第一章 光度学基础

本章主要内容
• 光的基本属性：含义，传播，计 量 • 光的因素：光质，光位，光型， 光色，光强，光比，光束
• 彩色特性与三基色原理
• 色温与显色性
• 人眼视觉特性
什么是光？
• 光可分为可见光和不可见光。可见光即能为人 眼所感受并产生视觉效应的电磁辐射称为可见 光，不可见光是客观存在但人眼不能观察到的 光线。
光的属性：计量（光通量）
• 光通量：光源在单位 时间内通过某一面积 时的辐射光能量。
• 单位：流明（lm）， 符号：Φ。
• 1流明是指发光强度 • 球面积等于4πr2 为1坎德拉的点光源。 （π=3.14）所以1坎 在1个半径为1米的圆 德拉的点光源所发出 球中心，每秒钟发出 的总光通量为12.57 的光在通过球面1平 流明。 方米弧形面积或单位
光的属性：计量（照度）
• 照度：照度是景物被光源照明的程度。其大小用单位 面积上所得到的光通量来表示。 • 单位：勒克斯（lux或lx），符号：E。 • 1勒克斯表示1平方米面积上得到1流明光通量均匀的照 射。当光源发光强度不变时，垂直于光源方向的物体 平面的照度，跟到光源的距离平方成反比。 • 平方反比定律，只适用于点光源。
顶光/脚光
• 含义：被摄体顶部的光 • 含义：被摄体下方的光 线，高度超过60°以上。 线，光源低于视线。
• 特点：被摄体上亮下暗， • 特点：与顶光形成的照 即水平面亮度高于垂直 明效果相反，能造成人 面的亮度，反差较大， 物的阴险感，因此很少 可以产生浓重阴影。拍 用脚光作为人物拍摄的 摄人物时，头顶、额头、 照明光线。 鼻梁和颧骨发亮，而眼 窝、鼻下、嘴巴等会处 于阴影之中。
顺侧光（前侧光）/正侧光
• 含义：与被摄物的正前 方成45°角左右，常用 于拍摄人和物。 • 特点：投影落在物体的 斜后方，被摄体的受照 面明多暗少，被摄体的 立体感、空间感和质感 得以很好的表现，也形 成了丰富的影调层次。 • 含义：与被摄物的正前 方成90°角。
• 特点：使被摄物体出现 阴阳面：一面受光，另 一面阴暗，反差十分强 烈；物体有明显的横线 投影，有利于表现物体 的立体感和质感，一般 不宜拍摄人像。
• 光度学以人眼视觉效果为评价光学辐射的理论 体系称为光度学。 • 红、绿、蓝三种色光称为三基色。自然界一切 景物色彩的形成，都是由它们对这三种主要色 光的投射、反射和吸收地结果。彩色电视系统， 也是根据三基色光的机理而制成的电子系统。
光的基本属性：含义
• 光是一种电磁波。可见光指波长在380—780nm 范围能引起视觉的电磁波。
逆侧光（背侧光、侧逆光）/逆光 （背光、正逆光）
• 含义：与被摄物正前方 成135°角左右。
• 特点：使被摄物体的受 照表面明少暗多，而被 照射的一侧有一条明亮 的轮廓线，能把物体的 一侧轮廓勾划出来，具 有较强的立体感和纵深 感。
• 含义：与被摄物正前方 成180°角。
• 特点：被摄物正面完全 处于阴影中，物体边缘 形成明亮的轮廓线，使 物体与物体之间、物体 与背景之间分开，形成 一种空间透视效果，增 强立体感和纵深感。
(nm)
光的基本属性：含义
455
455492
492577
577-597
波长 （毫微米） 视觉颜色 390430 紫 430460 兰 460490 青 490550 绿 550590 黄 590620 橙 620760 红
597-622
622-780
光的基本属性：传播
• 基本属性：光和其他电磁波一样，在真空中约 以3×108m／s的速度沿直线传播。当光通过某 种介质(如空气)时，其传播速度会减小。当光 线从某种介质传播到具有不同折射率的另一种 介质时，介质的界面上光线会产生反射、折射、 散射。
光的属性：计量（发光效率）
• 发光效率 ：光源发出的光通量与其消耗的电 功率的比值，称为该光源的发光效率。
• 单位：流明/瓦（lm/w），符号：η。
光源 真空白炽灯 充气白炽灯 卤钨灯 日光灯 氙灯 镝灯 高压钠灯 发光效率(lm/W) 7-8 10-15 22-30 40-50 30-40 75-85 90-120
光的因素：光质
• 光质是指拍摄所用光 线的软硬性质。可分 为硬质光和软质光。
• 短光波随着纬度的增 加而减少，随着海拔 的增加而增加。 • 冬季长光波会增加， 而夏季短光波会增加。
• 一天中，中午短波多， 早晚长波多。
硬光（直射光）
• 含义：由光源直接照射到物体上的光，多见于强烈阳 光和聚光灯下。
• 优点：
– 具有明显的投射方向，便于造型和布光控制。
– 能在被摄体上构成明亮部分、阴暗部分及其投影。 – 较好表达被摄体线条轮廓、表面特征、立体感和质 感。 • 缺点： – 单一的硬光源照明，造型效果生硬，多光源时投影 处理不好容易出现光影混乱现象。 – 容易产生局部光斑，在明亮金属等反光率极高的物 体上产生的强光反射可能会超出摄像机的宽容度。
光的属性：计量（照度）
• 应用：对场景进行照度计算时，必须掌握两个 数据：
–光源发光强度。 –光源与被照射物体之间的距离。
• 举例：如一个发光强度为90000cd的5kW聚光灯， 在6m距离处照射一个被摄体，物体的照度是多 少？ –E=I/r2 =90000/6×6=2500（勒克斯）
光的属性：计量（照度）
• 缺点：
–发光面大，强度随距离增加而迅速衰减，不易控制。 – 不易显示被摄体的立形态、表面结构和质地。
硬光与柔光效果对比
混合光
• 在午间的室内，天花板上的钨丝灯泡亮着，而从窗口 射入自然光，指色温不同的光线相掺之俗称。
• 既具有硬光性质又具有软光性质的光线为混合光线。
光的因素：光位
• 光位即光线方向，指光源位臵与拍摄方向之间 所形成的光线照射角度光源与摄像机镜头的相 互位臵关系，它形成影响被摄对象一定造型效 果的光线角度(包括水平角与垂直角)。 • 光位是在确定的拍摄方向的条件下围绕着被摄 对象作不同位臵的照明而变化的。 • 在摄像的光线处理中，按水平方向分为：顺光、 斜侧光、侧光、侧逆光、逆光；按垂直方向分 为：顺顶光、顶光、顶逆光、脚光等。
水平/垂直光位
顺光（正面光、平光）
• 含义：光源从摄像机方 向照明物体即光线的投 射方向与摄像机的拍摄 方向一致的光线，又叫 “正面光”。
• 特点：顺光照明时被摄 体被均匀照射，在被摄 体上只能看到受光面， 没有阴影或阴影很少； 受光面照度均匀，画面 的明暗反差小，影调层 次细微，柔和。
• 特点：能掩饰皮肤皱纹 或物体表面的凹凸；顺 光拍摄能较好地表现被 摄体自身所固有的鲜明 色彩，并形成开阔朗的 气氛；画面较为平淡； 缺乏立体感、空间感和 透视感。
光的属性：计量（发光强度）
• 发光强度：光源发出的光的强弱，简称光强。 指光源在某一方向上单位面积内光通量的多少。
• 单位：坎德拉（cd），符号：I，I=Φ/Ω，Ω 表示立体角。 • 1坎德拉的定义：1967年第13届国际计量大会 规定，在铂的凝固点2042K或1690℃，气压为 101325牛/平方米，面积为1/6×105平方米的绝 对黑体,沿法线方向的发光强度为1坎德拉。
• 不发光物体在接受光线后表面呈现的明亮程度 也称为亮度。在电视拍摄时，主要指后者。 • 亮度有两类单位：
–单位面积上的发光强度来表示：尼特；1尼 特=1坎德拉/平方米
–单位面积上发出的光通量来表示：熙提；1 熙提=1流明/平方米 • 物体的亮度既与本身性质有关，也与光源的照 度有关。同一物体，照度越大，亮度越大；不
第一章 光度学基础
侯庆来
计算机科学与技术学院
说在前面
• 摄像用光是利用各种摄像照明器材进行人工照 明布光和利用不同光位的太阳光线进行采光的 总称。
• 摄像是用光造型的一门艺术。光不仅是将三维 空间的活动反映到二维电视屏幕上的重要物质 条件，而且也是塑造物体形象的基本造型因素。 • 光对摄像师来说，犹如一支神奇的画笔和五彩 续纷的颜料，他们按照摄像机的技术要求，用 光作画，用光造型。
柔光（散射光）
• 含义：日光被云层反射或被空间的微粒所散射后，照 射到物体上的光，多产生于阴天的天空光、泛光灯以 及漫反射光。 • 特点：
– 没有明显的投射方向，物体受光面大，易表现其细 腻的层次。
– 照明均匀，光调柔和，不产生明显的影子。
– 被摄体表面受光均匀，明暗对比度降低，容易控制 在摄像机的宽容度内。
• 吸收：光通过介质时，光能被介质部分吸收而 使透射光减弱的现象称为光的吸收。 • 散射：当空间中介质分布不均匀时，光的一部 分就会转向其他方向辐射，这种光的传播现象 称为光的散射。 • 干涉：从同一光源发出的两列光波，在它们交 叠的空间的某些地方，出现亮度的明暗变化或 者出现彩色的条纹，这种现象称为光的干涉。
几种光计量单位的比较
• 从不同角度表达了物体的光学特性
–光通量：指光源在单位时间内（秒）通过一 定面积时的辐射光能量，光源在单位时间 (1s)内通过某一面积时的光能，单位为流明 （lm）。光通量说明发光体发出的光线数量；
–发光强度：指光源在给定方向的单位立体角 上光通量的多少，单位为坎德拉（cd）。光 源发光的强弱程度。单位面积内光通量的多 少。发光强度是发光体在某个方向上发出的 光通量密度，它表明了光通量在空间的分布 情况。
环境 正午太阳直射光 晴天太阳不直射 阴天 阴暗天 黎明 拂晓 满月 晴天采光好的室内 工作场所必需的照度 照度 1-1.3×105 1-2×104 103 102 10 1 0.2 100-500 20-150
光的属性：计量（亮度）
• 亮度：用来说明物体表面发光的物理量。光学 中是指光源某一方向上单位面积上的发光强度。
光的属性：计量（亮度）
• 亮度的计算公式：B=P×E，P为物体的反射率，E为光 源照度。 • 一般P都小于1，物体的亮度始终不会比光源高。 光源 太阳 晴空 月亮 超高压气体放电灯 钨丝白炽灯 碳电弧（正极） 闪光灯 尼特 19×108 7.9×103 2.5×103 25×108 (5-15)×106 1.6×107 6.8×1010