光度学基础和反射理论
第一章 光度学基础

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。
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
–照度:指每单位面积所接收的光通量数,用 以描述被摄体受照表面被照的程度。单位为 勒克斯(lux)。光照度表示被照表面接受 的光通量密度,用来衡量被照面的照明情况;
–亮度:指物体发光或反光表面在人眼观察方 向的明亮程度,单位为坎德拉每平方米 (cd/m2)。光亮度则表示发光体单位表面 积上的发光强度,它表明了一个物体的明亮 程度。
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。
• 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
光学基础知识:光的反射、折射、衍射

光学基础知识:光的反射、折射、衍射光的传播可以归结为三个实验定律:直线传播定律、反射定律和折射定律。
【光的直线传播定律】:光在均匀介质中沿直线传播。
在非均匀介质种光线将因折射而弯曲,这种现象经常发生在大气中,比如海市蜃楼现象,就是由于光线在密度不均匀的大气中折射而引起的。
【费马定律】:当一束光线在真空或空气中传播时,由介质1投射到与介质2的分界面上时,在一般情况下将分解成两束光线:反射(reflection)光线和折射(refraction)光线。
光线的反射光线的反射取决于物体的表面性质。
如果物体表面(反射面)是均匀的,类似镜面一样(称为理想的反射面),那么就是全反射,将遵循下列的反射定律,也称“镜面反射”。
入射光线、反射光线和折射光线与界面法线在同一平面里,所形成的夹角分别称为入射角、反射角和折射角。
【反射定律】:反射角等于入射角。
i = i'对于理想的反射面而言,镜面表面亮度取决于视点,观察角度不同,表面亮度也不同。
当反射面不均匀时,将发生漫反射。
其特点是入射光线与反射光线不满足反射定律。
一个理想的漫射面将入射光线在各个方向做均匀反射,其亮度与视点无关,是个常量。
光线的折射一些透明/半透明物体允许光线全部/部分地穿透它们,这种光线称为透射光线。
当光线从一种介质(比如空气)以某个角度(垂直情形除外)入射到另外一种具有不同光学性质的介质(比如玻璃镜片)中时,其界面方向会改变,就是会产生光线的折射现象。
光的折射是由于光在不同介质的传播速度不同而引起的。
光线折射满足下列折射定律:入射角的正弦与折射角的正弦之比与两个角度无关,仅取决于两种不同介质的性质和光的波长,【折射定律】:n1 sin i = n2 sin r任何介质相对于真空的折射率,称为该介质的绝对折射率,简称折射率(Index of refraction)。
对于一般光学玻璃,可以近似地认为以空气的折射率来代替绝对折射率。
公式中n1和n2分别表示两种介质的折射率。
光度学单位的基础

照度E
被照面上单位面积S上接受的光通量. E= Φ/S 单位:勒克司(lx).即 1lx=1lm/1m2.
举例:
夏天的太阳下:80000-100000lx
满月下:2lx
办公室:500lx
车间一般照明:150-300lx 体育场(国际):垂直1200lx
居住小区最佳半柱面照度Esc:3~10lx
有多种照度的定义:
谢 谢
光度学的单位
普及内容
光度学
度量光的强弱(大小)和方向的一门科学. 基本单位: 光通量--------发光体的 发光强度-----发光体的 亮度------发光体 反射体----受照体照明后的反 射光 照度-----------受照体的
四个单位的图示:
光通量
光通量:看得见的 光辐射功率 单位:瓦
光通量的单位:流明(lm) 1W功率555nm的黄绿光发出的光通量是: 683 lm. 说明: 对人的眼睛555nm的黄绿光最敏感. 其它颜色的 光线的敏感度 低于555nm的 值. 有V(λ)曲线.
相同的功率(W),不同的光源得到的光通量 (Φ)是不同的: 400W高压钠灯48000lm----120lm/w 400W高压汞灯21600lm-----54lm/w 400W金卤灯38000lm------95lm/w 发光效率就能说明这个问题.
眩光的评价: 室内:不能有失能眩光,只有不舒适眩光,
有统一的眩光值UGR评价.
没有感觉-------可接受-------不能忍耐 10 19 ---22 30
室外:
一种两者兼顾的眩光评价指数GR: GR=27+24log(Lv/Lav 0.9) Lv:该方向的光幕亮度;Lav:该方向平均亮度. GR的值,有0---100, 感觉不到-------可接受------- 严重 小 <50 大
2.6光度学基础

5
3,发光强度
• 发光强度指光源在某方向目的单位立体角dΩ内 dv 发出的光通量dΦv ,即 Iv= 。 d • 发光强度是光度学基本量,也是国际单位制中 七个基本量(长度 m、 质量 kg、 时间 s 、电 流 A 、热力学温度 K 、发光强度 cd 、物质的 量 mol)之一。 • 发光强度的单位是坎德拉,单位符号cd。 • 加反光装置可增加某一方向上的发光强度。
• 光亮度表示光源单位面积上向某方向的发光强度。单位 是cd/m2 。 • 亮度反应了眼睛对物体表面反射光的强弱感觉。
11
常见物体的亮度
12
6、反射比与反射光能损失
• 光垂直照射到两种介质的光滑界面时,在发生折射的同时 ,会须一小部分反射回原介质。没通过界面的反射光,形 成光能损失。 • 反射的光通量与入射的光通量之比称为反射比。
各种场所照度标准参考表——医院
照度(lux) 10000~ 5000 1500~750 场所 视机能检查(眼科明室) 开刀房
750~300
诊疗室,治疗室,制药室,配药室,药局室,解剖室,病理细菌室,急 救室,产房,
院长室,办公室,护士室,会议室
300~150
病房,药品室,病床看书,换药,骨折石膏包扎,婴房,记录室,候诊 室,会诊室
24
25
n n 用ρ表示,ρ= n ' n 反射光能损失与界面两侧的介质 折射率有关。 • 在镜片加工工艺中,通过在镜片的表面镀防反膜,即增透 膜,来降低反射损失。
'
2
13
7,光度学与视觉
7.1光强度与视力
光强度一定时,不同人的视力感觉不同。
14
7.2光照度与视力
• 改善照度的均匀和强弱,能有 效预防和克服视疲劳,降低屈 光不正的发生率。
光度学基础

光 通 量 损 失 :F=(1 )F0
19
d1
d2
dA1
dA2
r
dF1
L1
cosq1dA1d1
L1
cosq1dA1
dA2
cosq2
r2
dF 2
L2
cos q 2 dA2 d 2
L2
cosq2dA2
dA1
cosq1
r2
dF1 dF 2
L1 L2
结论 光在元光管内传播,光束亮度不变
光度学基础
12
四、光束经界面反射和折射后的亮度
dF Lcosi d dA
L sin2 U=
n' 2 n2
L sin2 U
( dA 1
dA' 2
= y' = n sinU )
y n' sinU'
16
二、轴外像点的光照度
出瞳
EM'
n' 2 n2
L
sin
2
U
' M
D’
w’ w’
光度学基础
M’
像面 U’
A’
当UM’ 较小时:
l0’
sinU
' M
tgU
'=
M
D' 2
cos w'
5
二、光学量
光度学基础
1、光通量Fv
流 [明](lm)
标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量。
2、光出射度Mv
流 [明]每平方米(lm/m2)
光源单位发光面积发出的光通量——光源的光出
射度
Mv
dF v dA
3、光照度Ev 勒 [克斯](lx) 1lx=1lm/m2
光度学基础

光度学基础光度学是研究光的流动和光能的传播的科学,也是物理学的一个分支。
它研究光的性质、光的产生、传播、相互作用以及光与物质之间的相互作用等方面的内容。
在光度学中,我们关注的是光的强度、光的波长、光的频率以及光的速度等基本特性。
光的强度是指光的能量在单位时间内通过单位面积的流量,也就是单位时间内光通过的功率。
在国际单位制中,光的强度的单位是瓦特/平方米(W/m²)。
光的强度是光度学中最基本的量度,它可以用来描述光源的亮度。
当光的强度增大时,我们感觉到的亮度也会增加。
光的波长是指光波在传播过程中一个完整波动所需的距离。
在光度学中,我们常用纳米米(nm)来表示光的波长。
不同波长的光会引起不同的视觉效果,例如红光的波长较长,而紫光的波长较短。
光的波长还与光的颜色有关,我们常见的七彩光谱就是由不同波长的光组成的。
光的频率是指单位时间内光波的震动次数。
光的频率与光的波长有关系,它们之间的关系可以用光速来计算。
光速是光在真空中传播的速度,它是一个常数,约为每秒30万公里。
光的频率和波长满足一个简单的关系,即频率乘以波长等于光速。
因此,当光的波长变长时,光的频率会相应变小。
光的速度是光度学中非常重要的一个特性。
光的速度是自然界中最快的速度,它在真空中的数值约为每秒30万公里。
光的速度在不同介质中会发生变化,通常情况下,光在介质中的传播速度会比在真空中的传播速度慢。
这是因为光在介质中会与介质中的原子或分子相互作用,导致传播速度减小。
除了以上几个基本特性外,光度学还研究光与物质之间的相互作用。
光与物质之间的相互作用可以分为吸收、反射、折射和散射等几种形式。
当光通过物质时,物质会吸收光的能量,这就是光的吸收现象。
当光遇到物体表面时,一部分光会被物体表面反射回来,这就是光的反射现象。
当光从一种介质传播到另一种介质时,光的传播方向会发生改变,这就是光的折射现象。
当光通过物质时,光与物质中的微粒相互作用,导致光的传播方向发生随机改变,这就是光的散射现象。
光度学,色度学基础知识

光度学基本知识
即得
I cosα I ' cosα ' + 2 R R '2 4 I = 60cd , cosα = ; I ' = 48cd 6 12 cosα ' = 122 + 62 − 42 E=
(
R = 6, R' = 122 + 62 − 42
(
)
)
最后得
60 × 4 48 × 12 E= + = 1.385lx 3 3 6 164
其中 :[C]——某一特定颜色 , 即被匹配的颜色 ; [R]、[G] 、[B]——红、绿、蓝三原色 ; r 、 g 、 b ——红、绿、蓝二原色的比例系数 , 以表示相对刺激量 ; ≡——表示匹配关系 , 即在视觉上颜色相同 , 而不是指能量或光谱成分相同
三原色系数相加等于 1, 即 r+g+b=1
饱和度= 单色光流明数/(单色光流明数+白光流明数)
明度 用它来标志颜色的明亮程度。用颜色的总流明数表示。 色调和饱和度合称色品,是颜色的色度学特征;亮度是颜色的光度学 特征。色调、饱和度和明度这三个感觉量一起决定了颜色的特征。
色度学基本知识
四、表色系统
表色系统可分为两大类。一类是以彩色的三个特性为依据 , 即按色 调、明度和饱和度来分类 ; 另一类是以三原色说为依据 , 即任一给定 的颜色可以用三种原色按一定比例混合而成。在此 , 简单介绍一下后 一类表色系统——三色分类系统。该系统是以进行光的等色实验结果 为依据、由三刺激表示的体系。用的最广泛的是 CIE 表色系统。 视觉器官对剌激具有特殊的综合能力 , 即无论受单一波长的单色光刺 激还是受一束包含各种波长的复合光剌激 , 眼睛都只产生一种颜色感 受。研究证明 , 光谱的全部颜色可用红、绿、蓝三种光谱波长的光按 不同比例混合而成。用不同比例的上述三种原色相加混合成一种颜 色 , 用颜色方程可表达为 [C]≡r[R]+g[G]+b[B]
反射 原理

反射原理一、反射的物理基础反射是物理学中的一个基本概念,涉及到光、声、电等不同领域。
在光学中,当光遇到不同介质(如空气、水、玻璃等)的分界面时,会因为速度的突然变化而发生反射或折射现象。
反射的本质是光波在物质表面发生能量交换,部分能量被反射回来,部分能量则继续传播。
1.波动性与粒子性:光既具有波动性,又具有粒子性。
在反射过程中,光的波动性表现为电磁波的传播和干涉、衍射等现象;光的粒子性则表现为能量交换和光子数量的减少。
2.能量守恒与半波损失:反射过程中能量是守恒的,即入射光的能量等于反射光和折射光的总能量。
但在某些特殊情况下,可能会发生半波损失,即光在界面处传播时,相位突然改变π。
3.费马原理与斯涅尔定律:费马原理指出光线在两点间传播时,总是沿着所需时间为极值的路径传播,这个极值可以是极大值、极小值或恒定值。
根据这一原理,可以推导出反射角等于入射角(斯涅尔定律)和折射定律等基本光学规律。
二、反射的类型与表现根据不同的分类标准,可以将反射分为多种类型。
1.镜面反射与漫反射:根据反射面的平滑程度,可以将反射分为镜面反射和漫反射。
镜面反射是指光线照射到平滑表面时发生的反射,此时反射光线与入射光线平行且方向一致;漫反射则是由于表面粗糙不平,导致反射光线向各个方向散射。
2.规则反射与不规则反射:根据物体表面反射特性的规律性,可以将反射分为规则反射和不规则反射。
规则反射是指物体表面具有恒定的反射比率和方向,如镜子、金属表面等;不规则反射则是指物体表面反射比率和方向随观察角度和光照条件的变化而变化,如生物体表面、粗糙墙面等。
3.单次反射与多次反射:根据光在物体表面发生的反射次数,可以将反射分为单次反射和多次反射。
单次反射是指光在物体表面只发生一次反射,即直接返回光源方向;多次反射则是指光在物体表面多次发生反射,可以在物体内部形成复杂的传播路径。
三、反射系数与边界条件在光学中,反射系数用于描述物体表面反射能力的大小,通常用百分比表示。
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光度学基础和反射
理论——Photometry principle & Reflection theory
简介
光度学是1760年由朗伯建立的,且定义了光通量、发光强度、照度、亮度等主要光学光度学参量,并用数学阐明了它们之间的关系和光度学几个重要定律,如照度的叠加性定律、距离平方比定律、照度的余弦定律等,这些定律一直沿用至今,实践已证明是正确的。
在可见光波段内,考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学。
▪
参量定义
光度学(Photometry )的核心定义是光通量Φ,单位是流明,可以理解为光能的功率。
其他定义与其的关系如下:
光通量Φ 单位
lm
发光强度I 单位lm/sr
I=d Φ/d ω= r 2*d Φ/(cos θ*d A)辅照度E 单位lm/m 2
E= d Φ/*d A
其中d ω=cos θ*d A/r 2辅射度L
单位lm/(sr*m 2)
L= d 2Φ/(cos θ*d A*d ω)
单位方向角内的光通量=单位圆上
单位透视缩小面积上的光通量
单位面积接受的光通量
单位透视缩小面积单位辐射角接受
/发出的光通量
BRDF=L/E
dI=r 2Ld ω
▪双向反射分布函数
BRDF被定义为物体表面处辐射度和辐照度的比值(单位sr-1):
f(x,ωi,ωo)=L0(x,ωo)
E i(x,ωi)
=
L0(x,ωo)
d∅
dA
=
L0(x,ωo)
I i(x,ωi)
dω
dA
=
L0(x,ωo)
I i(x,ωi)cosθi/r2
整理后得到点光源情况下辐射度的公式:
L0(x,ωo)=I i(x,ωi)cosθi f(x,ωi,ωo)
r2
因:dI i(x,ωi)=r2L i(x,ωi)dω带入上式,得到光源不是点光源情况下,如光源区域在Ω内,辐射度的公式:
L0(x,ωo)=∫L i(x,ωi)cosθi f(x,ωi,ωo)dω
Ω
▪典型反射模型
Lambert:f(x,ωi,ωo)=const
I0=kI i〈l,n〉——l:light norm,n:surface norm 描述:理想漫反射模型
Lommel-Seelinger:f(x,ωi,ωo)=const
一般p(α)=1
——μ0=cosϖi,μ=cosϖo,ϖ:single scattering albedo单次照射散射率描述:月球天体模型
Lunar-Lambert:
描述:月球天体模型
Phong:I0=k a I a+k d I i〈l,n〉+k s I i〈r,v〉s
——r:perfect ref norm,v:view norm,
——I a:envirument light,s:surface smoothness 描述:漫反射与镜面反射综合模型
Oren–Nayar
The surface roughness model used in the derivation of the Oren-Nayar model is the microfacet model, proposed by Torrance and Sparrow,[2] which assumes the surface to be composed of long symmetric V-cavities. Each cavity consists of two planar facets. The roughness of the surface is specified using a probability function for the distribution of facet slopes. In particular, the Gaussian distribution is often
used, and thus the variance of the Gaussian distribution, , is a measure of the roughness of the surfaces. The standard deviation of the facet slopes (gradient of the surface elevation), ranges in .
In the Oren–Nayar reflectance model, each facet is assumed to be Lambertian in reflectance. As shown in the image at right, given the radiance of the incoming light
, the radiance of the reflected light , according to the Oren-Nayar model, is
Where
and is the albedo of the surface, and is the roughness of the surface. In the case of (i.e., all facets in the same plane), we have , and , and thus the Oren-Nayar model simplifies to the Lambertian model:
Minnaert function
From Wikipedia, the free encyclopedia
The Minnaert function is a photometric function used to interpret astronomical observations [1][2] and remote sensing data for the Earth.[3] This function expresses the radiance factor (RADF) as a function the phase angle () and the photometric latitude () and the photometric longitude ().
where is the Minnaert albedo, is an empirical parameter, is the
scattered radiance in the direction , ,is the incident radiance, and
The phase angle is the angle between the light source and the observer with the object as the center.
The assumptions made are:
the surface is illuminated by a distant point source.
the surface is isotropic and flat.
Minnaert's contribution is the introduction of the parameter , having a value between 0 and 1,[4] originally for a better interpretation of observations of the Moon. In remote sensing the use of this function is referred to as Minnaert topographic correction, a necessity when interpreting images of rough terrain.
参考文献:
[1]. 维基百科:/wiki/光度学
[2]. 维基百科:/wiki/Oren–Nayar_reflectance_model
[3]. 维基百科:/wiki/Phong_reflection_model
[4]. 维基百科:
/wiki/Bidirectional_reflectance_distribution_function
[5]. 维基百科:/wiki/Minnaert_function
[6]. http://space.unibe.ch/staff/thomas/07_Photometry_Rev.pdf
[7]. http://www.astro.uvic.ca/~tatum/plphot/plphot03.pdf,Chapter 3. A Brief History of the Lommel-Seeliger Law.
[8].郑作勇, 基于图像的带高光物体的形状和反射属性建模技术研究, 2009, 上海交通大学.
[9].杨磊, 韩九强, 王国珲,基于Shape - from - Shading 的月球表面三维形状
恢复算法研究,宇航学报,2008.11,29(6),1995~2000
[10].Maxwell B.Fairbairn,Planetary Photometry:The Lommel-Seeliger Law,The Royal Astronomical Society of Canada,NASA Astrophysics Data System。