4.4 视觉与视觉环境设计（1 / 3）

4.4.1 视觉特性

本文叙述的是视觉与视觉环境的交互作用。严格来说，视觉也是一种视觉知觉活动，即视觉是各种环境因子对视感官的刺激作用所表现的视知觉效应。

1.光知觉特性

光是人们认识世界一切物体的媒介，是视觉的物质基础。光的本质是电磁波，可见光谱是400-760nm，即红外线至紫外线之间的光谱，眼睛对此范围内的光谱反应最有效。人对光的刺激反应表现为分辨能力、适应性、敏感程度、可见范围、变化反应和立体感等一系列光觉特性。

2.颜色知觉特性

颜色的本质同光一样是不同频率的电磁波，各种颜色的波长也在可见光的光谱范围内。人对颜色的反应表现在颜色的色调、明度和饱和度及其心理表现等基本特性的知觉。

3.形状知觉特性

由于光对物体各部分的作用不同，便产生了人对物体形状的图形知觉。故形状知觉特性表现为人对图形和背景，良好形态和空间形象的认识。

4.质地知觉特性

由于光对物体表现作用的差异，物体表面质地也就呈现出来。人对物体表面质地的感觉，即质感，表现为光洁程度、坚硬或柔软度等。

5.空间知觉特性

人在空间视觉中依靠多种客观条件和机体内部条件来判断物体的空间位置，从而产生空间知觉。空间知觉特性表现为人对空间的开放性、封闭性等的认识。

6.时间知觉特性

由于光对物体和环境作用的强度和时间长短的不同，人对环境的适应和辨别率也不一样，这就是视觉的时间特性。

7.恒常特性

人对固定物体的形状、大小、质地、颜色、空间等特性的认识，不因时间和空间的变化而变化，这就是视觉的恒常性。

由于环境因子刺激量和人的接受水平的差异，故同一环境给每个人的反应是各不相同的。在众多因子中，光和颜色对环境氛围的影响最大。

4.4.2 眼睛的构造

眼睛由眼球、眼眶、结膜、泪器、眼外肌等组成。每只眼球直径约25mm，重约7g。前面是角膜，其余部分包以粗糙而多纤维的巩膜，藉以保护眼睛不受损伤并维持其形状不变。中间层是黑色物质的脉络膜并富有血管。视网膜是薄而纤细的内膜，由光感受器和一种精致而相互连接的神经组织网络组成。

眼睛类似一架照相机，来自视野的光线由眼睛聚焦，在眼睛后面的视网膜上形成一个相当准确的视野的倒像。这种光学效应绝大部分来源于角膜的曲度，对远处和近处物体焦点做细微调整则依靠改变晶状体来实现。在晶状体两侧的前房和后房里充满着透明物质。虹膜是色素沉着的结构，它的中心开孔就是瞳孔，能以类似照相机改变光圈的方式缩小和扩大。

外界物体发出和反射的光线从眼睛的角膜、瞳孔进入眼球，穿过如放大镜的晶状体，使光线聚集在眼底的视网膜上，形成物体的像。图像刺激视网膜上的感光细胞，产生神经冲动，沿着视神经传到大脑的神经中枢，在那里进行分析和整理，产生具有形态、大小、明暗、色彩和运动的视觉。

4.4.3 光线与视觉

1.人与光线

有了光线才有了人类，才有了世界，人类离不开光线。对光的知觉，是人类感受器官最朴素、最基本的功能。

（1）光线的作用。众所周知，太阳光线不仅具有生物学及化学作用，同时对于人类生活和健康也具有重要意义。利用光线造福人类，防止光线的伤害是人类的本能和智慧。

直射的阳光对人们居住的房间具有杀菌作用，利用阳光甚至可以治疗某些疾病。阳光中的红外线具有大量的辐射热，在冬天可借此提高室温。同时，光能改变周围环境，利用光线可以创造丰富的艺术效果。

（2）光线的负面伤害。光线也有许多不利的地方。长期在阳光下工作会容易疲劳；过多的紫外线照射容易使皮肤发生病变；过多的直射阳光在夏季会使室内产生过热现象；不合理的光照，会使工作面产生炫目反应，甚至伤害视力。因此要合理利用阳光，科学地进行采光和照明设计，以保证人体健康，创造舒适的室内环境。

（3）室内光的利用和遮挡。利用直射阳光照亮室内环境、制造室内环境气氛，提高卫生水平，要保证建筑的合理间距，选择好采光口。

利用直射阳光进行日光浴、治疗疾病也要选择采光方向和采光口位置及建筑保温。

采用人工照明照亮室内环境、制造室内环境气氛要选择合理的光源及正确的照明设计。

防止夏季过多的直射阳光进入室内需要进行建筑遮阳、建筑隔热。

2.视觉机能

根据视觉系统和视觉刺激的特点，视觉机能表现在以下几个方面：

（1）视力。视力是眼睛测小物体和分辨细节的能力。它随被观察物体的大小、光谱、相对亮度和观察时间的不同而变化。

视力与人的视觉生理有着密切关系，并随年龄的增长而改变。视力在眼球的分布是不均匀的，眼球不动能看到最鲜明的影像范围约为2°左右，这个范围的视觉称为中心视觉。它的外侧模糊视角称为周边视觉。由于中心区的视网膜上遍布着锥状体，所以偏离中心视力就下降；而暗处视力偏离中心5°左右为最高，这对人的夜间活动十分重要。

影响视力最明显的因素是光的亮度，视力与亮度成正比。背景越亮，视力的清晰度越高，并且有一个上限和下限。亮度的实质是被照物体表面的光辐射能量。视网膜上的感光细胞对不同亮度的敏感度是不一样的，只有达到一定亮度时才能发挥作用。同时由于眼的调节，具备收缩和放大作用，故其变化也有一定的范围。

视力与人类种族关系不大，同年龄关系比较密切，室内设计时，对老年人的视觉环境要保证足够的亮度。而亮度不仅同光源的发光强度和被照物的方位有关，而且同周围环境的亮度有关，同样的室内环境，白天由于自然光的作用，室内的照明要比晚间同样的光强显得暗。

（2）适应。人的感觉器官在外界条件刺激下，由于生理机制会使感受性发生变化。它既能免受过强刺激的损害，又能对弱刺激具有敏感的反应能力，还可以同时对几个刺激进行比较。这种感觉器官感受性变化的过程及其变化达到的状态就叫适应。

眼睛向暗处的适应叫暗适应，向亮处的适应叫亮适应或明适应。另外有研究者认为，在暗视和明视之间还存在间视，即间适应。

当人们由暗处进入亮处，瞳孔开始缩小，遇到亮度为1000asb的光，瞳孔由黑暗时的8mm可缩小到3mm；再遇到黑暗时，瞳孔又扩大。从亮到暗，适应时间长达10多分钟，而从暗处进入亮处，适应时间约为1分钟就可完成。

人的明暗适应的视觉特性对室内设计影响较大。如地道的出入口，经常采用在近入口的亮处设置日光灯照明系统，在地道暗处采用白炽灯照明，使人适应环境的变化。在大型商场、电影院和大展厅的入口处，同样会出现这样的情况，需要采用混合照明。对照明系统应采用分路开关、调光装置或多级镇流器来控制照明水平，以便适应在白昼和夜晚人对照明系统的适应要求，提高视觉环境的质量。

（3）视敏度。眼睛所能够感觉到的光波长约在380-780nm，在此限以下的紫外线，再此限以上的红外线都不能感觉到。在可见光的范围内，眼睛对各种波长的光具有不同的感受性。

眼睛对某波长的光的敏感程度称为视敏度。根据国际照明委员会（CIE）的规定，最高视敏度为1，其他各波长的相对视敏度，称为比视敏度。

视网膜的感光细胞锥状体和棒状体对不同光波的感受性不同。从图中可以看出，锥状体在555nm处的阈值，即感觉的最小能量。因此，在明亮处，眼睛对波长555nm的黄绿色具有最高的感受性。图中的另一条曲线反映出，棒状体的阈值比锥状体的阈值要低得多，其最小值也向左移动，并在650nm处结束，说明棒状体对波长510nm的绿色光敏感度最大，而对650nm以上的红光没有感觉。在黄昏时观察庭院里的红花，起初色彩鲜明，这是锥状体的作用。天色渐暗，绿色叶子看上去很显眼，红花变黑，这是棒状体的作用。使红色敏感度下降、绿色敏感度上升的现象，称为浦肯野氏（Purkingje）现象。

视敏度的特性对室内设计也具有很大关系。如商店橱窗设计和室内商品陈列，对红色之类的物品宜搁置在明亮处，或选用近似单色的照明系统，以使其鲜明。对室内景观设计或环境气氛的创造，其配色和照明也要考虑视敏度的特性。

对于在暗室工作的人和夜间警卫人员来说，如果突然进入明亮处，最好先带上红色滤色镜，这种镜只能通过650nm以上的光，从而使棒状体继续处于暗适应状态，以便返回暗处时摘掉眼镜也能立即工作。

（4）视野。是指眼睛固定于一点时所能看到的范围，若眼睛平视，视野的范围向上约55°，向下约65°，左约60°，右约100°。东方人的视野，近似水平向的椭圆形。在中心视野部位，红、黄、蓝、绿等各色都能看清，而稍偏离中心，先是看不到红绿色，再偏一点，色彩就分不清。这种现象表明了视网膜上各种感受体的分布情况。对明视起主要作用的锥状体构成了“彩色片”，对暗视起作用的棒状体构成了“黑白片”。因此，大约60°范围以内的视野也叫主视野，位于视野的中心，分辨率较高。60°以外的视野叫余视野，位于视野的边缘，分辨率较低。人眼中绿、红、黄色视野较小，而白、青色视野较大。从大到小依次的顺序是：白、青、黄、红、绿。

实际生活中，人们在广阔的视野里，通过视野中的水平或垂直线，看到的是一条直线，但偏离视野中心，水平和垂直线都有凹曲的现象。

人们看物体眼睛也是转动的，故视野范围都要比图示大得多。中间区域为双眼视野重叠区，两侧区域分别为左右眼单独视野区。

视野对于操作控制及视觉空间的设计非常重要。有这样的规则：重要的：3°以内；一般的：20°～40°以内；次要的：40°～60°。一般不在80°视野之外设置，对于视觉观察不利的因素应尽量安排在视野之外。经验表明，人在室内，如果各围合空间的界面在视野范围内，一般情况下，室内空间感就显得小和压抑。反之，就显得宽广。

（5）闪烁。人们为了得到外界景像的正确性，眼睛就要尽快地将外界变化的映像影象在视网膜上，并将以前的映象消失，这种进光的补偿时间极短，大约不到1/10s。如果超过这个界限，眼睛就会察觉光的变化。

眼睛感觉光的周期性时间变动的现象就称为闪烁。1s闪烁60次以上的闪光眼睛是感觉不到光的变化，若1s闪烁20次就会感觉出闪光，若1s闪烁10次人就会感觉到讨厌。这种感觉取决于视网膜映象的映现与消失的反复速度和光的闪熄速度之间的关系。如果后者的速度快就感觉不到闪光，如果前者速度快，就会或多或少地感觉到闪光的存在。

恰好能开始感觉到闪光时光的闪熄频率称为临界融合频率。临界融合频率以下的闪光，无论是闪光源还是被照射物体，都能直接地感受到闪光，这就是直接闪光效果。而对不能感觉到的快速闪光，如100或120Hz的荧光灯，可以用频闪观测器测得。临界融合频率因亮度和视网膜的部位不同而变化。一般情况下，光越高，其闪烁越明显。偏离视网膜中心越远则会感觉大一些，如侧视光源或被照物。

闪烁现象对于室内设计，主要是选择光源和光源照射方向的设计。要注意不要选择闪熄频率低的荧光灯。光的方向或被照物不要使人在侧视情况下才能观察到。如在窗口上边布置日光灯，特别要注意避免闪烁现象的发生。

（6）视觉暂留。各种知觉都有暂留的现象，如视觉暂留、听觉暂留、嗅觉暂留、味觉暂留、肤觉暂留等，但各种知觉暂留的时间和反应各不相同，这不仅同人感官的生理机能有关，而且同刺激物的刺激作用有关。同环境设计关系最密切的是视觉暂留。

视觉暂留是指当视觉的刺激物已停止发生作用的时候，人的视觉并不随之立即消失，还会延宕一段时间，在刺激停止后若干时间内所延宕的视觉，又叫视觉后像，或称视觉余像、视觉残像、视残留。通常在中等照度下视觉残留的时间约0.1s。视觉后像有两种：

一种是积极后像，就是在性质方面和刺激作用未停止前的视觉基本一致的一种后像，如在灯前闭目注视灯光20s以上，然后关灯，此前的视觉并不立即消失，还会延宕一段时间。

另一种是消极后像，就是在性质方面和刺激作用未停止前的视觉正好相反的一种后像，如用两张四方形，在一张上面放一张红纸，其中刻一“十”字。我们凝视白十字约20s，然后转视另一张白纸，就可见到一张青色四方形，稍后渐白，约20-30s消失。在阳光下，注视红旗约20s以上，然后注视别处，也可见到青绿色现象。消极后像的色彩是原刺激物色彩的补色，如看黄色，就能看到蓝色；在明度方面正好相反，注视黑色可看到白色。

视觉暂留的现象，在视觉环境设计中早已被人们注意。如交通安全设计时，为防止路口红灯造成驾驶员的误视，灯头需要加上避光罩以防阳光直射。在高速公路旁，每隔200m标注一个安全提示信号；在影片制作中，使画面间隔时间在0.1s以内，使画面被视为连续的图形；在橱窗、商店的出入口、室内装修、工业造型等视觉环境设计中，也经常利用此现象，延宕积极后像时间，增强环境识别性，或根据消极后像原理是娱乐场的灯光设计，增加迷幻气氛。

（7）眩光。眼睛遇到过强的光，整个视野会感到刺激，使眼睛不能完全发挥机能，这种现象称为眩光。在眩光下，瞳孔会缩小以提高视野的适应亮度，当然就降低了眼睛的视敏度，或使眼球内流动的液体形成散射，就像帷幕遮住了眼界，这就妨碍了视觉。这种眩光称为视力降低眩光，如白天眼睛正视阳光，夜间眼睛正视迎面而来的汽车灯光，都会出现视力降低眩光。当一个很大亮度的光源悬吊在接近视线的高度上，就会感到很刺眼，这就是不舒适性眩光，它虽然不会降低视力，但感觉很不舒适，如看阳光下的积雪就会出现这种情况。对不舒适性眩光的感觉程度，黄种人和白种人是不同的。就光源的辉度来说，黄种人是白种人的两倍，故日本人、中国人更加讨厌眩光，这是由于黄种人眼睛里的黑色素较多，吸收到眼球内更多的散射光所致。

不恰当的采光口、不合理的光亮度、不恰当的强光方向均会在室内形成眩光现象。特别是展厅的展面设计尤其要避免眩光。对于室内光环境要保持一定的均匀度，不要出现强光的直射刺激。

（8）立体视觉。人的视网膜呈球面状，所获得的外界信息也只能是二维的映象。然而，人能够知觉客观物体的三维深度，这就是立体视觉。

立体视觉的产生原因有客观环境的图像关联因素，也有人体的生理性关联因素。

人体生理性关联因素有两眼视差、肌体调节、两眼辐合和运动视差。两眼视差是物体在左右眼球视网膜里的投影呈现出稍微不同的映象。大脑的机能将两个不同的图像重合成一个立体图像再现出来。

眼球的毛状肌使晶状体的曲率改变叫调节，而调节时的肌肉紧张感觉能判断物像的距离。故能识别物体的立体图像。

眼睛观看近物时，两眼的视线趋于向内聚合的现象称为辐合。辐合使两眼向内旋转的眼肌产生紧张感觉，为判断物体的深度提供了生理依据，因而通过大脑的作用映现出立体的物像。

单眼视觉时，观察者在运动，视点也在变化，于是出现了连续性视差。这种单眼运动的视差经过一段时间，就使大脑对运动景象作出立体性判断，从而感知物体的立体图像。

立体视觉为物体的立体感知提供了理论依据。在室内景观设计和造型设计时，既要考虑视觉图形的客观规律，也要考虑立体视觉的特点，以使设计更符合视觉要求。

3.视度

视度就是观看物体清楚的程度。这个问题是天然采光及人工照明的共同基础，也是建筑光学所要解决的主要问题之一。

物体的视度与以下五个因素有关：

（1）物体的视角；

（2）物体和其背景间的亮度对比；

（3）物体的亮度；

（4）观察者与物体的距离；

（5）观察时间的长短。

下面就这些因素及其在室内设计的意义加以说明：

一是，物体的视角物体在观察者面前所张的角α，此值近似以物体实际大小d和物体与眼睛距离L之比值求得。即：

A=d/L（rad）

如果视角采用［°］来计算，则

Α=180°/π×60d/L=3440d/L

识别物体的最小角应因人而异，但都近似某一确定的值，约为1°。这就是标准最小视角。最小视角的倒数1/mt叫视觉敏度，即前面介绍的视敏度，其标准值为1.通常最小视角小于看清物体所需的视角。在白天的光线下，看清物体的视角约为4°～5°。如果照度小，则视角要增加。

根据看清物体的视角即可确定所设计的建筑物在垂直于视线方向的必要尺度。

dmP=Lα/3440

上式是观察者的眼睛和物体处于同一水平面的情况，对比观察者高的物体，在垂直方向的必要尺度dmP应按下式确定：

dmP=Lα/3440cosβ

式中β——观察者在观察物体的仰角。这说明高处物体应比低处大一些，以保证看清物体的细部。在室内设计时，我们经常会遇到像天花、灯具、线脚等高处细部处理，此时应考虑视角的因素。通过计算确定部件的大小，以便看清细部设计的效果。

二是，物体和背景间的亮度对比。

物体和背景间的亮度对比采用对比系数K来表明。

K值大小按下式确定：

K=（Bφ－Bθ）/Bφ

式中Bφ——背景的亮度；

Bθ——物体的亮度。

眼睛能识别物体的最小对比系数Kmin叫最小识别度，它的倒数1/Kmin叫对比敏度，表明看清物体的灵敏度。对比敏度与亮度的关系。当亮度小时，对比敏度增加很快，亮度在3-300毫熙提时对比敏度达到最大值。亮度再大会产生眩光，对比敏度开始下降。

对比敏度和观察物体的尺度也有关系，并随视角减小而减少。在白天照明条件下，对比系数K在0.5时，建筑装饰效果就达到了良好状态，可清晰看到物体的细部。

三是，物体的亮度。物体上的亮度与物体表面材料的反光性质和表面上的照度有关。其关系如下式：

B=ρ/πE

式中B——物体的亮度（cd/m2）；

E——物体上的照度（lx）；

ρ——物体表面的反光系数。

所以物体表面的亮度是可以控制的。天然采光时，可改变物体表面的反光系数来控制表面亮度；人工照明时，可控制射到物体表面的照度。

四是，观察距离对视度的影响。在视角和对比系数相同的情况下，观察者与物体距离不同，眼睛对物体的分辨能力也不同，这是因空气的不透明性引起的，一般称为“雾气作用”。物体与观察者距离越大及空气透明性越小时，雾气作用越强。故在建筑细部处理时，在大气透明度小的地区，物体尺度宜适当放大。

五是，观察时间对视度的影响。当观察物体时间长时，一方面能对物体的细部仔细推敲而加强了分辨力，另一方面有足够的时间达到视觉适应，能很好地看清物体。