趙海天，王少健，姚 其，胡艷鵬，施世濤，田 野

1)深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，深圳518060;2)鶴壁市城鄉(xiāng)規(guī)劃管理局，河南鶴壁458000

城市景觀照明的核心是構(gòu)建燈光景觀體系［1］，該體系包含空間系統(tǒng)和光色系統(tǒng)［2］. 空間系統(tǒng)提供物質(zhì)依托，其構(gòu)成以城市景觀元素為基本單位，以視覺(jué)分析為基礎(chǔ)，建立燈光景觀的城市空間框架.光色系統(tǒng)以空間系統(tǒng)為物質(zhì)依托，做出符合審美要求的光色匹配，調(diào)節(jié)各視點(diǎn)空間的色彩強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間、色相、色彩飽和度以及動(dòng)感變換的綜合調(diào)度，突出表現(xiàn)主題，渲染照明景觀效果［3］.

燈光的表現(xiàn)力受諸多因素影響，燈光景觀在亮度、色彩、光形、空間、控制和背景等方面的表現(xiàn)與相互作用以及多媒質(zhì)參與決定了光色系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)［4］，采用語(yǔ)意化的文字說(shuō)明無(wú)法精確描述燈光參數(shù)的各種變化. 有必要尋找一種科學(xué)的分析與表達(dá)方法，系統(tǒng)、精確地描述光色系統(tǒng).

1 光色系統(tǒng)內(nèi)涵

1.1 特征參數(shù)

影響燈光景觀效果的變量可分為兩類:一是本身具有表現(xiàn)能力的物理參數(shù)(如視亮度、色彩、光形、空間分布);二是本身不具表現(xiàn)能力但可通過(guò)對(duì)具有表現(xiàn)能力的參數(shù)施以作用，從而加強(qiáng)燈光表現(xiàn)效果的參數(shù)(如動(dòng)感變換、背景亮度、多媒質(zhì)參與等)，可進(jìn)一步劃分為光色參數(shù)、光形參數(shù)［5］、空間參數(shù)和動(dòng)感變換參數(shù)等. 它們的物理意義為:光色參數(shù)表征燈光的基本參數(shù)，包括色相、飽和度、亮度參數(shù);光形參數(shù)表征發(fā)光體的形態(tài)，包括點(diǎn)光、線光、面光、發(fā)光面積參數(shù);空間參數(shù)包括遠(yuǎn)距、中距和近距;變換參數(shù)表征通過(guò)光色變換與光形加強(qiáng)表現(xiàn)效果，包括光色與光形動(dòng)感、光色與光形組合參數(shù);多媒質(zhì)參數(shù)表征其他媒質(zhì)的參與對(duì)燈光效果的影響作用，包括燈光廣告、水體、激光、焰火;增強(qiáng)參數(shù)能有效影響到表現(xiàn)參數(shù)的效果的環(huán)境因素，包括音響、背景亮度參數(shù). 光色參數(shù)不能單獨(dú)存在，它的體現(xiàn)必須依附于光形參數(shù)中的某種形態(tài)［6-7］.

1.2 特征參數(shù)的分解與離散化

上述燈光參數(shù)本身具有不同的形態(tài)和表現(xiàn)程度，有必要按一定規(guī)律細(xì)化.

亮度(brightness)按(b1，20)、(b2，40)和(b3，80)3 個(gè)級(jí)別(單位:cd/m2)，采用“倍亮程”單位，從低向高排列過(guò)渡［8］.

主導(dǎo)色調(diào)(hue)有(h1，藍(lán))、(h2，綠)和(h3，紅)3 種獨(dú)立色調(diào)，從冷色調(diào)向暖色調(diào)排列過(guò)渡.

主導(dǎo)光形(form)有(f1，點(diǎn)光)、(f2，線光)和(f3，面光)3 種獨(dú)立光形，從內(nèi)向外排列過(guò)渡.

空間分布(space)有(s1，遠(yuǎn)距)、(s2，中距)和(s3，近距)3 種空間分布，從后向前排列過(guò)渡.

時(shí)序變換(time)有(t1，60)、(t2，10)和(t3，1)3 個(gè)時(shí)間級(jí)別，從慢向快過(guò)渡.

上述參數(shù)分解后實(shí)現(xiàn)了定量化. 例如，若選擇(b1，b2，b3)、(h1，h2，h3)和(s1，s2，s3)，分別表示在燈光中包含3 個(gè)局部亮度 (20 、40 、80 cd/m2)、3 種光色 (藍(lán)、綠、紅)和3 種空間分布(遠(yuǎn)距、中距、近距).

上述燈光參數(shù)所代表的物理量各不相同，量綱也不一致. 因此，必須對(duì)5 個(gè)獨(dú)立特征參數(shù)進(jìn)行離散處理，使之能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)和分析運(yùn)算.

對(duì)每個(gè)參數(shù)，設(shè)取值范圍為0.2 ～1.0，每0.2為1 個(gè)取值單位. 如，燈光參數(shù)的3 個(gè)局部亮度b1=20 cd/m2、b2=40 cd/m2和b3=80 cd/m2，分別轉(zhuǎn)化為b1= 0.2、b2= 0.6 和b3= 1.0;3 種光h1=藍(lán)、h2= 綠和h3= 紅，分別轉(zhuǎn)化為h1= 0.2、h2=0.6 和h3= 1.0;3 種空間分布s1= 遠(yuǎn)距、s2= 中距和s3= 近距，分別轉(zhuǎn)化為s1= 0.2、s2= 0.6 和s3=1.0.

離散化的燈光參數(shù)描述了城市景觀照明光色系統(tǒng)的主要特征，稱為特征參數(shù)。

1.3 特征向量與關(guān)聯(lián)矩陣

特征參數(shù)分別構(gòu)成5 個(gè)行向量為

由特征參數(shù)向量(characteristic)組成的列向量為燈光元素的特征向量，記為C. 特征向量中的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)于決定燈光表現(xiàn)力的一個(gè)物理量，即

特征向量各元素之間通過(guò)相互關(guān)聯(lián)和作用，可演變出千姿百態(tài)的燈光景觀.

表示特征向量中各元素之間相互關(guān)聯(lián)的矩陣，稱為關(guān)聯(lián)矩陣，表示特征參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)和作用關(guān)系，記為R. 其中，R 為方陣，維數(shù)與特征向量相同.

當(dāng)?shù)趇 行元素所對(duì)應(yīng)物理量與第j 列元素所對(duì)應(yīng)物理量相關(guān)時(shí)，rii= 1;當(dāng)?shù)趇 行元素所對(duì)應(yīng)的物理量與第j 列元素所對(duì)應(yīng)的物理量無(wú)關(guān)聯(lián)時(shí)，rii= 0.

對(duì)角元rii定義為非對(duì)角元rij之和，即

特征參數(shù)關(guān)聯(lián)度(degree of relative matrices)表示第i 個(gè)元素與其他元素總的關(guān)聯(lián)度，稱為元素i 的關(guān)聯(lián)度(degree)，記為D(i).

特征子陣表示本特征行向量中各元素之間相互關(guān)聯(lián)的矩陣，是關(guān)聯(lián)矩陣的子矩陣，與本特征行向量同階，且為對(duì)角陣. 特征子陣用與特征向量對(duì)應(yīng)的大寫(xiě)字母標(biāo)記，例如與b 對(duì)應(yīng)的特征子陣記為B.

1.4 關(guān)聯(lián)矩陣的主要性質(zhì)

其性能包括:

1)對(duì)稱性，關(guān)聯(lián)區(qū)域1 與關(guān)聯(lián)區(qū)域2 關(guān)于主對(duì)角線對(duì)稱，即rij= rji;

2)對(duì)角性，即關(guān)聯(lián)矩陣由特征對(duì)角子矩陣組成;

3)0 ～1 性，即關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)的元素rij為1 或0;

4)稀疏性，即R 中70%以上的元素為0;

5)主元占優(yōu)性，即rij≤rii;

6)在R 構(gòu)成的向量空間中，主元是該向量的模長(zhǎng)，非主元在其他空間投影;

7)rij的意義:關(guān)聯(lián)矩陣通過(guò)rij體現(xiàn)了元素之間由拓?fù)淠Ｐ退?guī)定的相互關(guān)聯(lián)和作用關(guān)系.

上述特征參數(shù)之間是平等的，各個(gè)參數(shù)本身有強(qiáng)弱之分. 例如，亮度參數(shù)由b1～b3，特征參數(shù)之間的差異由其權(quán)重來(lái)體現(xiàn).

特征參數(shù)權(quán)重表示各特征參數(shù)對(duì)人的視覺(jué)刺激的差異. 權(quán)重矩陣E 是n 階對(duì)角陣，對(duì)角元ejj(j =1，n)為對(duì)應(yīng)特征參數(shù)的權(quán)重.

特征參數(shù)關(guān)聯(lián)與作用的最終效果由兩個(gè)因素決定，一是該參數(shù)本身的強(qiáng)弱;二是該參數(shù)與其它參數(shù)是否存在關(guān)聯(lián)性.

統(tǒng)合向量I (integrative vector):統(tǒng)合向量是與特征向量同維數(shù)的向量，表示特征參數(shù)統(tǒng)合的效應(yīng)，I = RC.

即

由于rik= 1 或0，故ij≥cj(j = 1，n).

式(3)表明，特征參數(shù)經(jīng)過(guò)相互關(guān)聯(lián)與作用后，將導(dǎo)致視覺(jué)統(tǒng)合效果“增強(qiáng)”. 而ij的各分量則分別代表了燈光元素的亮度特征、色調(diào)特征、變換特征、空間特征和環(huán)境特征等.

下面引入燈光元素指數(shù)來(lái)表示特征參數(shù)及其相互作用的總體效應(yīng).

定義燈光指數(shù)為X，

燈光指數(shù)的意義是把多維向量表示的復(fù)雜的物理量壓縮成一個(gè)數(shù)字，更具直觀和可比性. 一般意義上，燈光指數(shù)具有以下特點(diǎn):

(沉穩(wěn)、莊重)X ?。肌猉 大(亮麗、活潑)

2 光色系統(tǒng)構(gòu)成

燈光景觀是綜合性人文景觀，既包括物質(zhì)因素，也包括非物質(zhì)因素. 構(gòu)建光色系統(tǒng)包括建立空間系統(tǒng)、確定表現(xiàn)主題、參數(shù)分析與匹配及參數(shù)表達(dá)等. 關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行合理、相對(duì)精確和符合審美要求的匹配.

1)建立空間系統(tǒng). 在燈光景觀規(guī)劃體系中，光色控制基礎(chǔ)是景觀空間構(gòu)架. 因此第一步是建立起以整個(gè)城市為坐標(biāo)系的燈光景觀的城市空間構(gòu)架.

2)確定表現(xiàn)主題. 表現(xiàn)主題確定色彩取向，影響色彩間的調(diào)和、平衡. 主要體現(xiàn)在色相、明度和彩度3 種屬性間的對(duì)比關(guān)系，不同的對(duì)比關(guān)系創(chuàng)造了相異的表現(xiàn)主題.

3)特征參數(shù)分析與匹配. 以一個(gè)燈光景觀序列作為規(guī)劃的基本單位是燈光景觀單元，在單元內(nèi)由表現(xiàn)主題所確定的色彩取向，決定了景觀的主導(dǎo)色彩. 燈光景觀所對(duì)應(yīng)的城市景觀在城市空間中的位置和功能，決定景觀的次主導(dǎo)色彩. 以表現(xiàn)主題為基礎(chǔ)，通過(guò)視覺(jué)需求分析，可將建筑物空間分為上段區(qū)(標(biāo)志性設(shè)計(jì)原則)和下段區(qū)(舒適性設(shè)計(jì)原則)，確定主導(dǎo)色、次主導(dǎo)色，并對(duì)特征參數(shù)分別匹配.

4)參數(shù)表達(dá). 亮度指標(biāo)可全部涵蓋LED 光源的效果，具有更寬的藝術(shù)表現(xiàn)空間［9］.

表示色彩的方法有CMYK (cyan，magenta，yellow，black )、RGB (red，green，blue)和HSB(hue，saturation，brightness)3 個(gè)系統(tǒng). 但目前景觀照明光源的種類及光源光色是有限的，上述色彩系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)于城市燈光而言，不能保證一定存在對(duì)應(yīng)的光源. 因此，光色系統(tǒng)的任何成果必須保證光色系統(tǒng)所采用的色彩都能夠找到實(shí)際存在的光源. 本研究以HSB 色彩系統(tǒng)的“光源·色譜對(duì)應(yīng)表”為基礎(chǔ)描述光色參數(shù)，見(jiàn)表1. 可見(jiàn)，LED 在景觀照明的光色參數(shù)表現(xiàn)力方面具有極大優(yōu)勢(shì).

表1 光源和色譜對(duì)應(yīng)結(jié)果Table 1 Corresponding table of light source and spectrum

結(jié) 語(yǔ)

本研究引入特征參數(shù)，為模擬燈光景觀提供了數(shù)字化研究基礎(chǔ)，為采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究城市景觀照明提供了基礎(chǔ)平臺(tái). 所提出的現(xiàn)代分析方法可用于光色系統(tǒng)分析，從而改變傳統(tǒng)上完全依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)方法. 本研究提出的特征向量與關(guān)聯(lián)矩陣具有開(kāi)放性質(zhì)，隨著特征參數(shù)進(jìn)一步細(xì)化，將具有更強(qiáng)的表現(xiàn)力和描述精度，這將導(dǎo)致特征向量與關(guān)聯(lián)矩陣維數(shù)的擴(kuò)展.

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