视觉认知理论的发展及其在建筑设计中的应用

李 媛，刘德明

(哈尔滨工业大学建筑学院，哈尔滨 150006)

视觉认知理论的发展及其在建筑设计中的应用

李 媛，刘德明

(哈尔滨工业大学建筑学院，哈尔滨 150006)

作为艺术门类之一的建筑设计，其核心问题——审美并没有随时代的更迭而发生变化，而建筑审美的依据却向着愈加科学化的方向发展。视觉认知理论推动了建筑审美的科学化，而对审美的科学解释可以帮助更多的建筑师设计出赏心悦目的建筑。视觉认知理论从经验总结阶段发展到格式塔心理学的技术应用阶段再到大脑视觉机制的科学阐释阶段，发展历程中的阶段性成果已经成为建筑师的共识并在设计中得到有意识的应用，同时对大脑视觉机制的探索揭示了受众“看”建筑的特点，这也为建筑师解决数字时代建筑审美的新问题提供了研究方法。

视觉认知理论;建筑设计;建筑审美;认知特点

从古希腊的神庙到中世纪的教堂，从现代主义几何体的组合到目下自由形态建筑的涌现，每一种建筑风格在其技术发展较成熟的时候，审美问题就会自然而然地被提上议事日程。可以说，审美是建筑艺术亘古未变的话题。然而对审美内涵的阐释却是多样的，究其原因在于审美一直被归类到哲学思辨的范畴。而随着科学技术的发展，视觉认知理论给予审美以科学的解释。该理论摒弃了意识形态与功利性，相信人们具有普遍的审美偏好。视觉认知理论的发展主要体现在研究方法的逐步科学化，从经验的定性诠释到实验方法的介入再到完全应用科学定量的实验方法，该理论经历了以下三个阶段。

一、直觉经验阶段

视觉认知理论发轫于哲学。建筑艺术是视觉的艺术，建筑审美依赖视觉认知。在科学技术欠发达的古代，人们只能依据自己和其他人的视觉经验从所见中总结审美规律。

(一)直觉经验成为普适做法

理论来源于实践，在没有任何审美理论束缚的时代，建筑的做法似乎只会受到技术条件的制约，然而事实并非如此，在东西方文明的早期，人类共有的视觉认知就已在建筑设计中起作用。

建筑师早就认识到人眼观看世界时的透视特点，所以当人们站在古希腊的帕提农神庙面前时，会认为自己看到的是高度一致的柱子和平直的台基，而实际上边柱比中间位置的柱子要高且台基也是中间拱起高于两侧。如果真实的柱子是一样高的，那么人们将会因看到一个上大下小、头重脚轻的建筑而感到不舒服。这就是建筑师对透视视觉的深刻理解和修正(图1)。同样的情况也发生在古代中国，在大型建筑中也有“角柱升起”、“开间的宽度从中央到两侧依次缩小”和“柱子收分”等现象。这些现象都符合人眼的透视规律。后来，这些做法成为普适的建筑规则。又如西方的古典柱式、柱头、柱身与柱础之间的比例来源于对人体头身比例的模仿，这个比例的确定来自人们观看自身时的愉悦。

经过视觉直觉经验的反复修正，一些建筑作品在审美方面得到了大家的共识，其中的一些做法甚至作为建筑设计规则被固定下来，如古典柱式的做法、墙身的三段式等。但是这些被认为美的建筑有什么共性呢?是什么使它们比其他建筑美呢?哲学家开始思考这其中的奥妙以期推广到所有建筑的设计中。

图1 帕提农神庙视觉校正

(二)哲学上的总结与思辨

从哲学诞生之日起，审美就是哲学的一个研究对象。在哲学发展的早期，美的本质(即美从哪里产生)被分为两类:主观论和客观论(主客观统一论是20世纪才产生的观点)。主观论认为美是由人的美感、情感、感觉所创造;客观论认为美在于物质对象的自然属性或规律［1］。视觉认知理论的哲学源头是客观论，认为是客观事物的某些特征使人们认为它们是美的，且这种美与主体无关，具有去意识形态、去功利性的特点。

毕达哥拉斯在公元前6世纪提出“美在形式”，并指出形式美学的特点，如比例、对称、和谐、均衡等。他认为美学价值完全在于形式而与任何内容因素，如思想、情感、主题、现实等无关。尽管这种看法有失偏颇，但其关于形式美的解读直到今天还在沿用。随后的亚里士多德更加强调美来源于现实，强调形式美的特征是人可以感知到的。值得一提的是，二位先哲对美学核心“在于和谐”、“在于整体”的观点得到了之后不断发展的视觉认知理论的证实。

(三)应用形式美法则时的问题

经过建筑师的实践、反思和总结，人们对形式美法则的内容达成共识。形式美的核心是“多样统一”，具体的内容是主从、均衡、对比、韵律、比例和尺度［2］，且几乎每一本书对这些具体的内容都是分项举例说明的。这就引发了两个问题:第一，当我们看到优秀作品时，可以很容易地用形式美的法则来分析它，然而我们又是如何判断该建筑是优秀作品呢?难道是在不到一秒钟的时间内我们的大脑就将各项形式美法则透彻解析过了?显然，我们并不是通过与形式美规则的逐一对照才得出某建筑是否令人愉悦的结论的。第二，虽然很多建筑师都秉承形式美法则，然而其作品还是有优劣高下之分，而且即便是评价一般的作品也可以用形式美的法则解释，那么形式美法则还是不是一个全面的法则呢?

以上问题说明形式美法则在应用时存在弊端，究其原因主要有以下两点:一是形式美的各项法则彼此之间范围有交叠，且描述的是不同层级的问题。比如均衡是统一性的特点之一，主从是实现均衡的一个手法但不是唯一手法;对比产生了多样性，彼此之间差异不大的对比又形成了韵律，成为实现统一性的一种手法;至于尺度和比例是在具体数字层面衡量“统一”的程度。也就是说，这些形式美法则在属性、手法和应用工具三个范畴内界定不清晰。二是形式美法则对客体审美影响的权重不确定。姑且先只讨论形式美的两个根本属性:多样性和统一性，此二者的权重是不是1∶1，不应由玄思和推理决定。

二、格式塔的实验推理阶段

(一)格式塔心理学及其应用

格式塔心理学(Gestalt psychology)是韦特墨(Max Wertheimer 1880－1943)、苛勒(Wolfgang Kholer 1887－1965)和考夫卡(Kurt Koffka 1886－1941)于1912年在德国创立的。这几位心理学家是在探索视觉的模式认知时发现了人眼的这一认知特点。由于他们的理论经常用一些绘画作品作为研究对象，所以它很快被应用到美学研究领域。

“格式塔”是Gestalt的译音，中文译为“完形”，但这个“形”不是指客体自身的性质，而是指知觉活动组成的经验中的整体［3］。阿恩海姆的理论基础是认为存在一个与物质世界同型的心理力场，二者之间的桥梁就是将视觉对象简化为具有动力特征的结构，所以从整体上简化视觉对象并从其平衡的动力结构中感受愉悦是格式塔理论的核心。接近律、相似律、连续律和闭合律都是视知觉为达到这种平衡而主动简化客体的方式。阿恩海姆对形式美法则也有新的理解，他认为形式美法则是静态的因而是片面的，艺术品不仅追求平衡、和谐、统一，而且是为了得到由各种方向的力共同达到的平衡、秩序和统一［4］。

这一点与现代主义建筑提倡的建筑美学原则不谋而合。现代主义建筑的代表人物之一——格罗皮乌斯 (Walter Gropius，1883 －1969)提出新建筑要使用简洁的处理手法和纯净的体型并采用均衡的非对称构图。他还提倡吸取视觉艺术的新成果以应用到建筑设计中。事实上，格罗皮乌斯创立的包豪斯讲授格式塔心理学。因而，现代主义建筑是格式塔理论在建筑设计中的一种应用和体现。例如，格罗皮乌斯设计的包豪斯校舍(图2)，视觉瞬间将校舍简化为几个比例不同的长方体，但它们并非彼此独立而是穿插在一起，形成有机的整体。层数低的体块比较舒展，而层数高的体块长度和宽度都比较小且位于另一侧，这在心理力场上取得了平衡。伍重设计的悉尼歌剧院亦是如此(图3)。如果没有小音乐厅，大音乐厅造型形成的力是向大海一侧倾斜的。尽管小音乐厅的体量比大音乐厅小很多，但它使整个建筑群达到了心理力的平衡。

图2 包豪斯校舍鸟瞰模型

图3 悉尼歌剧院

(二)格式塔心理学的历史局限性

那么格式塔心理学的研究程度对于建筑设计来讲是否就足够用了呢?

在实践应用方面，我们发现受众的审美并没有停留在简单的格式塔形式中，而是趋向欣赏更加复杂新奇的建筑。由此可见，审美的核心内容除了多样性和统一性以外，还有新奇性。事实证明，当某种规律被破坏时，受众的注意力会受到挫折，但这种挫折也可以激发起受众“一探究竟”的好奇心。如果被分散的注意力适合审美对象整体的主要结构，那么这种新奇性会加强内心的愉悦。这种情况在当下的数字化时代很常见，人们是如何理解偏离完形的复杂建筑形态的?建筑表皮形式的多样化程度是否没有限制呢?建筑表皮纹理的组织对视觉认知有什么影响呢?新奇性和统一性这对矛盾的“度”在哪里?这些复杂而细致的问题需要视觉认知理论的新成果予以解答。

在理论生成方面，由于彼时科学技术水平的制约以及理论创始人的主观局限性，格式塔心理学还有不完善的地方。第一，格式塔心理学的理论基础——“心理力场”是从当时物理学领域发现的电场、磁场等推理假设而来的，但其是否真实存在却无从证明。第二，格式塔心理学认为视知觉之所以如此组织视觉对象是因为物质世界与心理力场同型，那么心理世界又为何如此认知视觉对象呢?格式塔心理学并没有解决视觉认知特点产生的根本原因。第三，格式塔心理学的实验多是以人的直观经验为研究对象，这就使得实验停滞在定性分析上，而并没有按被试的不同特征(如性别、年龄、受教育程度等)对数据进行现代科学意义上的定量统计。第四，格式塔心理学缺少生理学依托，而任何一种心理现象都有其生理上的物质基础。

三、大脑视觉机制的科学阐释阶段

随着科学实验方法的推广和先进仪器的发明，科学家逐步揭开视觉脑机制的奥秘。任何一个被反映出来的视觉认知特点都有其生理机制，科学家也观察到大脑处理视觉信息时不同区域活跃的先后顺序。通过这些先进的技术，科学家们正逐步建立起更趋完善的视觉认知理论。

(一)视觉认知理论概述

格式塔心理学被认为是认知心理学的起步［5］，在此之后视觉认知理论有了长足的发展。视觉认知理论以信息加工理论为核心，它将视觉认知过程分为三个阶段:一是视觉信息如何输入;二是视觉信息如何被储存和以何种形式储存;三是储存的信息如何被寻找、使用甚至影响新一轮的视觉信息输入(图4)。

图4 视觉认识过程

第一阶段涉及视觉认知机制的问题，包括感觉、注意、知觉及模式识别。感觉是视杆和视锥细胞对光波的探测。注意是心理能量在获取信息时的集中，它选择进入加工的信息。知觉是对进入加工通道的感觉信息的解释，它对感觉到的信息赋予意义。模式识别建立在知觉的基础上，它根据感觉和记忆对知觉对象提出假设并加以检验［6］96。

第二阶段涉及视觉信息编码问题，包括视像存储、短时记忆及长时记忆。视像存储是感觉的缓冲储存区，目的是让大脑的加工赶得上眼睛接受信息的速度，但如果信息没能进入加工过程，这种储存就会消失。短时记忆是最先处理环境刺激的场所［6］149，它对信息进行提取和编码，但容量微小且加工能力有限。长时记忆的主要作用是用过去的经验来理解现在。

第三阶段是将抽象的视觉记忆编码形象化，包括表象和思维。心理表象研究信息在记忆中的储存和提取。思维是通过判断、抽象、推理、联想和想象解决心理特征之间复杂的相互作用，实现信息转换，从而形成新的心理表征的过程。

(二)视觉认知理论的应用

建筑形式和空间的认知涉及整个视觉认知理论，它是一个完整而复杂的过程。前文所述的格式塔心理学只是视觉信息输入阶段中模式识别的诸多假设理论之一，它并不能解释观看建筑时的所有视觉现象，也不能解决建筑设计中涉及的所有视觉问题，例如:如何使建筑的某一部分引人注意?以往关于建筑的经验和记忆对眼前的建筑有什么影响?联想在复杂形体审美中的影响?以下举例说明当代视觉认知理论在建筑设计中的应用。

关于视觉注意。在视觉处理的早期阶段，总有一些物体会更容易得到我们的注意，视觉的这个特征是与生俱来的，而不是学会的［7］。在人类感觉绝对阈限以上的信息能否引起注意，主要取决于该刺激信息与其他信息强度差别量的大小，即相对阈限的大小。比如形状、尺寸、颜色、方向和运动特征与背景差异大的物体会弹出来，这与背景物体的数目没有关系，之后我们会运动眼睛使弹出的物体位于注视的中心。弹出物体与背景在越多的方面差异越大，它就会越引人注目。另外，目标具备多少特征才能突出与背景有很大关系，如果背景中元素相似度极高，那么略微的差别就能够突出某个目标;如果背景元素变化多，要突出某个目标就需要它具备更大更多的特征差别。比如路易斯·康设计的金贝儿艺术博物馆(图5)，背景元素是一致的，所以入口处尺寸形态均未变，只是将实体变作虚空就达到了突出的目的。而詹姆斯·斯特林设计的斯图加特美术馆(图6)，背景元素非常多样化，所以建筑师需要通过多方面特征的对比，如形状对比(折线和弧线)、颜色对比(红色和绿色)及方向对比(竖向和横向)，才能突出入口。

图5 金贝儿艺术博物馆

图6 斯图加特美术馆

关于视觉表象。美国心理学家爱德华·托尔曼(Edward Tolman)在1932年通过老鼠在迷津中建立迷津中的位置关系的实验发现老鼠通过认知地图表征环境信息。1959年凯文·林奇(Kevin Lynch)将这一发现应用到人对城市的认知研究上，指出了人对城市地图认知的五要素(道路、边界、区域、节点和标志物)，更加证实了视觉表象是通过对实物信息的抽象、归纳和概括而形成的。它虽不精确但却与实物信息是拓扑同型的，这就足够对设计易辨识的城市起指导作用。此后还有研究者将凯文·林奇的成果应用到大型综合商业建筑和医院的寻路问题中。因为在大型而复杂的建筑或城市环境中，根据建筑师的个人经验已经不足以解决寻路问题，只能依靠科学理论和实验数据的帮助。

四、结论

科学的态度和研究技术的进步使建筑设计和审美逐渐摆脱了哲学的玄思，走上科学发展的道路。视觉认知理论的三个发展阶段促使该理论对视知觉机制的掌握越来越接近大脑的实际状况且其应用性越来越强。将视觉认知理论引入建筑设计中有两方面意义:一是解释天才建筑师靠直觉设计的优秀作品背后的视觉机制;二是经验能解决的问题是有限的，当面临越来越复杂的建筑时，必须依靠科学的论证，如上文提到的寻路问题;又如数字化背景下复杂建筑形式的审美问题。人们希望建立一个评价标准以使“多样统一”这一审美核心理念变得更加具体化和可操作化，比如对非线性形体的认知是自下而上的还是自上而下?哪些特征易于被捕捉?由于没有类似的建筑记忆，人们如何形成概念?体量和位置的对比对均衡感产生了哪些影响?当下的视觉认知理论的研究成果使研究这些问题成为可能。总之，建筑师可以利用已被证实的事实来检验和辅助设计，以便创造出更好的作品。

［1］徐苏宁.城市设计美学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007:11 －12.

［2］彭一刚.建筑空间组合论(第2版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998:32.

［3］［美］鲁道夫·阿恩海姆.视觉思维——审美直觉心理学［M］.藤守尧，译.成都:四川人民出版社，1998:3.

［4］［美］鲁道夫·阿恩海姆.艺术与视知觉［M］.藤守尧，朱疆源，译.成都:四川人民出版社，1998:40.

［5］陈超萃.设计认知——设计中的认知科学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008:11.

［6］［美］罗伯特·L.索尔所，M.金伯利·麦克林，奥托·H.麦克林.认知心理学(第7版)［M］.卲志芳，李林，徐媛，等，译.上海:上海人民出版社，2008.

［7］［美］Colin Ware.设计中的视觉思维［M］.陈媛嫄，等，译.北京:机械工业出版社，2009:27.

［责任编辑 张莲英］

Development of the Visual Cognitive Theory and Its Application in Architectural Design

LI Yuan，LIU De-ming
(School of Architecture，Harbin Institute of Technology，Harbin 150006，China)

The core problem of architecture as a kind of art is that aesthetics has not been replaced by others with times，but its basis has developed in the scientific direction.The Visual Cognitive Theory has promoted the scientific process of architectural aesthetics，whose explanations based on science could help more architects to design pleasing architectures.The development history of the Visual Cognitive Theory begins from the individual experience summary to the technology application of Gestalt psychology and then to the scientific elaboration of the brain visual mechanisms，and the partial results have become a consensus of architects and been used consciously.Meanwhile，the brain visual mechanisms reveal the characteristics when audience“see”architectures，and provide the research methodology to architectural aesthetics in the digital era.

visual cognitive theory;architectural design;architectural aesthetics;cognitive characteristics

TU－05

A

1009-1971(2011)05－0049－05

2011－07－30

李媛(1983－)，女，辽宁沈阳人，博士研究生，从事大跨度建筑设计研究;刘德明(1961－)，男，黑龙江海伦人，教授，博士生导师，从事技术制约性较强的公共建筑类型的设计问题研究及寒地城市公共环境设计研究。