Распределение солнечного света и тепла. Системы солнечного освещения Solatube®

Качественная подсветка территории дачного участка может заметно ударить по бюджету, если использовать только уличные фонари, работающие от сети. Чтобы хоть как-то и в то же время быстро провести свет на даче, рекомендуется использовать уличное освещение на солнечных батареях. Что это за система, какой у нее принцип работы и преимущества над стационарным освещением, читайте далее!

Устройство и принцип работы

Первое, о чем Вы должны знать – как работает уличное освещение на солнечных батареях и из чего оно состоит. На примере обыкновенного солнечного светильника рассмотрим эти два вопроса.

Конструкция светильника довольно простая и состоит из следующих элементов:

• осветительный блок (обычно это светодиод, закрепленный в корпусе);
• солнечная батарея (фотоэлектрический модуль, который преобразовывает энергию Солнца в электричество);
• контроллер (управляет освещением – включает и отключает в нужное время);
• встроенный аккумулятор (накапливает электроэнергию в светлое время суток для ее потребления ночью);
• опора либо крепление.

Исходя из предназначений каждого элемента, можно понять принцип работы освещения на солнечных батареях: днем аккумулятор заряжается, а ночью его заряд расходуется светодиодной лампой. Также в конструкцию могут входить дополнительные устройства, к примеру, датчик движения, который будет включать светильник только при обнаружении человека в определенной зоне.

Преимущества и недостатки

Второй, не менее интересный вопрос – какие преимущества и недостатки уличного освещения на солнечных батареях. Как плюсы, так и минусы системы довольно весомые и заставляют задуматься, стоит ли проводить такую подсветку у себя на даче.

Итак, среди основных преимуществ выделяют:

• Светильники и фонари можно быстро установить своими руками. Не нужно тянуть электропроводку под землей к каждой опоре, тем самым разрушая ландшафтный дизайн участка. В то же время не нужно понимать в электрике, по сравнению с вариантом, когда необходимо подключить прожектор или уличный фонарь на столбе
• Свет от солнечных светильников не бьет по глазам и мягко заливает поверхность по всему радиусу действия.
• Значительная экономия электроэнергии, т.к. на подсветку дачи потребуется не менее 3-5 ламп, мощностью от 50 Вт. Путем несложных арифметических расчетов можно узнать ежемесячный расход электроэнергии, который можно полностью сократить, сделав автономное уличное освещение на солнечных батареях своими руками.
• Система будет полностью автоматической, что очень удобно, если Вы приезжаете на загородный участок только по выходным. В остальное время светильники будут своеобразной охраной территории от злоумышленников.
• Освещение на солнечных батареях не представляет угрозы окружающей среде и человеку. Что касается последнего, это значит, что в заземлении светильников нет необходимости, т.к. они работают от безопасного напряжения.
• Уход за системой сводится к минимуму – нужно изредка протирать рассеивающий плафон и саму батарею от грязи и пыли.
• Длительный срок эксплуатации системы. К примеру, срок службы светодиодов достигает 50 тыс. часов, аккумулятора – до 25 лет (в зависимости от производителя и качества), солнечной батареи – до 15 лет. Итого, раз в 15 лет придется заменять устройства на новые.
• Имеют высокую от 44 до 65, поэтому не боятся дождя и других неблагоприятных погодных условий.

Что касается недостатков, их не так много, но они весомые:

• Использовать только освещение на солнечных батареях на даче не получится, т.к. светильники не дадут яркую подсветку территории. К тому же, заряда хватает не больше, чем на 8 часов, если целый день была солнечная погода. Все равно важные участки территории придется освещать фонарями, работающими от электросети – ворота на улице, вход в дом, зону парковки и т.д.
• Стоимость мощных светильников высока – от 12000 рублей и выше. Далеко не каждый может себе позволить такую роскошь, тем более для установки на даче.
• Существуют отзывы покупателей о том, что в плохую погоду лампы уличного освещения на солнечных батареях плохо работают или не работают вообще. Сразу же следует отметить, что в пасмурную погоду зарядка будет происходить чуть ли не в 2 раза медленнее, то есть ночью свет проработает всего лишь 4-5 часов.

Как Вы видите, преимущества и недостатки системы действительно весомые и тут уже Вы сами должны решить, стоит ли приобретать такой вариант для своего дома. Обычно все упирается в материальные возможности.

Разнообразие осветительных приборов

А вот информация, предоставленная ниже все-таки может повлиять на то, что Вы закроете глаза на некоторые недостатки уличного освещения на солнечных батареях. Дело в том, что на сегодняшний день существует широкий ассортимент осветительных приборов, которые могут быть различной мощности, формы, предназначения и даже способа установки.

• Солнечные светильники на коротких ножках. Идеально подходят для и к тому же имеют самую низкую стоимость. Установка изделий довольна простая – острая ножка вдавливает в газон, там, где Вы захотите.
  
• Светодиодные прожекторы. Такие устройства могут быть мощностью свыше 10 Вт, что является аналогом лампы накаливания мощностью 100 Вт. Идеально подойдут для , крыльца загородного дома и даже сада.
  
• Подвесные фонарики. Могут быть закреплены на ветках деревьев, в беседке, на ограждении. Используются для ландшафтного дизайна участка и для создания разноцветного праздничного освещения, как показано на втором фото.
  
  
• Уличные фонари на столбах либо ножке. Подойдут для подсветки большой территории – парковки, передней части двора, сада. Существуют устройства, мощностью до 60 Вт, однако их чаще применяют для автономного освещения дорог.
  
• Настенные светильники на солнечных батареях. Могут быть задействованы для , а также для освещения зоны отдыха – открытой террасы, беседки, патио.
  

Как Вы видите, существует множество современных осветительных приборов различной конструкции, назначения и мощности. Для дачи можно запросто подобрать наиболее подходящий вариант по стоимости, дизайну и качеству!

Видеообзор садовых фонариков на солнечных батареях

Как еще можно использовать батареи?

Более дорогостоящая, но мощная система – солнечная электростанция для дома. Такой вариант позволит генерировать электроэнергию не только для уличного освещения, но и для функционирования электроприборов в доме, как показано на картинке.

Съемочные периоды в течение дня разделяются по высоте стояния Солнца над горизонтом при безоблачном небе (рис. 1) на низкое освещение утром и вечером при высоте Солнца до (13... 15)° над горизонтом. Цвет освещения развивается от красного к белому, в тенях - от голубого к синему. Этот период соответствует времени эффектных съемок восхода и захода Солнца. Резко меняется соотношение освещенности горизонтальных и вертикальных поверхностей; нормальнее освещение при высоте Солнца (15...60)°. Цвет освещения доходит до белого (средний дневной свет), в тенях освещение голубое или синее. Освещенность горизонтальных и вертикальных плоскостей постепенно уравнивается и становится одинаковой при 45°. Контраст освещения зависит от чистоты атмосферы и смягчается рассеивателями на световых приборах подсветки. Для устранения синего оттенка теней при цветной съемке на приборы выравнивающего света устанавливают желто-соломенные фильтры; зенитное освещение, мало приемлемое для съемки из-за отвесно-падающего верхнего света Солнца. Нарастанием освещенности горизонтальных поверхностей и спаданием вертикальных усиливается контраст светотени. Съемку проводят с нижней подсветкой объекта или сюжетно важной детали от световых приборов или планшетов-отражателей: сумеречное (режимное) освещение, соответствующее положению Солнца (0...6)° ниже горизонта и небу без облаков. В данном случае яркость сумеречного неба, создающего освещенность, меняется в зависимости от чистоты атмосферы и глубины погружения Солнца за горизонт.

Рис. 1. Световые периоды съемочного дня

Необходимое время пorpужения выбирается из интервала (15...30) мин, в течение которого освещенность должна быть такой, чтобы небо в негативе проработалось плотностью (D неба = D min + (0,1 ...0,9)). Этот практически трудно определяемый интервал времени погружения Солнца и дал съемке название режимной (режимное освещение). В это время фотосъемка обычно проводится с применением дополнительного искусственного освещения (подсветки), доза которого должна изменяться с изменением яркости неба для получения неизменного отношения естественной и искусственной освещенности. На юге режимное время короткое, на севере - относительно длительное (белые ночи). На рис. 2, а-з изображены графики периодов съемочного освещения в зависимости от времени суток и месяца для различных географических широт (городов). На графиках дано время начала и конца четырех основных периодов естественного съемочного освещения на каждый час местного времени для различных географических широт от 35 до 70° через каждые 5°. Кривые являются геометрическим местом точек для высот Солнца -- 6°, 0°, +15° и -f 60°. Наибольшая высота Солнца для данной широты 22 июня обозначена точкой в центре графика и снабжена соответствующей цифрой в градусах. Данные графиков соответствуют прямому солнечному освещению при чистом небе.

Рис. 2, а-з графики периодов съемочного освещения в зависимости от времени суток и месяца для различных географических широт (городов).

Освещенность горизонтальных и вертикальных поверхностей объектов. Объекты съемки могут быть иными различной конфигурации. Их поверхности относительно источников света могут располагаться горизонтально, вертикально или под углом. Определенное положение главного (рисующего) источника света - Солнца, а также подсветка от неба создают на объектах различную освещенность, разница между которой определяет соответствующий контраст светотени. Разница в освещении представляет собой определенный интервал яркости объекта ЛВ, который необходимо измерить, согласовать с характеристикой фотопленки (обработка) и воспроизвести в негативе (диапозитиве).

Солнце как источник основного света перемещается по небосводу от горизонта вверх (высота стояния Н) и по азимуту (с востока на запад), сложно изменяя освещенность на всех поверхностях объекта (рис. 3, а, б). В большинстве случаев съемки сюжетно важные элементы переднего плана объекта имеют вертикально расположенные поверхности. Обращенные к Солнцу они воспринимают от него основной свет, являющийся ключевой освещенностью для определения съёмочной экспозиции. В зависимости от высоты стояния Солнца ключевая освещенность меняется и может быть значительно ниже освещенности горизонтальных, не сюжетно важных поверхностей. Освещение в пасмурную погоду имеет другие характеристики.

При низком стоянии Солнца (рис. 4, с) вертикальная поверхность освещена прямым светом почти по нормали N (угол α ≈ 0) и имеет максимальную освещенность с низкой цветовой температурой (2500...2800) К.

Рис. 3. Схемы перемещения Солнца по небосводу по углу стояния Н (в) и азимуту (б)

Рис. 4. Схемы освещения горизонтальной и вертикальной плоскости при стоянии Солнца: низком (о), среднем (б) и зенитном (в)

Горизонтальная поверхность воспринимает косой, почти скользящий свет Солнца и по закону косинуса угла падения света имеет низкую освещенность. Яркость вертикальной поверхности высокая, горизонтальной - низкая. При среднем стоянии Солнца (N - 45°) (рис. 4, б) вертикальная и горизонтальная поверхности воспринимают освещенность от Солнца одинаково, цветовая температура приближена к температуре среднего белого света (5300°...5500°) К, а яркости обеих поверхностей одинаковы. При высоком стоянии Солнца (N - 50...90°) (рис. 4, в) вертикальная поверхность освещается косыми лучами Солнца, а в зените скользящими и имеет низкую освещенность с цветовой температурой среднего белого света 5500 К. Горизонтальная поверхность воспринимает почти прямые лучи Солнца при высокой освещенности и той же цветовой температуре. Яркость вертикальной поверхности низкая, горизонтальной - высокая.

Рис.5. Освещенность от неба в тени от Солнца, где E c - освещенность от Солнца, Е н -от неба

Освещенность от неба в тени от Солнца (рис. 5) имеет величину в 6...8 раз меньще солнечной при относительной равномерности. 98. Атмосферные особенности при дневном освещении. Качество дневного света определяется степенью мутности воздушной среды, находящейся между Солнцем и съемочной камерой. К атмосферным явлениям, влияющим на освещенность, световой рисунок и цвет объекта, относятся атмосферная, небесная и оптическая дымка, мгла, туман, морось и дождь. Если в пределах фотокадра эти явления занимают незначительную часть площади (10...30 %), то они являются элементами съемочного объекта со своей яркостью и цветностью и на освещение не влияют. Если же они служат средой, в которой располагается объект съемки, то в значительной степени влияют на освещенность и цветность освещения. Любое атмосферное явление и условия, в которых оно развивается, влияет на светооптический рисунок и фотографическое качество изображения, а изобразительные эффекты, возникающие, например, в дождь, снег или туман, конкретизируют обстановку действия. Дымка атмосферная (молекулярная) - равномерная световая вуаль (среда), заволакивающая дали земной поверхности. Вызывается рассеянием солнечных лучей слоем воздуха. В чистом воздухе при относительно нулевой влажности лучи сине-фиолетовой части спектра рассеиваются сильнее, чем зеленой, желтой и красной, поэтому атмосферная дымка, а вместе с ней и темные далекие предметы приобретают голубоватую окраску («синие дали»). Атмосферная дымка сглаживает различия в яркости и цвете удаленных предметов и этим ухудшает их видимость вплоть до полного исчезновения. Характер дымки определяют по цвету ореола вокруг Солнца и состоянию атмосферы. Наличие молекулярной дымки делает ореол очень слабым, небо вокруг Солнца приобретает голубоватый цвет. При относительно увеличенной влажности воздуха дымка уплотняется, а ореол приобретает голубовато-стальной оттенок. В черно-белой фотографии атмосферную дымку ослабляют установкой желтых, оранжевых и красных светофильтров (особенно в аэрофотографии). Применение этих фильтров не эффективно, если дымка вызвана рассеянием света на частичках пыли и тумана, так как при этом рассеяние солнечного света во всех частях спектра одинаково. В цветной фотографии фильтры для устранения молекулярной дымки не применяют. Небольшая голубая атмосферная дымка у горизонта при цветной съемке даже нежелательна, так как выраженная ею воздушная перспектива уничтожает сухость и жесткость красок, светотень становится мягче, а изображение принимает определенный колорит. Небесная дымка - разновидность атмосферной дымки, отличающаяся повышенным содержанием атмосферной влаги. От плотности небесной дымки зависит качество солнечного освеще-ния, влияющего на освещенность объекта и цветность солнечных лучей. Свет Солнца, прошедший небесную дымку в сине-зеленой части спектра, значительно ослабляется и становится более теплым. Белые детали объекта приобретают слегка красноватый оттенок, но тени не имеют ярко выраженного синего оттенка, так как освещаются более белым светом. Небесная дымка благоприятно сказывается на качестве цвета в изображении: результаты съемки становятся лучше, чем при чисто голубом небе и легкой молекулярной дымке, яснее выражается воздушная перспектива. Значительное воздействие на солнечное освещение оказывает густая небесная дымка (профессиональное выражение «Солн-це в молоке»). Освещение при ней аналогично дневному свету, когда лучи Солнца проходят через высокие перистые облака. При этом, несмотря на то что освещенность падает почти в два раза, тени хорошо подсвечиваются рассеянным светом Солнца, контраст светотени снижается и общее освещение становится наибо-лее благоприятным для создания рисунка объемной формы. Краски объекта при таком освещении передаются наиболее полноцветно, цветовых искажений от чистого синего неба нет. Оптическая дымка создается местными помутнениями воздуха от разницы температур слоев, вызывающей появление воздушных колеблющихся струй воздуха. Особенно заметна оптическая дымка в жаркую сухую погоду над асфальтом в городе, сухой почвой в степи и нагретыми крышами зданий. Свет при наличии оптической дымки достаточно поляризован, поэтому в данном случае эффективно применение поляризационных фильтров. Мгла - помутнение воздуха, вызванное взвешенными в нем твердыми частичками дыма, гари и пыли. Большая интенсивность мглы снижает видимость предметов иногда до 1 км. Над больши-ми городами в безветренную погоду наблюдается мгла, связан-ная с засорением воздуха пылью и дымом местного происхождения (смог). Она делает атмосферу у поверхности земли темно-серой. Коричневатый или серовато-бурый цвет мглы значительно меняет цветность освещаемого дневного света: делает его красноватым, иногда сквозь мглу Солнце воспринимается красным. Пылевая дымка как разновидность мглы при черно-белой съемке не фильтруется желтым, зеленым и даже оранжевым фильтрами. При любой съемке небо воспринимается серобелым, а у горизонта темно-серым. Рассеянный пылевой дымкой свет частично поляризован, поэтому при съемках в степных районах для снижения излишней яркости неба применяют поляризационный фильтр. Туман (облако, лежащее на земле) - скопление мелких водяных капель в приземном слое атмосферы с высотой до сотен метров, понижающее видимость от (1...3) м до 1 км. Туман обра-зуется в результате сублимации или конденсации водяного пара на аэрозольных (жидких или твердых) частицах воздуха и подразделяется на туман испарения и туман охлаждения. Туман ис-парения возникает при дополнительном поступлении водяного пара с более теплой испаряющей поверхности в холодный воздух, туман охлаждения - при охлаждении воздуха ниже температуры точки росы. При этом содержащийся в воздухе водяной пар достигает насыщения и частично конденсируется. Наиболее часто возникают туманы охлаждения. Белый свет сильно рассеивается туманом вследствие значительного превышения диаметра частиц влаги длин волн лучей спектра. Через туман хорошо проходят только инфракрасные лучи, длина волны которых больше диаметра капелек тумана. При прохождении через туман света, отраженного от предметов, часть лучей доходит до объектива съемочной камеры, а другая рассеивается, до объектива доходит множество ослабленных лучей, исходящих от всей массы тумана. Дошедшие до объекти-ва лучи рисуют изображение предмета, а рассеянные наклады-вают на него равномерную серую вуаль, снижая контраст изображения. При большой густоте тумана его вуалирующее действие значительно, рисунок изображения не наблюдается, фото-материал в съемочной камере равномерно засвечивается рассеянным светом. Туман обладает собственной яркостью, в большинстве слу-чаев больше яркости объекта, поскольку «источником света» в данном случае является он сам. В тумане горизонтальные и вертикальные поверхности имеют одинаковую освещенность. В первую очередь в тумане рассеиваются синие, а в последнюю - красные лучи спектра, поэтому цветной объект, в зависимости от плотности тумана, вначале теряет синие, затем зеле-ные и последними насыщенные красные тона. По этой причине лицо человека, снятое в тумане, не теряет своих розоватых оттенков. Ярко-красные цвета, огонь и источники красного цвета в тумане видны хорошо. С увеличением расстояния от съемочной камеры до объекта цвет объекта в тумане быстро теряется. На определенных расстояниях изображение объекта принимает пастельные тона, так как туман сильно разбеливает цвет, накладывая на каждый цветовой тон дополнительную белую вуаль со смягчением контуров и рельефов. При съемках против Солнца (котражур), когда его просвечивание ощущается, туман краснеет, а фон проступает как бы сквозь красноватую пелену. При съемках от Солнца (в северную сторону) туман выглядит бесцветным, серым или синеватым в зависимости от его плотности. Морось - атмосферные осадки в виде очень мелких капель диаметром до 0,5 мм (крупнее капель тумана и мельче капель дождя). Выпадает морось из слоистых и слоисто-кучевых облаков и в зависимости от плотности имеет свойства тумана или дождя. Дождь - атмосферные осадки, выпадающие из облаков в ви-де капель воды диаметром от 0,5 до 6...7 мм. Оптическое влияние дождя заключается в том, что между съемочной камерой и объектом съемки появляется дополнительная оптическая среда в виде плотной водяной пелены, поглощающей и рассеивающей свет. При дожде капли сами становятся светящейся средой, экс-понирующей фотопленку (как, например, туман), поэтому отдаленные черные или цветные объекты не могут быть изображены ни чисто черными, ни насыщенно цветными. Цвет разбеливается вуалирующим действием дождя так же, как и туманом. При плотном сплошном дожде прежде всего перестают различаться синие, потом зеленые, а затем красные цвета. Дополнительно к этому, под дождем возникает блеск всех без исключения поверхностей, так как пелена дождевой воды делает их глянцевыми, а рельефы глянцевых поверхностей хорошо выделяются. На складках, изгибах и неровностях поверхно-стей возникает рефлексный свет, позволяющий хорошо видеть форму и объемы предметов. Лужи воды на земле, асфальте, мо-стовой отражают свет неба, создавая дополнительную освещенвость с нижней точки, при наличии которой иногда можно исключить нижнюю подсветку сюжетно важных деталей объекта. Блики и рефлексы позволяют вести съемку против самой светлой части неба (своеобразный контражур) и получать изображение при относительно минимальных освещенностях. При черно-белой съемке во время дождя можно получать многоплановые изображения (особенно в пейзаже), а при цветной - такой, например, рисунок, на котором цвет на переднем плане изображения относительно насыщен, а в глубине перспективы воспроизводится в ахроматической гамме черных и серых тонов (красный сигнал светофора на переднем плане с серым тоном дальних планов). Рефлексы и блики при этом передают ощущение объемной формы и воздушной (тональной) перспективы. Облачность в зависимости от характера облаков и степени их распределения по небу создает различную освещенность в цветность дневного освещения. Ощущается резкая разница по интенсивности, контрастности и спектральному составу освещения при Солнце с безоблачным небом и при сплошной облачности с закрытым Солнцем, Площадь облаков по отношению к небо-своду влияет на долю рассеянного, отраженного и прямого света Солнца в общем дневном освещении. Наибольшая освещенность наблюдается тогда, когда небо почти полностью закрыто тонкими светлыми облаками при открытом или слегка завуалированном Солнце, наименьшая - когда небо затянуто облаками (пасмурная погода). Наибольший контраст дневного освещения наблюдается при открытом Солнце и чистом синем небе, поскольку освещенность от неба в 6...8 раз меньше освещенности от Солнца (значительный контраст). Меньший контраст - при небе, частично закрытом белыми облаками, хорошо отражающими солнечный свет, а минимальный контраст или отсутствие его - при небе, полностью закрытом облаками. Данные об освещенности и цветности дневного освещения приведены в справочнике.

Давно известно, что дневное «солнце в молоке» (небесная дымка), высокие перистые облака или яркое пятно вместо солнца за сплошными неплотными облаками - идеальное освещение для съёмки. Свет и тень белеют, а это значит, что могут получаться и наилучшая цветопередача, и мягкая светотень. Как правило, освещённость в это время уменьшается в два раза, и светочувствительная матрица видеокамеры дает наилучшее разрешение, ведь избыточная освещенность матрицы приводит к растеканию электрических зарядов фотоэффекта и, следовательно, к потере четкости изображения.

Для ровного освещения нескольких объектов и при съемке в больших помещениях лучше использовать непрямой (отраженный) или сильно рассеянный свет, а чтобы избежать теней от одного человека на другом, надо применить несколько источников света.

Обратите внимание на освещение: в жилых помещениях оно почти всегда верхнее, с потолка. Это не очень хорошо, слишком контрастно, в кино этот свет называется «тюрьма», потому что именно с таким освещением снимают драматические и трагические сцены. Попытайтесь использовать естественный свет из окна, а если съемка происходит вечером, включите торшер, настольные лампы и все, что найдете подобного, чтобы сцена съемки освещалась более равномерно.

Красивое небо лучше снимать над светлыми отражающими и блестящими поверхностями, например над песком, снегом, водой, иначе контраст получится чрезмерным. Вода при высоком солнце (более 42° над горизонтом) становится темной, при низком - искрится, приобретает цвет неба.

Естественное освещение сцены (солнце) - лучше всего, если сбоку - так оно будет освещать сцену съемки рельефно. Если солнце будет у вас за спиной, то в кадре как раз и окажется пестрая каша веселых оттенков. Очень хорош на натурных съемках туман, он потрясающе подчеркивает глубину композиции, объемность кадра, поэтому на съемках настоящего кино дальние планы часто «затуманивают» с помощью специальных дымов.

В ясную погоду основными источниками света являются солнце и небо. Спектральный состав прямого солнечного света зависит от положения нашего светила относительно горизонта, так как атмосфера поглощает коротковолновые (сине-фиолетовые) лучи больше, чем красные. По мере подъема над горизонтом солнце из красного становится в зените бело-желтым, цветовая температура повышается с 2200 °К до 5700 °К. Цвет неба зависит от многих факторов и изменяется от голубого до синего, цветовая температура соответственно увеличивается от 104 до 3 х 104 °К.

Тени, которые освещаются преимущественно голубым небом, кажутся холоднее светов (освещенных участков) под желтым солнцем. Синие тени и желтые света дополнительно увеличивают контраст изображения. Днем в пасмурную погоду и при солнце в дымке разница в окрашивании света и тени мало заметна (цветовая температура около 5500 °К и 7000-8500 °К соответственно).

Солнце на рассвете или при закате стоит над горизонтом под углом 0-6° и дает резкий контраст светотени. Освещены только вертикальные поверхности предметов, прямой солнечный свет окрашивает их в красный цвет, тени черные, другие цвета приглушены. Такое положение солнца подчеркивает рельеф местности и подходит для съемки пейзажей, тихой глади воды при встречном свете. Для съемки людей крупным планом подобное освещение непригодно, особенно неприемлем боковой свет из-за чрезмерного контраста. Вечер - хорошее время для съемки городских пейзажей, так как при еще достаточном свете на улице уже зажигаются окна домов.

Низкое солнце (13-15° над горизонтом) утром, вечером или зимним днем дает резкое отличие в освещении горизонтальных н вертикальных поверхностей. На свету предметы окрашиваются в оранжево-желтые оттенки, а тени - в синие (цветовая темцература солнца - 2500-3500 °К, неба - более 15 000 °К). Контраст высокий, цветопередача искажена.

Освещенная часть лица приобретает золотистый теплый оттенок. В крупных планах полезна подсветка встроенной лампой для выравнивания освещенности теневой части до уровня яркости неба и коррекции ее цветности. Для съемки дальних планов больше подходит утреннее освещение, а не вечернее, так как воздух после жаркого дня становится менее прозрачным. Низкое солнце в пасмурную погоду не дает теней и для съемки едва ли пригодно.

Универсальным освещение бывает, когда солнце светит под углом 30-60°, свет белый, цветовая температура - около 55 000 °К. В это время освещенность горизонтальных и вертикальных поверхностей примерно одинаковая, и цветопередача освещенных участков наиболее удачная. Тени голубые, в нужных местах их можно смягчить отражающими белыми экранами на подставках. Можно снимать и людей, и пейзажи.

Солнце в зените мало пригодно для съемки, так как освещаются в основном горизонтальные поверхности. Но только такое естественное освещение и бывает в лесных чащах, глубоких карьерах, дворах-колодцах. Здесь требуется фронтальная подсветка и подсветка снизу, удовлетворительные результаты получаются при съемке на светлом песке или на снегу.

В солнечный день под сенью деревьев образуется множество световых пятен и бликов, из-за чего контраст становится запредельным. По этой причине снимать в парке или в лесу лучше пасмурным днем или при солнце в дымке. Место для съемки желательно выбрать на поляне, чтобы в кадр попал хотя бы небольшой участок неба.

Рваное предгрозовое небо, когда из-за темных туч пробивается яркое солнце, может стать отличным, но непредсказуемым освещением для разворачивания драматичных событий. Пейзажи приобретают внутреннюю напряженность. Солнце за плотной тучей при голубом небе дает тусклый и рассеянный свет, в котором исчезают тени, предметы становятся плоскими. Такое освещение не слишком хорошо для съемки.

Пасмурный день не дает теней, контрастность очень низкая, цветовая температура более 6500 °К, цвета блекнут. Изображение получается плоским, необходимы дополнительные средства для подчеркивания объема и формы предметов. Освещение подходит для съемки людей крупным планом, но при этом желательна боковая направленная подсветка, особенно для плоских лиц, нужны цветовые контрасты. Яркая теплая подсветка встроенным осветителем даст эффект съемки при заходящем солнце.

Освещенность - базовые понятия

Освещённость - это физическая величина, характеризующая освещение поверхности, создаваемое световым потоком, падающим на поверхность.

Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр), в СГС - фот (один фот равен 10000 люксов).

В отличие от освещённости, выражение количества света, отражённого поверхностью, называется яркостью.

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей.

Для примера:

• Освещение солнечными лучами в полдень - 100 000 люкс
• При киносъёмке в студии - 10 000 люкс
• На открытом месте в пасмурный день - 1000 люкс
• В светлой комнате вблизи окна - 100 люкс
• На рабочем столе для тонких работ - 100–200 люкс
• Необходимое для чтения - 30–50 люкс
• На экране кинотеатра - 85–120 люкс
• От полной луны - 0,2 люкс
• От ночного неба в безлунную ночь - 0,0003 люкс

Освещение - базовые понятия

Как правило, освещение бывает направленным, рассеянным и комбинированным.

• Направленный свет - это свет, дающий на объекте резко выраженные света и тени и в некоторых случаях блики.
• Рассеянный свет - это свет, равномерно и одинаково освещающий все поверхности объекта, вследствие чего на них отсутствуют тени, блики и рефлексы.
• Комбинированное освещение представляет собой сочетание направленного и рассеянного света.

Уменьшение общей освещённости изменяет соотношение между яркостями светов и теней: яркость свето́в убывает быстрее, чем теней. Это может происходить за счёт некоторого освещения теней рассеянным светом. Таким образом, уменьшение общей освещённости вызывает одновременно и уменьшение контраста.

Освещение является простым, если свет имеет одно направление, и сложным, если он идет по нескольким направлениям, от двух и более источников.

Освещение будет жёстким, когда источником света является вольтова дуга или электролампа без арматуры; смягчённым - если он заслонен полупрозрачным экраном (из бумаги, молочного стекла, лёгкой ткани), и мягким - когда он заключён в широкий софит с полупрозрачным экраном.

Вид освещения сказывается на очертании теней и характере рельефа. При жёстком освещении границы теней очень точно очерчены, а рельеф объекта преувеличивается - созидается впечатление, что все впадины углубились. Смягчённое освещение размывает контуры теней и уменьшает рельефность объекта. Мягкое освещение ещё более увеличивает этот эффект.

Если источник света близко расположен к освещаемому телу, то тени будут конусообразными и резко очерченными. Если два источника света посылают в пространство взаимно перекрещивающиеся лучи, то они дадут тень и полутень, которые смягчат контраст изображения.

Лучи, падающие на поверхность объекта под углом больше 45°, дают прямое освещение, а под меньшим - косое.

Косое освещение подчёркивает форму предметов и хорошо выявляет их детали. Его разновидностью является скользящее освещение, когда угол падения на поверхность объекта близок к нулю градусов. Скользящее освещение особенно чётко выявляет фактуру объекта. Для смягчения контраста при скользящем освещении дают дополнительное прямое освещение объекта съёмки, но от более слабого источника света, чем источник скользящего освещения.

При освещении искусственными источниками света крупных планов (портретов, натюрморта и т.д.) пользуются следующими видами освещения:

• Заполняющий, или общий свет – равномерное, рассеянное, бестеневое освещение объекта, имеющее достаточную интенсивность для короткой выдержки. Осуществляется комбинацией источников верхнего и переднего света.
• Рисующий свет - пучок света, направленного на объект или его сюжетно важную часть. Его задача - создание основного светового эффекта. Такой свет должен давать бо́льшую освещённость на освещённом участке объекта по сравнения с освещённостью общего света. Самостоятельно рисующий свет употребляется редко, так как он даёт контрастное освещение, затрудняющее проработку деталей в тенях или света́х из-за большого интервала яркостей.
• Моделирующий свет - узкий направленный пучок света малой интенсивности, используемый для получения бликов, улучшающих передачу объёма объекта и подсветки теней с целью их смягчения, а иногда и полного устранения. Назначение моделирующего света - улучшение градации светотени. Прибором для моделирующего света служит глубокий узкий софит с обыкновенной лампой накаливания небольшой мощности или обычный софит с надетым на него тубусом.
• Контурный, или контрово́й, свет - задний скользящий свет, используемый для выделения контура объекта от фона. Таким светом выявляют форму всего объекта или какой-либо его части. Источник контурного света помещают позади объекта на близком расстоянии от него. Получают тонкую линию светового контура, которая расширяется с удалением источника света от объекта. В качестве прибора для контурного света используют софит со средним диаметром рефлектора.
• Фоновый свет - свет, освещающий фон, на котором проецируется объект. Освещённость фона должна быть меньше, чем освещённость, даваемая общим и рисующим светом. Фоновый свет бывает равномерным и неравномерным. Обычно его распределяют так, чтобы светлые участки объекта рисовались на тёмном фоне, а тёмные - на светлом. Для равномерного освещения фона используют источники света в широком софите, а для создания на нем световых пятен - в узком софите. Прекрасные результаты смягчения света дает отраженный свет, для этого используются зонты с отражающей поверхностью и плоские отражатели изготовленные из белой ткани на каркасе.

Основным источником, определяющим естественную освещенность, является Солнце. Спектральный состав солнечного излучения на границе атмосферы принято аппроксимировать излучением черного тела с температурой К. Истинное распределение энергии в спектре солнечного излучения несколько отличается от распределения для черного тела с К: в области 0,4...0,75 мкм Солнце излучает больше энергии, чем черный излучатель при К, в ультрафиолетовой области – меньше, а в инфракрасной области отличия несущественны. Солнце как излучатель представляет собой шар и теоретически излучает расходящийся поток лучей, однако из-за большого удаления Солнца его излучение на земной поверхности практически представляет поток параллельных лучей. Энергетическая освещенность, которую создают солнечные лучи на перпендикулярной к ним плоскости вне земной атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца, характеризуется солнечной постоянной .

Освещенность естественных ландшафтов определяется высотой Солнца над горизонтом и влиянием атмосферы. Высота Солнца для района с геодезической широтой и долготой определяется по следующей расчетной формуле:

где – склонение Солнца на дату наблюдения; – разность долгот Солнца и наблюдателя (часовой угол).

Разность долгот (градус) связана с местным временем соотношением , где – время в часах и его долях.

На заданный момент московского времени величина определяется следующими равенствами для зимнего и летнего времени соответственно:

где – уравнение времени (поправка по времени) в долях часа.

Склонение Солнца задается таблично, но с достаточной для моделирования точностью может быть определено аналитически: , где – время в сутках от дневного равноденствия (22 марта) до даты съемки. Значения определяются по номограмме или по таблицам.

Для моделирования реалистичных изображений при естественном освещении необходимо определить также азимут Солнца , для вычисления которого используются , и :

В процедурах синтеза изображений целесообразно использовать единичный вектор , указывающий направление на Солнце. Если использовать правую топоцентрическую систему координат, в которой ось направлена на север, а ось перпендикулярна поверхности Земли и направлена в зенит, то составляющие вектора по осям будут определяться следующими соотношениями:

(1.3.4)

Отметим, что для характеристик положения Солнца наряду с высотой используется зенитное расстояние .

Воздействие атмосферы проявляется в ослаблении прямого солнечною излучения и его рассеивании. В соответствии с этим освещенность земной поверхности определяется двумя световыми потоками: ослабленной прямой радиацией и рассеянной радиацией солнечного излучения , идущей к Земле.

Существенная нестабильность свойств атмосферы, значительное число факторов, обусловливающих ее изменчивость, не позволяют давать точный прогноз освещенности. Обычно используются приближенные модели с ограниченным числом параметров, характеризующих оптические свойства атмосферы. Для расчетов широко используется модель средней стандартной атмосферы. Спектральная освещенность, создаваемая Солнцем у поверхности Земли на площадке, перпендикулярной солнечным лучам, при безоблачном небе и стандартной атмосфере определяется формулой

, (1.3.5)

где - спектральная освещенность, создаваемая солнечным излучением на границе атмосферы; – оптическая толща атмосферы.

Обобщенным параметром практически можно пользоваться в диапазоне , в пределах которого ослабление прямой солнечной радиации обусловлено в основном молекулярным и аэрозольным рассеиванием (рис. 1.3.1).

Рис. 1.3.1. Ослабление прямой солнечной радиации в атмосфере:

1 – солнечное излучение на границе атмосферы; 2 – солнечное излучение у земной поверхности; 3 – аэрозольное рассеивание; 4 – поглощение в атмосфере

Для этого диапазона зависимость от длины волны для стандартной атмосферы описывается эмпирической формулой

где – оптическая толща атмосферы при нм. При вычислениях по (1.3.6) значения подставляются в нанометрах.

При расчетах обычно используется несколько типовых значений . Для среднезамутненной атмосферы составляет 0,3. Слабой замутненности атмосферы соответствует , повышенной замутненности , высокой .

Освещенность, создаваемая прямым излучением Солнца, на произвольно ориентированной площадке определяется углом между единичным вектором направления на солнце и единичным вектором нормали к площадке :

, (1.3.7)

где – скалярное произведение векторов и .

В программе синтеза изображений обязательно должно учитываться условие неотрицательности освещенности

При невыполнении условий (1.3.8) данная сторона площадки не освещена: . Единичный вектор нормали к площадке должен быть направлен от поверхности, освещенность которой вычисляется. Это означает, что принципиально площадка характеризуется двумя единичными векторами нормали и , определяющими две ее стороны. Очевидно, что .

Отметим, что из общей формулы для определения освещенности (1.2.23) непосредственно следует приводимая в литературе формула для освещенности земной поверхности. Для горизонтальной земной поверхности и, следовательно, .

Освещенность, создаваемая рассеянной радиацией, определяется яркостью неба. Важность учета рассеянной радиации обусловлена тем, что она определяет освещенность участков сцены, находящихся в тени.

Яркость произвольной точки небосвода представляет собой функцию четырех основных параметров : высоты Солнца , пропускания атмосферы , зенитного расстояния точки небосвода и угла между направлением на Солнце и в заданную точку небосвода.

Расчет освещенности произвольно ориентированной площадки с учетом истинного распределения яркости небосвода требует выполнения численного интегрирования с использованием таблично заданных функций. Это весьма серьезно усложняет процедуру вычисления освещенности точек картинной плоскости. Процедуру вычислений можно существенно упростить, если яркость всех точек небосвода принять одинаковой и равной некоторой усредненной величине. Среднюю яркость небосвода можно аппроксимировать зависимостью вида

Величина сравнительно слабо зависит от и . В ряде случаев ее полагают постоянной. Более точное приближение можно получить, если полагать . При этом различия в результатах, полученных на основе более точных моделей и изложенной выше, невелики. Максимальные различия достигают 20 % лишь при значительной высоте Солнца ().

Для определения освещенности от небосвода произвольно ориентированной площадки рассмотрим общую схему определения освещенности, создаваемой протяженным источником (рис. 1.3.2).

Рис. 1.3.2. Определение освещенности произвольно ориентированной площадки небосводом

В соответствии с (1.2.16) освещенность от небосвода площадки определяется следующим образом: , где – проекция на освещаемую плоскость , в которой лежит площадка , видимой части небесной сферы. до . За пределами этого диапазона значения практически являются нулевыми.

Хотя переход от энергетической системы к светотехнической не вызывает принципиальных затруднений, однако для систем видимого диапазона удобнее пользоваться расчетными формулами, выражающими освещенность непосредственно в светотехнической системе. Для таких расчетов может быть использовано соотношение, базирующееся на известном в , но дополненное учетом наклона освещаемой площадки:

где – освещенность плоскости, перпендикулярной к лучам Солнца на границе атмосферы в светотехнической системе единиц; – коэффициенты, характеризующие прозрачность и рассеивание в атмосфере.

Для средних параметров стандартной атмосферы ; . В соответствии с (1.2.29) максимальная освещенность горизонтальной площадки на земной поверхности для стандартных условий составляет 106000 лк (при ).

На величину естественной освещенности большое влияние оказывает характер облачности. Наличие облачности вызывает значительное увеличение рассеянного излучения. При разорванной облачности освещенность "на Солнце" оказывается на 10...30 % выше, чем при безоблачной погоде, а освещенность в тени может возрастать до двукратной величины. Это обстоятельство является причиной значительного разброса в экспериментальных данных по освещенности в тени и оправдывает применение в машинной графике относительно простых моделей расчета освещенности, использование поправочных коэффициентов, увеличивающих значение освещенности в тени по сравнению с расчетными при углах Солнца .