(完整版)光度学与色度学基础.ppt

1、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Photometry and Colorimetry2 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、2.13.1 Computer Vision a modern approach2.12.22.3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(Electromagnetic radiation,EMR)。对于波长 的辐射，强度用R()表示，以瓦(watts)为单位。光场(Light Field)：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 380780nm，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

3、黄绿光。复合光：两种以上波长成分。380780nm 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620780橙590620黄560590黄绿530560绿500530青470500蓝430470紫380430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)200 280 360 440 520 600 680 760Spectral

4、 Irradiance光的特性与度量10黑体(black body,Kirchhoff 1862)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-Boltzmann law）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(Lord Kelvin)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(color temper

5、ature)：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1700 K演播室照明3400 K5600K蜡烛1850 K月光4100 K白炽灯2700 3300 KCRT 屏幕9300 K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(2854 K)B (4800 K)C(6770 K)D65(6500 K)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

6、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Q e焦 耳(J)光量Q v流明 秒(lms)辐射通量e瓦特(W)光通量v流明(lm)辐射强度I e瓦/球面度(W/sr)光强度I v坎德拉(cd)流明/球面度(lm/sr)辐射照度E e瓦/米 2 (W/m2)照度E v勒克斯(lx)流明/米2(lm /m2 )辐射亮度L e瓦/米2 球面度(W/m2 sr)亮度L v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Ra

7、diant Energy光量Luminous Energy辐射通量Radiant Flux光通量Luminous Flux辐射强度Radiant Intensity光强度Luminous Intensity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；对一个波长为的 光,要感受到同样的

8、亮度L所需的辐射亮度E()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()和V()。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V：导出单位 lm(Lumen),1lm=1cdsr；假设光源波谱为e,总的光通量：v 683 e V d380光的特性与度量23光源的发光功效(Lumino

9、us Efficacy)与发 光效率（Luminous Efficiency)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LED lamps require less power to emit l

10、ight than the older light souces.Efficiency is denoted in luminous flus(measured in lumen)per unit added power(meansured in watt).As about one fourth of world electricity consumption is used for lighting purposes,the highly energy-efficient LED lamps contribute to saving the Earths resources.The Nob

11、el Prize in Physics 2014for the invention of efficient bluelight-emittingenabledbrightdiodeswhichhas andenergy-savingwhite light sources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 =2+2

12、+2 =acos()=atan2(,)=cos()=sin()=()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)=d/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)d=dA/r235空间中的光球 面 坐 标 与 立 体 角 立体角 和球面坐标,的关系 =2 =236 =4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

13、缩 减 面 积(forshortened area)39空间中的光 辐射能 (Radiant Energy):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 (Radiant Flux):单位时间内通过某片 区域(area)的辐射能，单位是“瓦特”=41 空间中的光 辐射照度 (Irradiance):单位面积上的辐射通量，单位是“瓦特/平米”=42 空间中的光光 源43空间中的光 辐射强度 (Radiant Intensity):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”=4

14、4 空间中的光 辐射亮度 (Radiance):radiant flux entering or leaving a surface per solid angle,per unit forshortened area,单 位“/(2)”45空间中的光 辐射亮度 强调是forshortenedarea,这和辐射照度有所不同()=入射方向半球面积分()=246 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

15、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.of ACM,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

16、算(IEEE Trans.on Comp.,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.of ACM,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(bidirectional reflectance distribution function；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。=54 (1)法线方向表面上的光 =55表面上的光BRDF 的性质光路可逆性(reciprocity)：交换入射和出射角 度不会改变 BRDF 的值 ,=,能量守恒：出射总能量不会超过入射总能量 156表面上的光 BRDF 应用于渲染 =rendering equation57表面上的光Some visualized BRDF58漫反射(diffuse reflection)没有光泽的粗糙的表面，例如粉笔等微表面将入射光分散反射出去完全