Дневной свет: Как его воспринимает человеческий глаз?

В этой статье мы попытаемся выяснить некоторые вопросы о дневном свете и его восприятии человеком и рассмотрим следующие вопросы:
• Что такое дневной свет  и его удивительные особенности;
• Кривая Комфорта Круитхофа;
• Человеческий глаз;
• Цветовая адаптация.

Что такое дневной свет  и его удивительные особенности

Дневное освещение,  часто называемое естественным или природным, представляет собой  сочетание солнечных лучей и рассеянного света. В ясный безоблачный день цветовая температура потока естественного света достигает 6000К. Именно такой уровень освещенности является наиболее комфортным для человека, и редко кто при этом скажет, что «сегодня слишком холодно» или что «небо слишком синее». В то же время, при точно таких же условиях, но находясь внутри помещения, тот свет, что казался нам естественным на улице, начинает восприниматься с явным сиреневым оттенком. Сегодня мы попытаемся исследовать как физиологические, так и экологические причины этого явления и найти способы решения проблемы.

Фон

Впервые мы столкнулись с таким явлением, когда стали использовать лампы Соллюкс для освещения картин Вермеера в Национальной галерее искусств в Вашингтоне. Во время эксперимента каждое полотно освещало необходимое количество (20-30) точечных светильников. Наблюдатели могли самостоятельно регулировать освещение, выбирая оптимальную для себя цветовую температуру, используя Соллюкс на 4700К и стандартные MR-16 на 3000К, при этом уровень яркости оставался постоянным. Как оказалось, участники эксперимента чаще всего устанавливали цветовую температуру около 3500К, что несколько  удивительно — ведь при нормальных условиях свет в 3500К воспринимается глазом как желто-оранжевый, и сила спектрального распределения подтверждает это.

 

Такие результаты нельзя объяснить нетренированностью глаз, поскольку участники эксперимента над Вермеером были профессионалами, имеющими огромный опыт в освещении предметов искусства. В состав группы входили хранитель музея и главный дизайнер по освещению Национальной галереи искусств. Однако  было замечено, что уровни освещения в самом музее значительно ниже, чем стандартный уровень света в обычных помещениях.

Действительно ли уровень освещенности воздействует в максимальных и минимальных экстремумах, а также промежуточных точках на  восприятие человеческим глазом цвета? Исторические и эмпирические данные говорят нам о том, что ответ на этот вопрос положительный.

Кривая комфорта Круитхофа

Ранее исследования, затрагивающие отношения между диапазоном освещенности и цветовой температурой, проводились Круитхофом (Kruithof). Экспериментальным путем он разработал график, на котором определил области высоких и низких уровней освещенности  для различных цветовых температур, являющиеся наиболее комфортными для наблюдателей.

 

 Концепция  Круитхофа произвела настоящий прорыв в световом дизайне, и она выдержала испытание временем, поскольку в своих исследованиях ученый использовал только солнце и лампы накаливания, что позволило получить чистое спектральное распределение мощности. Основываясь на результатах кривой комфортности Круитхофа, низковольтажные лампы дневного света Соллюкс должны использоваться в соответствии со следующими принципами освещенности:

Цветовая температура	Уровень освещенности (footcandles)	Яркость(Lux)
3500К	18-2000	194-2.153
4100К	22-1500	240-16.147
4700К	25-5000+	290-50.000
5000К	40-5000+	430-50.000

Дальнейшие исследования по уточнению кривой Круитхофа были продолжены Вейнтраубом (Weintraub) и др.  с помощью системы освещения Соллюкс, используемой в Национальной художественной галерее.

Человеческий глаз

Что же вызывает такие изменения  в восприятии света? Ответ на этот вопрос скроется в уровнях освещенности на открытом воздухе и внутри помещений, а также того, как реагирует человеческий глаз на столь разные условия освещенности.

Уровень освещенности, измеряемый в обычный пасмурный день в городе Рочестер штата Ню-Йорк, примерно 3200 footcandles при цветовой температуре 6550К. В солнечный день они изменяются до 13600 footcandles при 5000К. Уровень освещенности, требуемый для чтения и демонстрации товаров в розничном магазине, находится в диапазоне между 75 и 150 footcandles, а для  освещения музея достаточно около 20 footcandles.

Уровни освещения на открытом пространстве, внутри помещений и  в музее отличаются в каждом конкретном случае в десятки и более раз. Реагируя на эти изменения, радужная оболочка глаза быстро расширяется и сокращается. Благодаря этому она контролирует количество света, достигающего сетчатки глаза, которая содержит светочувствительные фоторецепторы — колбочки и палочки, ответственные за зрение. Свет, попадающий на сетчатку, пропорционален квадрату диаметра зрачка. Если зрачок расширяется вдвое, то количество света, попадающего  в глаз, увеличивается в четыре раза. При тусклом освещении радужная оболочка может раскрыться до 8мм и сузиться до 2мм при ярком свете. Такое четырехкратное изменение диаметра соответствует шестнадцатикратному изменению яркости на самой сетчатке глаза, а ведь уровень света в музее и на открытом воздухе в солнечный день в Рочестере отличается в 680 раз. Такую разницу в освещенности в 42.5 раза  не может откорректировать глазная радужная оболочка, что приводит к активному динамическому взаимодействию между парами колбочек и палочек сетчатки.

Более шести миллионов колбочек и 119 млн. палочек неравномерно распределены на сетчатке. Колбочки конической формы в основном сосредоточены в ее центре, в области, называемой Ямкой, и имеют максимальную чувствительность, как показано на рисунке, в 555нм (зеленый спектр). До недавнего времени именно им приписывали ответственность за цветное зрение. Палочки, чей максимум чувствительности приходится на 508нм (синий спектр), традиционно связывали только с ночным зрением.

 

В 1996 году был опубликован документ под названием «Реинжиниринг осветительной фотометрии» ("The Reengineering of Lighting Photometry") д-ра Сэма Бермана, сформулировавший новую теорию работы человеческого глаза, в которой функция палочек и колбочек не является взаимоисключающей, как считалось ранее.

Чтобы доказать свою теорию, согласно которой  фоторецепторы палочки работают круглосуточно, доктор Берман замерял диаметры зрачка, подвергающегося воздействию источников света, одинаковым по силе, но с разной спектральной  интенсивностью распределений. Источники, которые излучали свет в диапазоне близком к 508нм и далеко от максимальной чувствительности колбочек (в 550нм), приводили к меньшим размерам зрачка. Это доказывало факт, что палочки не только работают постоянно, но еще именно они и управляют размером зрачка, а не колбочки, как полагали до этого.

Что это все значит для человека, смотрящего на картины на открытом воздухе, в обычном помещении или в музее? Яркий уличный свет становится причиной сужения зрачка, однако, изменений в его диаметре недостаточно, чтобы компенсировать высокий уровень освещенности. При его увеличении чувствительность колбочек является доминирующей, а  вклад палочек в общую реакцию ощущается в меньшей степени. При этом цвет большого количества света, достигающего глаза, кажется белым.

Попадая в помещение, зрачок увеличивается в размере, пропорционально пропуская больше света. И опять радужная оболочка не может поддержать требуемый уровень освещения сетчатки. В условиях такой пониженной освещенности палочки с чувствительностью к голубому спектру становятся более активными, и свет силой 6000К, который выглядел на открытом воздухе белым, приобретает синий цвет, а силой в 4700К — начинает казаться белым. Посещая музей, мы снижаем уровень освещенности в десятки раз, и теперь и свет силой 4700К приобретает холодный голубоватый оттенок, а белым становится уровень в 3500К.

Важное значение имеет и то, что радужная оболочка зрачков, сокращаясь,  и пропускает меньше света в глаза, но при этом размер изображения на сетчатке не изменяется. Таким образом, для  определенной области восприятия всегда одинаковое количество палочек и колбочек подвергается воздействию света, который оказывает большее влиянии на колбочки при высоком уровне освещения и на палочки — при низком.

Взаимодействие между радужной оболочкой, палочками и колбочками дает правдоподобное объяснение нашим наблюдениям, когда люди называют прямой солнечный свет в 6000К белым и видят в нем синие оттенки при недостаточной освещенности.

Цветовая адаптация

В то время как кривая комфортности Круитхофа характеризует физиологические условия, влияющие на восприятие цвета, цветовая адаптация определяет психологические особенности, также играющие важную роль. Цветовая адаптация — восстановление равновесия чувствительности глаза к цвету как к спектральной композиции появляющихся изменений. Мозг постоянно обрабатывает потоки информации, поступающей в него через глаза. Иногда мозг как бы «массирует» полученные данные. Без этой способности большинство источников света, при которых мы работаем и играем, могли бы доставить нам неприятности. Возьмем, например, лампы дневного света: глазу комната кажется освещенной в прохладном  белом свете, однако, фотографии сделанные в этом же помещении, показывают зеленый оттенок.

Сочетание факторов цветовой адаптации с высокими перепадами освещенности вызывает порой весьма интересные эффекты. Например, ночью фары автомобиля кажутся яркими и белыми, но они же при дневном освещении выглядят тусклыми и желтыми.  В противоположность этому примеру — маленький луч солнечного света, просочившийся в помещение, освещенное лампой накаливания. В то время как комната кажется  белой, луч будет иметь синий оттенок. Если же этот же луч рассматривать на улице при дневном свете, он будет абсолютно белым, а вот лампа накаливания — желтой.

Вернемся к первоначальному вопросу о том, что же действительно синее, а что белое? Очевидно, что однозначного ответа тут нет, поскольку все зависит от уровня освещенности источника света и окружающей среды. При высоком уровне освещения, например, на улице дневной свет  цветовой температуры в диапазоне 4500-6000К кажется мозгу белым, на промежуточных уровнях в закрытых помещениях 6000к кажутся синими, а 3000-4700К — белыми.

Дизайнеры, освещающие области или объекты дневным светом, должны обязательно учитывать совокупность аспектов — насколько ярко уже освещено пространство, какую адаптацию прошли  глаза зрителей и, конечно, что же именно они собираются подсветить. С появлением ламп Соллюкс на 4700К, 4100К и 3500К художникам по свету открываются широкие возможности для создания прекрасных условий освещения в различных обстановках