. Она находит применение при решении многих научных и технических проблем. С помощью голографии получают пространственные изображения предметов, регистрируют (при импульсном освещении) быстропротекающие процессы, исследуют сдвиги и напряжения в телах и т.д. Несмотря на успехи электродинамические теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. 7 Л3.Восприятие цвета Цвет и цветовосприятие играет огромную роль в жизни человека. Цвет – это мощный изобразительный инструмент. Поэтому мы выносим раздел цветоведения за рамки раздела "Композиция", хотя понятие композиции в искусстве и дизайне всеобъемлюще и включает в себя все, в том числе и цвет. Но цвет настолько важен для нас, что мы рассматриваем его отдельно. Трехкомпонентность цветового зрения Первый, кто пытался разрешить эту проблему цветового восприятия, был Томас Юнг. Он выдвинул теорию, развитую в дальнейшем Германом фон Гельмгольцем. Юнг разработал первую содержательную теорию цвета. Он исходил из хорошо известного факта трехкомпонентности цветового зрения. Если бы существовали рецепторы, чувствительные к каждому отдельному цвету, тогда их должно быть по крайней мере 200 различных типов. Многие ученые строили свои цветовые модели на основе трех основных цветов, в том числе Гёте. Но Юнг искал объяснение этому факту не в природе света, а в физиологии человека. Итак, согласно теории Юнга–Гельмгольца, существует три типа цветочувствительных рецепторов (колбочек), которые отвечают соответственно на красный, зеленый и синий (или фиолетовый) цвета, а ощущения всех остальных цветов спектра возникают при смешении сигналов этих трех рецепторных систем. 8 Л4 Светоцветовая среда – основа восприятия архитектуры 4.1. Свет, зрение и архитектура Свет — излучение оптической области спектра, которое вызывает биологические, главным образом зрительные реакции. Цвет — особенность зрительного восприятия, позволяющая наблюдателю распознавать цветовые стимулы (излучения), различающиеся по спектральному составу. Световая среда — совокупность ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных излучений, генерируемых источниками естественного и искусственного света; это важнейшая составляющая жизненной среды живых организмов и растений, определяемая световыми потоками источников света, трансформируемыми в результате взаимодействия с окружающей предметной средой, которая воспринимается по распределению света и цвета в пространстве. Зрение — чрезвычайно сложный процесс. Химические и электрические явления в сетчатке глаза, передача нервных импульсов по зрительному нерву, деятельность клеток в зрительных зонах мозга — все это составные части процесса, называемого зрением. Каждый участок светочувствительного слоя состоит из элементов, по-разному воспринимающих световую энергию различных полос спектра; это определяет различия в цвете. Способность глаза реагировать на весьма слабые, так и на весьма интенсивные раздражители объясняется наличием на сетчатке двоякого рода элементов – колбочек и палочек, воспринимающих световые раздражения. Центральное зрение отличается от периферического тем, что оно позволяет судить о спектральном составе света. Это свойство глаза обогащает возможности архитектора оценивать пространство распределения света с помощью не только количественных, но и качественных характеристик, определяемых спектральным составом света. 9 Периферическое зрение с более высокой (в тысячи раз) чувствительностью к свету обладает меньшей четкостью видимости. 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 Пуркинье. Эффект Пуркинье 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. Дифракция — отклонение световых лучей от направлений, по которым они должны были бы распространяться по законам оптики; наблюдается при ограничении световых потоков экранами; обусловлена волновой природой света. Аберрация — искажение или недостаточная отчетливость изображения. Знание фотометрических и колориметрических характеристик фасадов даже при учете эффекта Пуркинье не позволяет однозначно судить об их восприятии, поскольку субъективная (воспринимаемая глазом) яркость (светлота) зависит не только от действительной яркости и яркостных контрастов, но и от условий адаптации глаза. Различают темновую адаптацию, наблюдаемую при переходе от большой яркости к малой, и световую — при обратном переходе. Анализ памятников архитектуры показывает, что для решения архитектурно- художественных задач интерьера и экстерьера архитекторы умело использовали световую и темновую адаптацию зрения. Прием световой адаптации широко использовался в архитектуре барокко. Отчетливо выраженная тенденция к яркостным контрастам особенно характерна для этого стиля в решении интерьера. Используя в соборах и церквях контраст ярких поверхностей центральных нефов и алтарей с сумраком боковых нефов, зодчие барокко добились впечатления движения и беспредельности пространства. При восприятии русской архитектуры полем адаптации почти всегда служит высокая и равномерная яркость пасмурного неба. Как живописец выбирает изобразительный прием в зависимости от яркости поля адаптации, так и архитектор выбирает композиционный прием в зависимости от яркости фона, на котором будет рассматриваться его 10 произведение. Обращаясь к истории русской архитектуры, можно найти в разнообразии композиций, форм, пластических и цветовых решений различных стилей общие закономерности, связанные с особенностями природного освещения места строительства. Так, в районах с преобладающим рассеянным светом облачного неба создаются особенно благоприятные условия для ощущения цветовых нюансов (благодаря высокой цветовой чувствительности глаза при дневном рассеянном освещении) и восприятия силуэтной архитектуры (благодаря высокой яркости облачного неба). Тщательно прорисованные прекрасные силуэты русских церквей и соборов на фоне светлого неба гармонично вписываются в окружающую природу. Глаз не только реагирует на высокие яркости и сопутствующие им контрасты, но и "охотится" за ними, выделяя наиболее яркие и контрастные участки поля зрения. Этой свойство глаза следует учитывать в архитектурной композиции. Световая композиция русского храма как бы "втягивает" посетителя в него, ведет его к центру и заставляет затем поднять голову кверху — к светоносному куполу, внутренняя поверхность которого, наиболее яркая, являет собой и живописную кульминацию интерьера. Современное общественное сооружение, как правило, большое по размерам и числу помещений, выдвинуло задачу светового ансамбля как синтеза световой архитектуры его отдельных интерьеров. Организация яркостного ритма в интерьере решает только функциональную сторону дела. Умелое распределение яркостей в помещении делает пространство более глубоким и архитектурно выразительным. В соответствии с законами адаптации темное пространство прекрасно "работает" на последующее светлое, так как глаз, адаптированный к темноте, лучше воспринимает освещенное пространство; адаптация к свету позволяет лучше чувствовать темноту. При удачно выбранных светлотных соотношениях освещенное малое пространство при переходе в него из темного помещения может показаться большим. 11 4.2. Основные величины, единицы и законы Фотометрические понятия и единицы. Основные понятия Прежде чем рассматривать законы оптических явлений, мы должны составить себе представление об измерении света — фотометрии, которая сводится к измерению энергии, приносимой световой волной, или к измерению величин, так или иначе связанных с этой энергетической характеристикой. Этим объясняется многообразие фотометрических понятий, к рассмотрению которых мы переходим. 1. Поток лучистой энергии F. Представим себе источник света настолько малых размеров, что на некотором расстоянии от него можно считать поверхность распространяющейся волны сферической. Такой источник обычно называют точечным. Расположим на пути лучистой энергии, идущей от нашего источника L (рис. 3.1), какуюнибудь малую площадку s измерим количество энергии Q, протекающее через эту площадку за время t , Для этой цели можно покрыть площадку веществом, поглощающим всю падающую энергию (сажа), и измерить поглощенную энергию, например, по изменению температуры. Отношение (1,1) показывающее количество лучистой энергии, протекающей через площадку s за единицу времени, т. е. мощность сквозь поверхность о, называется потоком лучистой энергии через поверхность s. Так как лучистая энергия в однородной среде распространяется прямолинейно, то, проведя из точки L совокупность лучей, опирающихся на контур площадки s, мы получим конус, ограничивающий часть потока, протекающую через s. Если внутри среды поглощения энергии нет, то через любое сечение этого конуса протекает один и тот же поток. Сечение конуса сферической поверхностью с центром в L и с радиусом, равным единице, дает меру телесного угла конуса dW. Если нормаль п к поверхности s составляет угол i с осью конуса, а расстояние от L до площадки есть R, то (1.2) Таким образом, выделенная нами часть потока приходится на телесный угол dW. При этом мы предполагаем, что линейные размеры площадки s малы по сравнению с R, так что dW- небольшая величина и внутри dW, поток можно считать равномерным. Полный поток, идущий от L по всем направлениям, будет Поток есть основное понятие, необходимое для оценки количества энергии, проникающей в наши приборы. Знание потока существенно необходимо при расчете многих оптических устройств. Такой приемник, как, например, фотоэлемент, непосредственно реагирует на поток . 12 Оптическая часть электромагнитного спектра лучистой энергии включает в себя области ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения. Ультрафиолетовым является излучение, длины волн λ монохроматических составляющих которого меньше длин волн видимого излучения и больше 1 нм (Нанометр — единица измерения длины волны, равная 1/1000000 части миллиметра). По данным Международной комиссии по освещению (МКО), различают следующие области ультрафиолетового излучения: УФ-А с длинами волн 315—400 нм; УФ-В с длинами волн 280—315 нм; УФ-С с длинами волн 100—280 нм. Видимое излучение (свет) непосредственно вызывает зрительные ощущения. Нижняя граница спектральной области видимого излучения лежит между 380 и 400 нм, верхняя — между 760 и 780 нм. Инфракрасным называют излучение, длины волн монохроматических составляющих которого больше длин волн видимого излучения и меньше 1 мм. По данным МКО, различают следующие области инфракрасного излучения: ИК-А с длинами волн 780— 1400 нм; ИК-В с длинами волн 1,4— 3 мкм; ИК-С с длинами волн 3 мкм— 1 мм. Различают монохроматическое и сложное видимое излучение. Монохроматическое излучение характеризуется очень узкой областью частоты (или длин волн), которая может быть определена одним значением частоты (или длины волны). Сложное излучение характеризуется совокупностью монохроматических излучений разных частот. Пример сложного излучения — дневной свет. Под спектром излучения понимают распределение в пространстве сложного излучения в результате его разложения на монохроматические составляющие. Действуя на глаз, излучения, имеющие разную длину волны, вызывают ощущение того или иного цвета. Приближенные границы цветных полос видимого излучения: 13 Средний человеческий глаз наиболее чувствителен к желто-зеленым излучениям с длиной волны λ = 555 нм. На рис. 3.5 приводятся кривые относительной спектральной световой эффективности монохроматических излучений с длиной волны λ для дневного V(λ) и ночного V'(λ) зрения. Сравнение этих кривых свидетельствует о том, что в условиях ночного зрения глаз человека наиболее чувствителен к голубым излучениям с длиной волны λ=510 нм. При оценке качества световой среды решающее значение имеет яркость свечения источника света и освещаемых им поверхностей. Яркость — световая величина, которая непосредственно воспринимается глазом; она представляет собой поверхностную плотность силы света в заданном на правлении, которая определяется отношением силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению. При оценке качества световой среды решающее значение имеет яркость свечения источника света и освещаемых им поверхностей. Яркость — световая величина, которая непосредственно воспринимается глазом; она представляет собой поверхностную плотность силы света в заданном направлении, которая определяется отношением силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению. Различают два частных случая определения яркости L: 1) яркость в точке М поверхности источника в направлении светового луча I определяется по формуле L= I /Acos Θ, где I — сила света в направлении I; А — элемент светящей поверхности, содержащей точку M; Acos Θ — сила света, приходящаяся на единицу площади проекции; 14 Схема к определению телесного угла Продольные кривые силы света источников 2) яркость в точке М поверхности приемника (например, глаза или фотоэлемента) в направлении / представляет собой отношение освещенности Ел создаваемой в этой точке приемника в плоскости, перпендикулярной направлению I, к телесному углу Ώ, в котором заключен световой поток, создающий эту освещенность (нормальная освещенность, приходящаяся на единицу телесного угла): L = E/Ώ. В общем случае яркость светящей поверхности различна в разных направлениях, поэтому яркость, подобно силе света, характеризуется значением и направлением. Поверхности, обладающие одинаковой яркостью по всем направлениям, называются равно яркими излучателями. К ним относятся, например, оштукатуренные и матово окрашенные поверхности потолка и стен, осветительные приборы в виде шара из молочного стекла и др. Значения яркости для некоторых светящихся элементов: Светящий элемент Яркость, кд/м2 Облачное небо в зенитев полдень 7000—8000 Ясное небо в зените в полдень 2500—4000 Луна при полнолунии 2500 Пламя стеариновой свечи 5000—7500 Лампы ДРИ в светорассеивающей колбе 105 Ксеноновые лампы 1,5106— 1, 8* 109 Солнце в зените 1,5*109 Лампы накаливания (220 В, 100 Вт) (0,5—15) 106 Люминесцентные лампы 5000—10000 15 Между яркостью и освещенностью поверхности, равномерно рассеивающей падающий на нее свет, существует важнейшая зависимость L = Е ρ/ π где ρ — коэффициент отражения. При световом потоке, проходящем через рассеивающее стекло с коэффициентом пропускания τ, яркость стекла определяется по формуле L = Еτ / π По характеру распределения световых потоков, отраженных поверхностью или пропущенных телом, различают следующие основные их виды: а) рассеянное (диффузное) отражение от оштукатуренной поверхности потолка и стен или пропускание света молочным стеклом б) направленное отражение или пропускание, например при отражении света от зеркал и полированных поверхностей металла или пропускание света через оконное стекло в) направленно-рассеянное отражение, например от поверхностей, окрашенных масляной краской, или пропускание света матированным стеклом Схема, характеризующая диффузное отражение (а) и диффузное пропускание (б) света: Освещенность поверхности представляет собой плотность светового потока, т.е. отношение светового потока Ф, падающего на элемент поверхности, содержащей данную точку, к площади этого элемента Е=Ф/А 16 Единица освещенности — люкс (лк); 1 лк равен освещенности, создаваемой световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на поверхности площадью 1 м2. Об освещенности, равной 1 лк, можно судить по следующим примерам: освещенность горизонтальной поверхности при лунном освещении (полнолуние) составляет 0,2 лк; в белые петербургские ночи — 2—3 лк; минимальная освещенность на проезжей части улиц (посередине между фонарями) — 1—0,5 лк. Освещенность, создаваемая точечным излучателем (рис. 3.10) с заданным распределением силы света, определяется по формуле где / — сила света, кд; d — расстояние от источника света до точки А/, в которой определяется освещенность. Ем = Icos ά/d2 Критерием оценки переменного естественного освещения служит коэффициент естественной освещенности (КЕО), который представляет собой отношение естественной освещенности Ем, создаваемой в точке М на заданной (рабочей) поверхности внутри помещения светом неба (непосредственно или после отражения), к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности под открытым небосводом Ен. КЕО выражается в процентах. Участие прямого солнечного света в определении Ем и Ен исключается. Значение КЕО, обозначаемого в формулах как е, находится из выражения ем = Ем/Ен)100%. Графическая модель небосвода. 17 Л5 Архитектурное цветоведение Архитектурное цветоведение основано на теоретических положениях науки о цвете и пользуется ее понятиями и терминологией. Оно охватывает широкий круг вопросов, выделенных из сложного объема проблем о цвете: взаимодействие света и цвета, их формообразующая роль в творческом методе архитектора, учет объективных факторов, определяющих выбор цвета в архитектурном проектировании и др. В соответствии с современным представлением ощущение того или иного цвета определяется спектральным составом излучения, попадающего в глаз наблюдателя. Для иллюстрации этого можно проследить за изменениями состава дневного света, освещающего, например, красную кирпичную стену и желтый цветок. Отраженный от стены и цветка свет после избирательного поглощения меняет свой спектр и в зависимости от того, что попадает в глаз, создается соответствующее ощущение цвета. (Отражение света – возникновение вторичных световых волн, распространяющихся от границы раздела двух сред «обратно» в первую среду, из которой первоначально падал свет. Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие О. с. от их поверхностей.). 18 Спектральные характеристики цветков одуванчика на весеннем лугу (Ф, Фρ) — в относительных величинах) а - спектральное распределение энергии дневного света — прямого солнца (1) и голубого неба (2); 6 - кривые спектральных коэффициентов отражения желтого цветка (3) и зеленой листвы (4); в - кривые излучений, отраженных от цветка одуванчика, освещенного светом неба (5), и от зеленой листвы, освещенной солнцем (6) Способность зрительного анализатора узнавать предметы по их отражательным свойствам в изменяющихся условиях освещения получила название константности цветовосприятия. Для механизма константности характерно, что на субъективно воспринимаемый цвет предметов иногда большое влияние оказывают удаленные в пространстве информативные детали. Таким образом, константность восприятия цвета в значительной мере основана на узнавании картины в целом; этой способностью мы обязаны мозгу, корректирующему физиологическую реакцию. 19 Наряду со свойством константности восприятия цвета существует и, видимо, играет важную роль чрезвычайно высокая цветовая различительная чувствительность нашего зрительного анализатора. Для объяснения особенностей цветового зрения, в том числе возникновения цветовых ощущений, наиболее известны трехцветная (трехкомпонентная) теория Юнга—Гельмгольца и теория оппонентных (противостоящих) цветов. Согласно трех компонентной теории каждый вид колбочек (красно-, зелено- и синечувствительных) реагирует на излучения довольно широкого диапазона длин волн, но красночувствительные колбочки преимущественно реагируют на монохроматические излучения с длинами волн 550—650 нм, а зелено- и синечувствительные — на излучение с длинами волн соответственно 500—600 и 400-500 нм (рис. 6-2). Рис. 6.2. Кривые чувствительности цветооиущающих колбочек глаза 5.3. Цветовой тон, насыщенность, яркость Человеческий глаз различает несколько десятков тысяч цветов. Чтобы внести в цветовое многообразие, окружающее человека, известный порядок, необходимо прежде всего установить те основные свойства, которыми цвета отличаются друг от друга, т.е. признаки, которые могут охарактеризовать цвет по отдельности в отличие от других. Когда мы рассматриваем два объекта, то мы замечаем не только то, что их цвета различны, но и то, в каком именно отношении они различны. 20 Характерным признаком цвета является цветовой тон. Так, мы различаем цвета красный, желтый, синий и т.д. и их оттенки — желто-зеленый, голубовато-зеленый и др. В таких случаях говорят, что цвета различаются по цветовому тону. Эта характеристика ощущения приближенно соответствует в колориметрии понятию доминирующей длины волны λ , нм. Названия цветов в спектре (красный, оранжевый, желтый и др.) сложились исторически, они условны и недостаточно определенны. Из спектра можно выделить значительно больше различающихся по цветовому тону излучений. Для определенности обозначения цветового тона указывают длину волны излучения, вызывающего ощущения красного, оранжевого и т.д., т.е. говорят о цветовом тоне такой-то длины волны. Длину волны, измеряемую в нанометрах, можно, таким образом, считать объективной величиной, а цветовой тон — свойством зрительного ощущения, т.е. субъективной характеристикой. Объяснить, что такое ощущение красного, так же трудно, как объяснить ощущение горечи или запаха. Для наших целей достаточно сказать, что когда мы произносим или пишем слова "красный", "зеленый", "голубой" и т.д., мы сообщаем другим в первую очередь наши представления об определенном цветовом тоне. Цветовой тон — наиболее заметный фактор, изменяющийся с изменением длины волны излучения видимого спектра, и поэтому он является характеристикой, позволяющей описывать цвет длиной волны монохроматического излучения, с которым он совпадает. Возможно, цветовой тон следует определить как главную (но не единственную) характеристику цвета, на основе которой цвета получают свои названия. Два цвета, одинаковые по цветовому тону, могут отличаться по другим признакам — насыщенности и светлоте. Среди цветов особое место занимают "бесцветные", или ахроматические. К ахроматическим цветам относятся белый и все серые вплоть до 21 черного. Под серым, или нейтральным, подразумевается только такой серый цвет, в котором совершенно отсутствует какой-либо цветовой тон, так что всякие желтовато- или зеленовато-серые уже не будут ахроматическими в строгом смысле этого слова. Нейтрально серый цвет, таким образом, есть белый цвет малой яркости. В противоположность ахроматическим цветам, у которых отсутствует цветовой тон, все остальные цвета будут относиться к хроматическим. Однако резкую грань между хроматическими и ахроматическими цветами провести не всегда легко, ибо есть много цветов, цветовой тон которых почти не улавливается глазом, так как они образуют переход от хроматических к ахроматическим цветам. У других же этот цветовой тон, или хроматичность, сильно выражен. Цвета с сильно выраженным цветовым тоном называют насыщенными. Насыщенность — характеристика, позволяющая наблюдателю оценить долю чистой хроматической составляющей в общем цветовом ощущении. Насыщенность оценивается числом порогов цветоразличения Н. (Порог цветоразличения – минимальное различие двух цветов по цветовому тону, насыщенности или светлоте, обнаруженные наблюдателем в определенных условиях наблюдения). Эта характеристика ощущения приближенно соответствует понятию чистоты цвета. Чистота цвета определяется как степень приближения цвета к чистому спектральному и выражается в процентах (Р, %). Чем выше чистота, тем больше насыщенность. Чистоту цвета принято считать объективной характеристикой насыщенности. Наибольшей чистотой обладают цвета спектра, поэтому чистота всех спектральных цветов принимается за 100%, несмотря на их различную насыщенность (рис. 6.3). Рис. 6.3. Зависимость насыщенности цвета от его чистоты Цветовой тон (или длина волны) и насыщенность (или чистота) называются цветностью, которая считается качественной характеристикой цвета. Цвета одинаковой 22 цветности тем не менее могут отличаться друг от друга: один темнее, другой светлее. Так, один и тот же предмет, если его освещенность выше (а следовательно, выше яркость), воспринимается более ярким по сравнению со слабо освещенным. Количественное выражение уровня зрительного ощущения, производимого яркостью, называют светлотой. Между яркостью и светлотой существует определенная связь, позволяющая производить оценку светлоты в зависимости от яркости. Светлота (яркость) — это количественная характеристика цвета. Если поверхности обладают одинаковой объективно измеренной яркостью, то можно предположить, что эти яркости создают одинаковые ощущения. На самом деле чем ближе поверхность к хроматической, тем более яркой она воспринимается. Это соответствует известному явлению — "эффекту Гельмгольца—Кольрауша". Он обнаружил, что если поместить рядом два равноярких цвета, один из которых будет иметь более высокую насыщенность, то этот цвет будет казаться ярче. Международная комиссия по освещению (МКО) предложила следующие поправочные коэффициенты для яркостей насыщенных цветных поверхностей, которые воспринимались бы как равносветлые по сравнению с белыми: цвет коэфф белый 1,0 кр 0,7 жел 0,9 зел 0,8 гол 0,7 фиол 0,7 пурп 0,6 В первом приближении, как это принято в цветоведении, считается, что каждой из характеристик цвета — длине волны, чистоте, яркости — соответствует, как мы уже видели, характеристика ощущения — цветовой тон, насыщенность, светлота (табл. 6.1). Объектив параметры Длина волны λ, нм Чистота ρ,% Яркость Ļ, кд/м2 Субъектив параметры Цветовой тон Насыщенность Н, пор Светлота В, пор Кроме того, восприятие цвета зависит и от условий наблюдения: цветовой адаптации, фона, на котором рассматривается данный цвет, настроения человека, цветовых предпочтений и т.д. Цветовая адаптация — процесс функционирования органа зрения под воздействием цветовых стимулов. Различают световую, цветовую и темновую адаптацию; световая и цветовая протекают одновременно (за исключением тех случаев, когда наблюдается ахроматическая картина). Итак, цветовая яркость — это уровень зрительного ощущения, производимого фотометрической яркостью в заданных условиях наблюдения в зависимости от насыщенности и цветового тона. Цветовая гамма — это совокупность цветов, выбранных для решения определенных функциональных, эстетических и эргономических задач для получения необходимого психофизиологического воздействия на человека. Степень общего психофизиологического воздействия цветов на человека оценивается количеством цвета Q, зависящим от цветового тона и насыщенности объекта и фона, соотношения их угловых размеров и яркостей, расстояния до наблюдаемого объекта, расположения в поле зрения, продолжительности восприятия. Количество цвета, являющееся мерой цветового ощущения, измеряется числом порогов цветоразличения и имеет те же градации, что и цветовой контраст. Цветовая гамма, которую принято классифицировать как теплую, холодную и 23 нейтральную, создает общее впечатление — цветовую тональность, например сероголубую, красно-коричневую, розовую и т.д. Цветовая тональность — это общий цветовой облик, некое общее ощущение от данной цветовой гаммы. Это понятие можно рассматривать как адекватное понятию колорита в живописи. Объединение цветов по цветовой тональности — важная закономерность, создающая целостность и гармонию цветовых сочетаний. Возможности сочетаний цветных элементов архитектурного объема неисчерпаемы. Гармоничными называют сочетания цветов, вызывающие положительные психоэстетические реакции и оценки. Такие сочетания могут быть простыми и сложными, но тем не менее их многообразие может быть сведено к двум основным группам: контрастные и нюансные цветовые гармонии. Первая группа построена на противопоставлении, а вторая — на сближении цветов. Противоположность цветов может проявляться по-разному: по дополнительным цветам (с известной внутренней закономерностью их единства — в аддитивной смеси дают ахроматический цвет), по светлоте (полярные белый и черный), по насыщенности, по фактуре (матовый и зеркально-глянцевый), по размерам площадей цветовых пятен и, наконец, по любой из психологических характеристик цветов (теплый и холодный, легкий и тяжелый, отступающий и выступающий и др.). 24 5.4. Систематизация цветов. Колориметрическая система МКО В практике и научных исследованиях применяются два способа систематизации и количественного выражения цвета. Первый способ — колориметрический, второй — способ цветных эталонов, разрабатываемых в виде атласов цветов. Наука, занимающаяся количественным выражением цвета и его измерением, называется колориметрией.. Попытки систематизировать и выразить все многообразие цветов с помощью разных пространственных моделей цветового тела, а также плоских цветовых кругов предпринимались с давних пор. Так, Гете построил цветовой круг, положив в основу три независимых цвета — красный, синий, желтый — и три полученных из них смесей: К + Ж - оранжевый, С + К ~ пурпурный, Ж + С - зеленый. Однако систематизация, основанная на научных данных, начинается с XVII в., после того как Ньютон разложил белый свет на его составляющие — монохроматические излучения. Соответствующие модели цветовых тел имели самые разнообразные формы, например "цветового куба", "цветового конуса", "цветового шара", "цветовой пирамиды" и т.д. Воспроизведение цвета Обычно все способы получения цветов подразделяют на два основных: аддитивный и субтрактивный. Изучение способов получения цветов дает представление об их многообразии, позволяет выяснить закономерности и пути воспроизведения цветов и научить архитекторов, дизайнеров и других специалистов получать любой желаемый цвет. Аддитивный синтез (от лат. additio — сложение) происходит при смешении (суммировании) цветных световых потоков, субтрактивный (от лат. soubtragere — вычитать) — при наложении окрашенных прозрачных слоев или смешении красок. Эти способы дают совершенно различные результаты. Аддитивный способ получения цветов. Направим световой пучок (например, от лампы накаливания) так, чтобы он создавал освещенный участок на белом экране, а на соседний участок экрана направим три световых потока, например красный, зеленый и синий, как показано на рис. 6.11. Схема демонстрации аддитивного смешения цветов 1 — диафрагма, ограничивающая наблюдаемый круглый участок с двумя полями сравнения 25 Субтрактивное смешение цветов. Субтрактивное воспроизведение цвета основано на последовательном "вычитании" из падающего исходного света монохроматических излучений, которые поглощаются цветными стеклами или частицами смешиваемых красок. Прошедший через эти слои свет изменяет свой спектральный состав, в результате чего образуется новый цвет. В субтрактивном смешении основными цветами, с помощью которых можно получить все другие цвета, являются желтый, пурпурный и голубой. Сравнительная таблица цветов, получаемых при различных способах смешения. Компонентные Результат смеси Аддитивный Пространственный Субтрактивный Синий+желтый Белый Серый Зел Кр+зел Желт Охра Корич Син+зел Голуб Серо-зел-голуб Темно-син-зел Син-красн Розов Грязно-пурпур Темно-пурп 26 Л.6 Нормирование и проектирование цвета Не только в интерьере, но и в экстерьере, цвет рассматривается как важный эстетический фактор формирования архитектурной среды. Он способен обогатить архитектурную среду в отношении как информативности, так и эмоциональности и комфортности. Многочисленные задачи, решаемые с помощью цвета, должны рассматриваться комплексно, так как на формирование цветового окружения влияет одновременно целый ряд взаимосвязанных факторов. Задачи, решаемые с помощью цвета, можно разделить на три основных группы: А, Б и В. Группа А — цвет обеспечивает психофизиологический комфорт. Он способствует созданию комфортных условий функционирования организма человека: обеспечению оптимальных условий для осуществления определенной зрительной работы и компенсации неблагоприятных воздействий среды (монотонность зрительной работы, высокие температуры в цехах металлургических заводов, неблагоприятный климат местности, неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия и др.). Группа Б — цвет участвует в организации систем средств визуальной коммуникации. Информативная роль цвета используется при проектировании городской застройки, в производственных цехах, торговых залах универсамов и т.д. Группа В — цвет выступает как важнейший фактор эмоционально-эстетического воздействия. Современный подход к выбору цветов начал зарождаться и формулироваться несколько позже, когда начали появляться различные разработки и рекомендации по цветовой отделке. В 1962 г. появились первые материалы по нормированию цвета — "Указания СН 181—61", которые предусматривали рекомендации по рациональной окраске и подбору цветов облицовочных материалов стен, потолков, ферм, балок, технологического оборудования в целях улучшения условий труда в производственных помещениях. В СН 181—61 впервые ставилась комплексная проблема учета особенностей светового климата, назначения помещений, характера зрительной работы и др. СН 181-70 – «Указания по проектированию цветовой отделки интерьеров производственных зданий промышленных предприятий» Между цветностью излучения и уровнем освещенности существует следующая взаимосвязь: Контроль цвета с очень высокими требованиями к цветоразличению (контроль готовой продукции на швейных фабриках, на текстильных фабриках, сортировка кожи, изготовление красок, подбор красок для цветной печати кабинеты врачей и т.п.) Сопоставление цветов с высокими требованиями к цветоразличению (контроль сырья на заводах, ткацкие фабрики, раскрой и пошив на швейных фабриках, окраска машин, выставочные залы, специализированные магазины и т.п.). Различение цветовых объектов без контроля и сопоставления (сборка радиоаппаратуры, прядение, намотка проводов, переплетные цехи, столовые т.п.). Работа с ахроматическими объектами (механическая обработка металлов и пластмасс, сборка машин и инструментов и т.п.) Более поздние исследования оценки комфортности освещения показали, что граница зоны комфортности смещена в сторону более высоких цветовых температур, чем это установил Крюйтгофф. По этой кривой нижний уровень освещенности при применении ламп ЛБ снижается до 100 лк. 27 Недооценка значения этих факторов может исказить задуманный образ, изменить характер колористического решения композиции, разрушить ее цветовое единство. Напротив, соответствие между цветностью и интенсивностью освещения обеспечивает правильное восприятие цветов, эмоциональность и целостность впечатления. В табл. в качестве примера даны рекомендуемые диапазоны цветовых характеристик интерьеров жилых зданий. Помещ Комнаты Кухня Поверхность Пол Стены Потолок Пол Стены Потолок Цветовой тон (λ,нм) при различ. ориентации Север Восток- Юг запад Кол-во цвета Q,пор Районы севернее 45° и южнее 60° с.ш. 565-590 565-590 565-590 С1 575-600 520-600 490-540 М1 Ахроматический 520-605 520-605 520-605 С2 540-600 490-510 490-510 М1 Ахроматический - 28 Допускаемые Коэфф отраж ρ,% Цветовой контраст ΛE 20-40 55-70 70-80 20-40 С2 М2 Б2 70-80 М2
