Φως και Άνθρωπος : Φυσιολογία και οπτική αντίληψη

Ο κόσμος που μας περιβάλλει είναι φτιαγμένος από φως. Το φως αποτελεί αναπόσπαστο στοιχείο της φύσης και στοιχείο ζωτικής σημασίας για την ανθρώπινη ύπαρξη. Καθ’ όλη τη διάρκεια της εξελικτικής του πορείας, ο άνθρωπος ακολούθησε σταθερά την αλλαγή από το φως στο σκοτάδι, από την ανατολή στη δύση του ήλιου, σε ένα επαναλαμβανόμενο ρυθμό που διακοπτόταν μόνο από την αδύνατη λάμψη της φωτιάς κατά τη διάρκεια των νυκτερινών ωρών. 

Ο άνθρωπος είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος στο φως. Η όραση αποτελεί τη σημαντικότερη ανθρώπινη αίσθηση αφού σχεδόν το 80% των πληροφοριών συλλέγονται με αυτήν. Μέσω της όρασης γίνονται αντιληπτές οι μικρές διαφορές των αποχρώσεων, των τόνων, των μορφών και των κινήσεων.

Η ανθρώπινη όραση έχει συχνά παρομοιαστεί με τις λειτουργίες της φωτογραφικής μηχανής, αλλά στην πραγματικότητα αποτελεί ένα σαφώς πιο εξελιγμένο μηχανισμό μέσω του οποίου αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο που μας περιβάλλει στη θαυμαστή του λεπτομέρεια.

Η όραση είναι το σημαντικότερο από τα πέντε κανάλια επικοινωνίας του ανθρώπινου σώματος με το περιβάλλον. Το εύρος φάσματος (bandwidth) δεδομένων του καναλιού αυτού είναι τάξεις μεγέθους ευρύτερο από αυτά των άλλων αισθήσεων (στην κλίμακα των Gigabits). O ανθρώπινος οργανισμός στηρίζεται σε πολύ μεγάλο βαθμό στις πληροφορίες που συλλέγουν τα μάτια έχοντας ένα ιδιαίτερα ευαίσθητο και κριτικό σύστημα όρασης. Το οπτικό σήμα ρυθμίζεται σε φωτεινότητα μέσω της ίριδας η οποία προστατεύεται από το κερατοειδή χιτώνα στο εμπρός τμήμα του οργάνου. Το σήμα στη συνέχεια περνά από το κρυσταλλοειδή φακό ο οποίος το εστιάζει και το προβάλλει στο φωτοευαίσθητο τμήμα του οργάνου, τον αμφιβληστροειδή χιτώνα.  Εκεί υπάρχουν οι απολήξεις του οπτικού νεύρου και μετατρέπεται η προσπίπτουσα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του ορατού οπτικού φάσματος σε νευρικά σήματα. Η μετατροπή αυτή γίνεται με δύο ειδών "συλλέκτες": τα ραβδία ιδιαίτερα ευαίσθητα στις χαμηλές εντάσεις σήματος, αχρωματικά, εξαπλωμένα σε μεγάλη έκταση του αμφιβληστροειδούς και τα κονία συγκεντρωμένα γύρω από τη φοβέα και υπεύθυνα για τα σήματα ισχυρής έντασης, το χρώμα και την οξύτητα της αντίληψης.

Παρόλο που οι οπτικές εικόνες εστιάζονται  πάνω στη φωτο-ευαίσθητη επιφάνεια στο πίσω μέρος του ματιού, αυτές οι εικόνες δεν είναι αυτό που ο άνθρωπος αντιλαμβάνεται. Μέσω μιας σειράς μετασχηματιστών που λαμβάνουν χώρα αρχικά στον ίδιο τον αμφιβληστροειδή χιτώνα, όπου βρίσκονται τα φωτο-ευαίσθητα κύτταρα και κατόπιν σταδιακά προς τον οπτικό φλοιό του εγκεφάλου, η οπτική πληροφορία έχει διαφοροποιηθεί αφού:

• Η ισορροπία φωτός και χρώματος έχει μεταβληθεί,
• Η προσοχή συγκεντρώνεται σε μικρές ζώνες ενώ μεγάλες περιοχές παραμένουν απαρατήρητες,
• Οι εικόνες του παρόντος αντικαθίστανται από προγενέστερες εικόνες που ανασύρονται από τη μνήμη.

Στην πραγματικότητα, αυτό που ο άνθρωπος ‘βλέπει’ δεν εξαρτάται από τη φυσική πραγματικότητα αλλά από την προσωπική του εμπειρία και από τι έχει μάθει στο παρελθόν, καθώς και από τη φυσική δομή και κατάσταση των ματιών και του εγκέφαλου του.

Το ανθρώπινο οπτικό σύστημα έχει πολλά χαρακτηριστικά τα οποία σχετίζονται άμεσα με το σχεδιασμό του φωτισμού. Έχει δηλαδή τη δυνατότητα να προσδιορίσει παράγοντες όπως για παράδειγμα το εύρος της φωτεινότητας (πιο σωστά των τιμών λαμπρότητας) που μπορεί να γίνει αντιληπτό με άνεση, την ευαισθησία στις αλλαγές στο οπτικό πεδίο και τον τρόπο που οι χρωματιστές επιφάνειες γίνονται αντιληπτές.

Οπτική προσαρμογή

Η ευαισθησία του ματιού μεταβάλλεται έτσι ώστε να ανταποκριθεί το φως που φτάνει σε αυτό. Αυτή η αλλαγή μπορεί να ειδωθεί όταν η κόρη του ματιού μικραίνει σε έντονες φωτιστικές συνθήκες, παρόλο που η συστολή της ίριδας δεν αποτελεί το κύριο μηχανισμό της προσαρμογής του ματιού αλλά μια λεπτή προσαρμογή για την εξασφάλιση μεγαλύτερου βάθους πεδίου. Η κόρη του ματιού αλλάζει σε περιοχή σε εύρος της τάξης του 16 προς 1, αλλά το μάτι είναι ευαίσθητο σε ένα εύρος φωτεινοτήτων μερικών εκατομμυρίων προς 1. Αυτό που στην πραγματικότητα συμβαίνει είναι ότι οι φωτο-υποδοχείς, τα φωτο-ευαίσθητα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς είναι υπεύθυνα για την διαδικασία της προσαρμογής. Περιέχουν μόρια ροδοψίνης, που είναι οπτική χρωστική, τα οποία αποδομούνται από φωτόνια, απελευθερώνοντας ηλεκτρική ενέργεια και έτσι καθίστανται λιγότερο ευαίσθητα κατά τη διαδικασία. Από τη στιγμή που το φως απομακρύνεται, οι οπτικές χρωστικές σταδιακά επαναδομούνται έτσι ώστε η ευαισθησία επανακτάται. Είναι μια διαδικασία αυτόματης ρύθμισης: ο αμφιβληστροειδής προσαρμόζεται στη βέλτιστη ευαισθησία για τις υφισταμένες συνθήκες γενικού φωτισμού.

Η προσαρμογή από το σκοτάδι στο φως είναι γρήγορη – μέσα σε μερικά δευτερόλεπτα – ενώ πλήρης αναδόμηση μπορεί να πάρει ως και μια ώρα. Ανάβοντας το φως όταν κάποιος ξυπνάει τη νύκτα δίνει μόνο ένα μικρό διάστημα θάμβους, αλλά παίρνει αρκετά λεπτά πριν λεπτομέρειες ενός σκοτεινού δωματίου, όπως για παράδειγμα ενός κινηματογράφου, μπορούν να γίνουν αντιληπτές όταν εισέρχεται από το φως της ημέρας.

 χρονική κλίμακα για την προσαρμογή στο σκοτάδι.

Το ‘σκαλί’ στην καμπύλη του διαγράμματος οφείλεται στην ύπαρξη δυο ειδών φωτο-ευαίσθητων κυττάρων – υποδοχέων στον αμφιβληστροειδή χιτώνα, που είναι γνωστά ως  ραβδία και κωνία (κύτταρα κωνικού σχήματος). Τα ραβδία είναι ευαίσθητα στα χαμηλότερα επίπεδα φωτός αλλά αποικοδομουνται στα επίπεδα του φωτός ημέρας, και μπορεί να πάρει έως και 30 λεπτά για να προσαρμοστούν πλήρως στο σκοτάδι, επίσης δεν προσφέρουν αναγνώριση του χρώματος. Τα κωνία είναι μικρότερα και πολύ λιγότερα, βρίσκονται στο κέντρο και είναι ευαίσθητα μόνο στα υψηλότερα επίπεδα φωτός, και μας επιτρέπουν να βλέπουμε χρώματα και να διακρίνουμε ακριβώς το περίγραμμα των αντικειμένων, τρεις διαφορετικοί τύποι κωνίων βρίσκονται στον αμφιβληστροειδή χιτώνα ανταποκρίνονται σε διαφορετικά μήκη κύματος και αποτελούν τη βάση για της όρασης των χρωμάτων.

Ο τρόπος με τον οποίο σε κάθε επίπεδο προσαρμογής υπάρχει
ένα περιορισμένο εύρος διάκρισης φωτεινότητας.

Στην εικόνα  απεικονίζεται ο τρόπος με τον οποίο σε κάθε επίπεδο προσαρμογής υπάρχει ένα περιορισμένο εύρος διάκρισης φωτεινότητας. Πάνω από αυτό το εύρος, περιοχές πολύ υψηλής λαμπρότητας είναι εκθαμβωτικές, μέσα στην κεντρική περιοχή το μάτι μπορεί με ευαισθησία να διακρίνει μεταξύ επιφανειών που διαφέρουν μόνο λίγο σε λαμπρότητα και πιο κάτω όλες οι περιοχές μοιάζουν μαύρες και πολύ λίγη διάκριση λεπτομέρειας είναι δυνατή. Στα επίπεδα προσαρμογής που αντιστοιχούν σε κανονικές συνθήκες φωτισμού δωματίου το εύρος της διάκρισης από το ανώτερο στο χαμηλότερο όριο είναι περίπου 1000:1. Η προσαρμογή της φωτεινότητας επηρεάζει την ικανότητα μας να δούμε μικρότερη λεπτομέρεια και μικρές διαφορές στο κοντράστ και λόγω αυτού το τρόπο που διεκπεραιώνουμε οπτικά καθήκοντα και εργασίες.

Υπάρχει επίσης οπτική προσαρμογή στο χρώμα, ειδικά στο χρώμα του γενικού φωτισμού: μια επιφάνεια εμφανίζεται να διατηρεί την ίδια χροιά – απόχρωση όταν ειδωθεί υπό φως σταδιακά μεταβαλλόμενο χρώματος. Σπάνια αναγνωρίζουμε μια αλλαγή στα χρώματα του δωματίου όταν το φως της ημέρας σιγά μεταβάλλεται, ακόμα και όταν το χρώμα του φωταγωγού μπορεί να αλλάξει σημαντικά κατά τη διάρκεια ενός πρωινού. Πιο περίπλοκοι τύποι οπτικής προσαρμογής, όπως για παράδειγμα στις κλίσεις και στην κίνηση, επίσης συμβαίνουν στις καθημερινές μας δραστηριότητες. Για παράδειγμα, αμέσως μετά το ταξίδι με αυτοκίνητο σε μεγάλη ταχύτητα, η κίνηση σε χαμηλότερες ταχύτητες μπορεί να μοιάζει εξαιρετικά αργή. 

Ιδιότητες / Χαρακτηριστικά οπτικού συστήματος

Προσαρμοστικότητα: Φωτεινή ευαισθησία με μια δυναμική περιοχή εύρους 1013 (τιμή απλησίαστη από τεχνητούς αισθητήρες).

Βάθος Πεδίου: Η ικανότητα του ματιού σε ηρεμία να διακρίνει καθαρά αντικείμενα που βρίσκονται σε απόσταση από 6 μέτρα έως το άπειρο. Εστίαση σε μικρότερες αποστάσεις υλοποιείται με κύρτωση του κρυσταλλοειδή φακού και παράλληλα σύγκλιση των ματιών προς το αντικείμενο.

Πεδίο όρασης: Το ανθρώπινο μάτι σε ηρεμία έχει πεδίο όρασης 120 μοιρών κατακόρυφα και 150 μοιρών οριζόντια. Τα δύο μάτια μαζί ανεβάζουν το οριζόντιο πεδίο στις 200 μοίρες ενώ η οξεία όραση εκτείνεται σε ένα ιδιαίτερα μικρό πεδίο. Τα πεδία αυτά μπορούν να μεγαλώσουν με κινήσεις των ματιών, το κεφαλιού και φυσικά ολόκληρου του σώματος.

Στερεοσκοπική όραση: Η επικάλυψη του πεδίου όρασης των δύο ματιών δημιουργεί στερεοσκοπική όραση σε περίπου 120 μοίρες οριζόντια. Η στερεοσκοπική όραση δεν είναι πάντα απαραίτητη για την αντίληψη του βάθους.

Χωρική αντίληψη: Η διάταξη των αντικειμένων σε ένα χώρο οδηγεί σε παραδοχές ως προς βασικά δεδομένα χωροθέτησης και διάταξης.

Οξύτητα στερεοσκοπίας: Η αναλυτική ικανότητα της όρασης να διαχωρίζει τις αποστάσεις αντικειμένων που βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Επηρεάζεται από φωτεινότητα, θέση ειδώλου στον αμφιβληστροειδή, πεδίο όρασης, προσανατολισμό και πλευρική κίνηση του αντικειμένου.

Οπτική αντίληψη κίνησης: Η αντιληπτική ικανότητα της σύνθεσης σταθερών αντικειμένων στο πεδίο όρασης του χρήστη καθώς αυτός κινείται στο χώρο.

Χρονική αναγωγή: Το μάτι αντιδρά σε δυναμικές αλλαγές ερεθισμάτων, φωτεινής έντασης με ταχύτητα και πιστότητα λόγω της χρήσης δύο διαφορετικών συστημάτων συλλεκτών. Το υψηλής ευαισθησίας, υψηλής αντίδρασης, αργής έκθεσης μονοχρωματικό σύστημα των ραβδίων και το χαμηλής ευαισθησίας, μικρής αντίδρασης, σύντομης έκθεσης έγχρωμο σύστημα των κονίων.

Χρωματική αντίληψη: Η ικανότητα διαχωρισμού και αντίληψης των τριών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων του χρώματος: της απόχρωσης, της χρωματικής καθαρότητας (κορεσμού) και τέλος της φωτεινότητας/έντασης. Η ικανότητα αυτή επηρεάζεται από τη:

-προηγούμενη έκθεση σε χρωματισμένες φωτεινές πηγές
-θέση του ειδώλου στον αμφιβληστροειδή, όσο πιο έκκεντρα τόσο μεγαλύτερη έκταση πρέπει να καταλαμβάνει
-διάρκεια έκθεσης

Κεντρική και περιφερειακή όραση
Το μάτι που βρίσκεται σε ετοιμότητα είναι συνεχώς σε κίνηση και προσαρμόζεται από  μόνο του έτσι ώστε κάθε αντικείμενο που μπορεί να έχει ενδιαφέρον να βρίσκεται μέσα στο κεντρικό πεδίο όρασης περίπου 2ο. Αυτό είναι περίπου το ύψος μια τυπωμένης γραμμής βιβλίου το οποίο κρατείται σε κανονική απόσταση διαβάσματος. Η ικανότητα διάκρισης μικρής λεπτομέρειας – ονομάζεται οπτική οξύτητα, η οποία είναι μεγαλύτερη στη ζώνη αυτή και μειώνεται κατά 50% μόνο 5ο από το κέντρο.

Οπτική οξύτητα είναι η ικανότητα του ματιού να διακρίνει  τις λεπτομέρειες των αντικειμένων που παρατηρούνται με ευκρίνεια. Στην πραγματικότητα η οπτική οξύτητα εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως για παράδειγμα τις διαφορές στο κοντράστ μεταξύ αντικειμένων, το φωτισμό, την κόπωση του ματιού κ.α.

Η περιφερειακή όραση είναι εξαιρετικά ευαίσθητη στην κίνηση. Πιθανότατα ένα ενθύμιο των αναγκών επιβίωσης, υπάρχει μια αυτόματη συνείδηση αντικειμένων που εισέρχονται στο οπτικό  πεδίο, μια συνεχής επίβλεψη – έλεγχος – παρακολούθηση του εδάφους όταν ο άνθρωπος βαδίζει. Ξαφνικές αλλαγές στη φωτεινότητα, όπως για παράδειγμα φωτα-φλας που αναβοσβήνουν, γίνονται  περισσότερο αντιληπτά όταν συμβαίνουν στην άκρη του οπτικού πεδίου.

Η οπτική οξύτητα επηρεάζεται από:

•  Την ποιότητα της όρασης που σχετίζεται με την ηλικία του ατόμου.
•  Δυσμενείς εξωτερικούς παράγοντες (θάμβωση).
•  Από το χρόνο παρατήρησης .
•  Από τη μέση στάθμη λαμπρότητας του οπτικού πεδίου.
•  Από το κοντράστ μεταξύ των λαμπροτήτων αντικειμένου και περιβάλλοντος.

Θεόδωρος Δ. Κοντορήγας MBA MSc PLDA SLL
Θ. Κοντορήγας και Συνεργάτες Αρχιτέκτονες Φωτισμού
Πηγές φωτογραφικού υλικού: Μ.S. Escher / Herakleidon Experience in Visual Arts Museum, OSRAM