基于視覺(jué)敏感性的非對(duì)稱建筑立面視覺(jué)均衡量化研究

霍海鷹，呂 典

1河北工程大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院,河北 邯鄲 056000 2邯鄲市建筑物理環(huán)境與地域建筑保護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 邯鄲 056000 3中國(guó)建筑第五工程局華南分公司深圳分公司,廣東 深圳 518000

0 引言

建筑外立面的設(shè)計(jì)不僅僅是設(shè)計(jì)師個(gè)性化的體現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)性的產(chǎn)物,也應(yīng)關(guān)注人們視覺(jué)生理的審美習(xí)慣來(lái)取得立面設(shè)計(jì)的視覺(jué)均衡效果.“造化賦形,肢體必雙,神理為用,事不孤立”.對(duì)稱事物自然是均衡的,但受實(shí)際條件制約,建筑立面在很多情形下采用非對(duì)稱均衡設(shè)計(jì),即利用不同體量、材質(zhì)、色彩、虛實(shí)變化等平衡達(dá)到非對(duì)稱均衡的目的[1].諸如巴西議會(huì)大廈、悉尼歌劇院、千禧教堂等一些視覺(jué)感受良好的非對(duì)稱建筑立面能獲得人們的普遍認(rèn)可,其立面中是否存在某些客觀的理性規(guī)律,值得深入探究.將審美的規(guī)律進(jìn)行量化有助于其更好地進(jìn)行傳播和繼承.

視覺(jué)敏感性是視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)眼球感受事物所作出的應(yīng)激反應(yīng),包括反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)準(zhǔn)確程度等.其中，被觀察物體的大小、方位、亮度、色彩等都會(huì)影響視覺(jué)敏感性[2].本文選取視覺(jué)敏感性中與建筑空間有關(guān)的屬性進(jìn)行研究,即物體的大小、方位,暫不考慮亮度、色彩等因素的影響，并針對(duì)在建筑立面構(gòu)圖中,視覺(jué)支點(diǎn)左右兩邊的視覺(jué)整體輪廓占比及其方位布局，對(duì)非對(duì)稱建筑立面視覺(jué)均衡的影響進(jìn)行研究.

國(guó)內(nèi)外有關(guān)非對(duì)稱建筑立面視覺(jué)均衡的研究,體現(xiàn)出以建筑科學(xué)與工程為核心,以視科學(xué)、心理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科為輔的學(xué)科交叉融合趨勢(shì).研究多側(cè)重于立面虛實(shí)元素的占比、構(gòu)筑物的尺寸比例等方面,同時(shí)結(jié)合問(wèn)卷評(píng)價(jià)、美學(xué)實(shí)驗(yàn)等相關(guān)技術(shù)手段來(lái)對(duì)研究進(jìn)行反饋驗(yàn)證.

Walter Niekamp[3](1981)發(fā)現(xiàn)人類的視知覺(jué)并不遵循幾何光學(xué)規(guī)律,不同物體的相互位置關(guān)系對(duì)視覺(jué)重量有影響,即非線性視覺(jué).

魯?shù)婪颉ぐ⒍骱Ｄ穂4](Rudolf Arnheim,2006)基于人們?cè)诓粚?duì)稱構(gòu)圖中尋找視覺(jué)支點(diǎn)的這一天性,認(rèn)為建筑立面的視覺(jué)均衡要通過(guò)建筑各部分或建筑與相鄰建筑、景物間的協(xié)調(diào)比例達(dá)到，這時(shí)“支點(diǎn)”往往是入口、形象上的興趣中心或圖形上的重心.

杜異[5](2008)從燈光照明的角度出發(fā),認(rèn)為視覺(jué)敏感性是對(duì)某種視覺(jué)設(shè)計(jì)屬性的權(quán)重,使視覺(jué)均衡中心兩邊的視覺(jué)趣味分量相當(dāng).

Zheng Bian等[6]人(2011)研究表明，視覺(jué)空間不是均勻的,隨著視角變大,視覺(jué)會(huì)清晰——模糊——消失.

Jin-Ho Park[7](2018)通過(guò)沿街住宅立面的視覺(jué)敏感性“對(duì)稱疊加”實(shí)驗(yàn),認(rèn)為錯(cuò)綜復(fù)雜的不對(duì)稱建筑立面也有實(shí)現(xiàn)視覺(jué)平衡的手段,即設(shè)計(jì)元素的分層權(quán)重疊加.

通過(guò)對(duì)前人研究的分析,總結(jié)非對(duì)稱建筑立面的視覺(jué)均衡量化需要解決兩方面問(wèn)題:一是得到視覺(jué)敏感性在三維空間中的具體變化規(guī)律;二是利用這種變化規(guī)律對(duì)非對(duì)稱立面進(jìn)行視覺(jué)均衡的計(jì)算與評(píng)價(jià).其基本流程為:確定建筑立面——設(shè)定觀察視點(diǎn)——建筑立面整體輪廓識(shí)別——設(shè)定中心軸——中心軸兩邊設(shè)計(jì)元素的權(quán)重計(jì)算——視覺(jué)均衡感知.

1 量化模型的構(gòu)建

建筑立面的形式豐富多樣,不同觀察點(diǎn)的立面視覺(jué)效果也有所差異,要實(shí)現(xiàn)其量化就有必要建立相應(yīng)的視覺(jué)均衡量化模型,其中權(quán)重計(jì)算與視覺(jué)敏感性在三維空間中的變化規(guī)律密切相關(guān),需設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到視覺(jué)敏感性方程之后,從主立面的選取、視覺(jué)中心軸的定位和整體輪廓的提取三方面作為基礎(chǔ),對(duì)非對(duì)稱建筑立面進(jìn)行視覺(jué)均衡的量化計(jì)算.

參考詹姆斯·吉布森[8](James J.Gibson,1986)在《視知覺(jué)生態(tài)論》一書(shū)中的相關(guān)概念,本文將人對(duì)空間中某點(diǎn)的潛意識(shí)、快速的識(shí)別準(zhǔn)確率定義為該點(diǎn)的視覺(jué)敏感性.人眼如同一臺(tái)超高速幀照相機(jī),視覺(jué)感知過(guò)程相當(dāng)于視覺(jué)中心在若干個(gè)點(diǎn)之間來(lái)回掃描變換,二維信息到三維信息的轉(zhuǎn)換受以往經(jīng)驗(yàn)的影響[9].

在剝離材質(zhì)、明暗等干擾因素情況下,微觀上一定區(qū)域內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)視覺(jué)敏感性刺激值的累積值可代表區(qū)域?qū)θ艘曈X(jué)敏感性刺激總體影響,宏觀體現(xiàn)在建筑上,即是對(duì)建筑輪廓內(nèi)立面的總體感覺(jué)[10].

進(jìn)行實(shí)際的主立面計(jì)算時(shí),量化模型如下:若α為視點(diǎn)與被觀察視點(diǎn)間的水平弧度,β為視點(diǎn)與被觀察視點(diǎn)間的豎直弧度,定義空間某一點(diǎn)的視覺(jué)敏感性值為視點(diǎn)對(duì)該點(diǎn)的識(shí)別準(zhǔn)確率Q=f(α,β).

以典型的矩形立面為例,在確定主立面、視中心軸線情況下,矩形區(qū)域映入眼里的面域的水平方向弧度范圍為α∈[m1,m2],豎直方向弧度范圍為β∈[n1,n2],則該立面區(qū)域?qū)θ嗣舾行钥傮w感覺(jué)影響為：

將視覺(jué)中心軸左邊立面輪廓的視覺(jué)敏感性刺激總影響值定義為S1,中心軸右邊的定義為S2,則某視點(diǎn)的視覺(jué)均衡系數(shù)為：

VBC(Visual balance coefficient)=S小/S大

其中，S小取S1和S2中的較小值,S大取較大值,VBC越接近于1則建筑視覺(jué)均衡感越好,如圖1所示.

圖1 典型矩形立面視覺(jué)均衡系數(shù)計(jì)算示意圖Fig.1 Calculation of visual equilibrium coefficient of typical rectangular facade

2 視覺(jué)敏感性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為對(duì)建筑立面視覺(jué)均衡效果進(jìn)行量化,

必須得到視覺(jué)敏感性在空間分布的特征與變化規(guī)律.從純理論計(jì)算角度推導(dǎo)計(jì)算距離、角度與視覺(jué)敏感性之間的關(guān)系太過(guò)復(fù)雜,控制論學(xué)說(shuō)體系為解決這類問(wèn)題提供了一些思路,即將人們認(rèn)識(shí)和改造的對(duì)象看作黑箱,主體輸入可控制變量,觀察客體輸出的可觀察變量[11].設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)直接通過(guò)結(jié)果反推出最初參量間的關(guān)系是可行的手段,繞過(guò)了復(fù)雜的理論“黑箱”.實(shí)驗(yàn)前尋求計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)人員設(shè)計(jì)了視覺(jué)敏感性運(yùn)行程序,該程序?qū)⒛骋怀叽绲牧⒚娉橄蟪扇舾删鶆蚺挪嫉南袼鼐W(wǎng)格組成的平面,該平面會(huì)在隨機(jī)位置的網(wǎng)格中隨機(jī)閃爍某個(gè)字母,對(duì)網(wǎng)格中字母的識(shí)別率則可一定程度反映視點(diǎn)對(duì)網(wǎng)格中心點(diǎn)的視覺(jué)敏感性反應(yīng)，然后在一定尺寸的電子大屏幕上同步筆記本運(yùn)行的程序畫(huà)面,實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑立面識(shí)別的現(xiàn)實(shí)模擬.

圖2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)畫(huà)面Fig.2 Field experiment screen

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)簡(jiǎn)圖Fig.3 Field experimental observation diagram

實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)40名(男女生各20人)河北工程大學(xué)在校生參加實(shí)驗(yàn),年齡均在23～29歲之間,視力或矯正視力1.0左右.該實(shí)驗(yàn)在邯鄲市規(guī)劃展覽館沙盤(pán)模型廳進(jìn)行,大屏幕尺寸為25 m*8 m.實(shí)驗(yàn)用1個(gè)可調(diào)節(jié)高度升降椅固定視點(diǎn)高度h(升降椅處于大屏幕豎直對(duì)稱軸線上)、1個(gè)高度定位桿防止視點(diǎn)搖擺,2套數(shù)碼分別錄音和錄像.實(shí)驗(yàn)參與人員在規(guī)劃好的位置坐下后,大屏幕同步筆記本運(yùn)行的程序畫(huà)面.程序畫(huà)面為一定規(guī)格的方格網(wǎng),伴隨每個(gè)方格內(nèi)隨機(jī)閃爍一個(gè)待識(shí)別的元素,參試人員對(duì)不同方位方格內(nèi)元素的識(shí)別率一定程度反映其視敏度,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)如圖2所示.視點(diǎn)定為O,默認(rèn)視線的角度是眼睛與某個(gè)方格形心的夾角,如圖3所示.

采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后,在1STOPT中采用非線性最小二乘法中的“麥夸特+通用全局優(yōu)化算法(Levenberg-Marquardt+ Universal Global Optimization - UGO)”擬合曲線方程,對(duì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),d相當(dāng)于變量α,β對(duì)Q影響很小,所以剔除d這一參數(shù),得出Q=f(α,β).公式為:

式中,Q為被觀察點(diǎn)相對(duì)于視點(diǎn)的視覺(jué)敏感性, %;α為視點(diǎn)與被觀察點(diǎn)間的水平角度弧度值,rad;β為視點(diǎn)與被觀察點(diǎn)間的豎直角度弧度值,rad.

圖4 視覺(jué)敏感性與視角度三維曲面圖Fig.4 Visual sensitivity and visual angle

在MATLAB中繪制出視覺(jué)敏感性Q隨水平角度α、豎直角度β變換的空間三維曲面圖,并與原數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示.

3 部分經(jīng)典案例選取計(jì)算

通過(guò)運(yùn)用視覺(jué)均衡量化模型,對(duì)部分經(jīng)典建筑設(shè)置觀察點(diǎn)進(jìn)行模擬量化分析,試圖探索其立面設(shè)計(jì)中蘊(yùn)含的視覺(jué)規(guī)律.所選的案例立面輪廓分明、立面材質(zhì)簡(jiǎn)潔統(tǒng)一、視覺(jué)整體性強(qiáng),有利于分析計(jì)算.實(shí)際案例分析時(shí)需結(jié)合周邊環(huán)境、設(shè)計(jì)師意圖等具體情況選定主立面和主要觀察點(diǎn)區(qū)域,每個(gè)案例取5個(gè)觀察點(diǎn),中心軸正前方為基準(zhǔn)觀察點(diǎn),并向左右兩側(cè)同等間距各取2點(diǎn).模擬計(jì)算流程整理如表1所示.

表1 立面案例模擬計(jì)算Table1 Simulation calculation of elevation cases

模擬計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)整理如表2所示.

對(duì)表格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)后發(fā)現(xiàn),若立面兩側(cè)區(qū)域面積相差較大,觀察點(diǎn)越靠近面積較小的一側(cè),視覺(jué)均衡效果越好;若立面兩側(cè)區(qū)域面積相差較小,觀察點(diǎn)越靠近視覺(jué)中心軸,視覺(jué)均衡效果越好.

4 結(jié)論與總結(jié)

綜合以上研究,總結(jié)非對(duì)稱建筑立面的視覺(jué)均衡設(shè)計(jì)的量化手法，得出如下結(jié)論:

(1) 在非對(duì)稱建筑立面設(shè)計(jì)中,若要取得視覺(jué)上的均衡,視覺(jué)中心軸兩側(cè)的整體輪廓到中心軸的距離應(yīng)與面積成正相關(guān),即輪廓面積越大離視覺(jué)中心軸應(yīng)該越遠(yuǎn),具體的尺度關(guān)系可由視覺(jué)均衡量化模型進(jìn)行推算.

(2) 當(dāng)視覺(jué)中心軸兩側(cè)立面區(qū)域面積相似時(shí),為達(dá)到非對(duì)稱均衡效果,可將一側(cè)遠(yuǎn)離地平線,距離為d1,另一側(cè)遠(yuǎn)離視覺(jué)中心軸,距離為d2.由視覺(jué)敏感性方程推算,d1與d2的比例約為0.76.

(3) 當(dāng)視覺(jué)中心軸兩側(cè)立面區(qū)域面積相差較大時(shí),視覺(jué)中心宜向立面區(qū)域面積較小的一側(cè)偏移.若此時(shí)觀測(cè)投影距離為d,立面區(qū)域較大一側(cè)面積為L(zhǎng)1*H,離視覺(jué)中心軸距離為d1,立面區(qū)域較小一側(cè)面積為L(zhǎng)2*H,離視覺(jué)中心軸距離為d2,則為達(dá)到立面上的視覺(jué)均衡應(yīng)滿足:

其中，f(α,β)的具體表達(dá)式見(jiàn)文中Q=f(α,β)公式.

非對(duì)稱建筑立面視覺(jué)均衡量化模型能將立面視覺(jué)均衡審美轉(zhuǎn)譯為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)圖解,設(shè)計(jì)人員根據(jù)圖解反映出的直觀數(shù)據(jù),結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)、使用者需求、環(huán)境條件等因素進(jìn)行循環(huán)反饋調(diào)節(jié),能幫助設(shè)計(jì)師評(píng)價(jià)和優(yōu)化非對(duì)稱立面的設(shè)計(jì).