光度学与色度学基础

视听信息系统导论1陈健生清华大学电子工程系信息认知与智能系统研究所王东清华大学信息技术研究院语音和语言技术研究中心第二章光度学与色度学基础PhotometryandColorimetry2光度学(Photometry):度量人类视觉系统感知可见光亮度的科学。辐射测量学(Radiometry):度量包括可见光在内的电磁波辐射的科学。色度学(Colorimetry):从物理上量化和描述人类颜色知觉的科学。光谱学(Spectrophotometry):对电磁波谱进行量化研究的科学。3第二章光度学与色度学基础4•光的特性与度量•空间中的光•表面上的光•颜色感知与表示•表色系统《图像信息系统原理》2.13.1《ComputerVisionamodernapproach》2.12.22.3第二章光度学与色度学基础5•光的特性与度量•空间中的光•表面上的光•颜色感知与表示•表色系统光的特性与度量什么是光？◦光是人眼可见的电磁波辐射(Electromagneticradiation,EMR)。对于波长λ的辐射，强度用R(λ)表示，以瓦(watts)为单位。◦光场(LightField)：描述一个给定场景的光场，需要指定场景中每个点上来自各个方向的光辐射强度。6可见光波长380~780nm，不同波长呈现不同的颜色，随着波长减小依次为：红橙黄黄绿绿青蓝紫单色光：单一波长成分,例555nm黄绿光。复合光：两种以上波长成分。380~780nm的光波给人以白光的综合感觉。如果白光中短波长的光能量较多则呈现偏蓝色调的“冷”白光，而长波长的光能量较多则呈现偏红橙色调的“热”白光。光的特性与度量7光谱颜色波长的范围颜色波长范围（nm）红620~780橙590~620黄560~590黄绿530~560绿500~530青470~500蓝430~470紫380~430光的特性与度量8光源◦热辐射体：光谱连续太阳辐射功率谱光的特性与度量9光源◦热辐射体：光谱连续◦非热辐射体：不以高温为发光基础，光谱不规则。Wavelength(nm)200280360440520600680760SpectralIrradiance光的特性与度量10黑体(blackbody,Kirchhoff1862)辐射◦理想物体,能吸收外来的全部电磁辐射◦辐射出的电磁波频率与能量完全取决于温度，由普朗克（Planck）辐射定律以及由其推导出的斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）描述◦随黑体温度升高，辐射功率谱向短波方向移动（Wien定律）◦700K(LordKelvin)以下全黑,700K以上红色→橙色→黄色→白色→蓝色光的特性与度量11普朗克曲线光的特性与度量125780K不同温度黑体辐射光谱光的特性与度量135780K黑体辐射光谱光的特性与度量14色温(colortemperature)：光源的属性，数值等于与光源同色度的黑体的温度。◦色温≠光源温度（通常：色温≤温度）◦光谱功率分布曲线不一定相同(同色异谱、相关色温)光源(相关)色温光源(相关)色温火柴1700K演播室照明3400K5600K蜡烛1850K月光4100K白炽灯2700–3300KCRT屏幕9300K光的特性与度量15光的特性与度量16标准光源：国际照明委员会(CIE)规定作为照明光源的标准。◦A(2854K)◦B(4800K)◦C(6770K)◦D65(6500K)◦等能白光E光的特性与度量17辐射测量是不限于可见光的辐射物理学参量的客观度量。光度测量是以对人产生“视感度”的可见光波段的辐射量主观度量。两种相应的参量都用同样的字母，只是用脚注加以区分：辐射用e，光度用v。光的特性与度量18辐射测量光度测量名称符号单位名称符号单位辐射能Qe焦耳(J)光量Qv流明·秒(lm·s)辐射通量Φe瓦特(W)光通量Φv流明(lm)辐射强度Ie瓦/球面度(W/sr)光强度Iv坎德拉(cd)流明/球面度(lm/sr)辐射照度Ee瓦/米2(W/m2)照度Ev勒克斯(lx)流明/米2(lm/m2)辐射亮度Le瓦/米2·球面度(W/m2·sr)亮度Lv坎德拉/米2(cd/m2)辐射测量与光度测量单位光的特性与度量19辐射测量光度测量辐射能RadiantEnergy光量LuminousEnergy辐射通量RadiantFlux光通量LuminousFlux辐射强度RadiantIntensity光强度LuminousIntensity辐射照度Irradiance照度Illuminance辐射亮度Radiance亮度Luminance光的特性与度量20人眼对不同波长光具有不同的亮度感。感觉最亮是黄绿色(555nm)，其次是紫、蓝、红。光谱光效率函数(specturalluminousefficiencyfunction)定义：设人眼对某辐射亮度为E0的555nm波长光的亮度感为L；对一个波长为λ的光,要感受到同样的亮度L所需的辐射亮度E(λ)按光照条件，视觉过程主要可以分为明视觉和暗视觉，相应有光谱光效率函数V(λ)和V’(λ)。E与E0的比例即为光效率：VE0光的特性与度量21(CIE,1951)光的特性与度量22光度学国际标准单位◦光强度IV：基本单位cd(Candela),定义为555nm光辐射强度为每球面度1/683瓦时的光强度。◦亮度LV：导出单位cd/m2。◦照度Ev：导出单位lx(Lux),1lx=1lm/m2780◦光通量ΦV：导出单位lm(Lumen),1lm=1cd·sr；假设光源波谱为Φe,总的光通量：v683eVd380光的特性与度量23光源的发光功效(LuminousEfficacy)与发光效率（LuminousEfficiency)◦发光功效=光通量/功率(lm/W)◦发光效率=发光功效/683光的特性与度量24光源发光功效发光效率蜡烛0.30.04%白炽灯152.2%荧光灯8012%高压钠蒸汽灯15022%日亚（nichia)白光LED(2009)24936%光的特性与度量25光的特性与度量输入电力100%发光再结合48%蓝色光10%黄色光22%光损失16%芯片内损失22%半导体内部阻抗30%热损失68%白色可见光32%26光的特性与度量2728光的特性与度量LEDlampsrequirelesspowertoemitlightthantheolderlightsouces.Efficiencyisdenotedinluminousflus(measuredinlumen)perunitaddedpower(meansuredinwatt).Asaboutonefourthofworldelectricityconsumptionisusedforlightingpurposes,thehighlyenergy-efficientLEDlampscontributetosavingtheEarth’sresources.TheNobelPrizeinPhysics2014fortheinventionofefficientbluelight-emittingenabledbrightdiodeswhichhasandenergy-savingwhitelightsources第二章光度学与色度学基础29•光的特性与度量•空间中的光•表面上的光•颜色感知与表示•表色系统空间中的光空间中的光30表面上的光亮度什么是光的(辐射)亮度?如何去度量?光和表面之间如何相互作用?辐射测量空间中的光31辐射亮度的测量W/m2·sr?空间中的光32空间中的光球面坐标与立体角笛卡尔坐标−球面坐标𝑟=𝑥2+𝑦2+𝑧2𝜃=acos(𝑧Τ𝑟)𝜑=atan2(𝑦,𝑥)𝑥=𝑟𝑠𝑖𝑛𝜃cos(𝜑)𝑦=𝑟𝑠𝑖𝑛𝜃sin(𝜑)𝑧=𝑟𝑐𝑜𝑠(𝜃)33空间中的光球面坐标与立体角光通常是从空间中某个特定角度范围照射到物体或者从光源辐射出去的弧度(radian)=dΦ/r34空间中的光球面坐标与立体角光通常是从空间中某个特定角度范围照射到物体或者从光源辐射出去的球面度(steradian)dω=dA/r235空间中的光球面坐标与立体角立体角ω和球面坐标𝜃,𝜑的关系𝑑𝐴=𝑟𝑑𝜃∗𝑟𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜑=𝑟2𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃𝑑𝜑𝑑𝐴𝑑𝜔==𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃𝑑𝜑𝑟236න𝑑𝜔=ඵ𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃𝑑𝜑=4𝜋光源投影缩减效应(Foreshortening)空间中的光37光源投影缩减效应(Foreshortening)空间中的光38空间中的光投影缩减面积(forshortenedarea)39空间中的光辐射能𝑸(RadiantEnergy):空间某个区域当中全部的光辐射能量,可以想象为光子数目的多少,单位是“焦耳”40空间中的光辐射通量𝝓(RadiantFlux):单位时间内通过某片区域(area)的辐射能，单位是“瓦特”𝜙=𝑑𝑄41𝑑𝑡空间中的光辐射照度𝑬(Irradiance):单位面积上的辐射通量，单位是“瓦特/平米”𝐸=𝑑𝜙42𝑑𝐴空间中的光光源43空间中的光辐射强度𝑰(RadiantIntensity):通过一个没有面积的点的辐射通量难以用照度描述，因此考虑一个立体角内的辐射通量，单位是“瓦特/球面度”𝐼=𝑑𝜙44𝑑𝜔空间中的光辐射亮度𝑳(Radiance):radiantfluxenteringorleavingasurfacepersolidangle,perunitforshortenedarea,单位“𝑊/(𝑠𝑟∙𝑚2)”45空间中的光辐射亮度𝑳强调是forshortenedarea,这和辐射照度有所不同𝐿(𝜔)=𝑑𝐼𝐸=𝑑𝜙𝑑𝐴=න𝐿𝜔𝑐𝑜𝑠𝜃𝑑𝜔Ω入射方向半球面积分𝐿(𝜔)=𝑑𝐴∙𝑐𝑜𝑠𝜃𝑑2𝜙46𝑑𝐴∙𝑐𝑜𝑠𝜃∙𝑑𝜔亮度(Luminance)光谱光效率函数辐射亮度(Radiance)空间中某点在某个指定方向上，单位时间内，单位面积上（垂直于指定方向），单位立体角内通过的能量。[Sillion,1994]空间中的光47第二章光度学与色度学基础48•光的特性与度量•空间中的光•表面上的光•颜色感知与表示•表色系统表面上的光?49?????光线入射到一个不发光表面之后会如何?◦一部分被吸收(转化成其他能量，例如：热、动能)◦一部分穿过了这个表面(折射)◦一部分被反射出来(多种反射方式)表面上的光50表面上的光51表面上的光52C.Wylie首次在显示物体时加入光照效果，认为物体表面某点的光强与该点到光源距离成反比(1967)；Bouknight基于Lambert漫反射定律，提出首个光反射模型，指出物体表面朝向是确定物体表面上一点光强的主要因素(Comm.ofACM,1970)；Gourand提出用漫反射模型计算多边形顶点的光亮度，再用增量法插值计算(IEEETrans.onComp.,1971)；Phong提出图形学中第一个有影响的光反射模型，进一步考虑高光和法向插值。Phong模型虽然只是一个经验模型，其真实度已达到可接受的程度(Comm.ofACM,1975)。镜面反射部分漫反射理想漫反射如何定量地描述光线在各个方向上的反射情况？ABC表面上的光53双向反射分布函数(bidirectionalreflectancedistributionfunction；BRDF)法线方向表面上的光给定一个入射方向和一个反射方向，入射光中的多大比例沿该反射方向反射。𝜌=𝛻𝐿𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑒54𝛻𝐸𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡(𝑠𝑟−1)法线方向表面上的光𝑑𝐸𝑖𝜌=𝑑𝐿𝑒=𝑑𝐿𝑒𝐿𝑖𝜔𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖𝑑𝜔55表面上的光BRDF的性质◦光路可逆性(reciprocity)：交换入射和出射