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光通量、光强和照度

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2022/03/18

光学单位

控制曝光,本质是在空间和时间上控制环境光照抵达传感器的量。
没有环境光照,那一切都白谈,那我们不妨来了解一下关于环境光照(Scene Illumination)的一些基础概念,这些概念并不需要死记硬背,但需要理解。
理解了这些概念,就像“打通任督二脉”,知道为什么,就能在各种环境下去指导你怎么做,光看那些 xx 老师教你拍 ABC 题材、DEF 场景参数应该怎么设置,是没有办法通用的。
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今晚的故事从一根蜡烛开始。
假设在一个全黑的环境里,你只有一支蜡烛——它在安静地燃烧,同时放出大量的热(部分以红外线的形式)、可见光,但是影响我们对它亮度感知的,只有可见光波段的强度。
这支蜡烛在可见光波段的光照强度(intensity)是 1 cd 左右。
cd 是坎德拉(Candela),这个词来自拉丁语的蜡烛,它是国际标准单位制(SI Unit)里发光强度单位。
蜡烛的光向着四面八方传播,从这个光源“流”出的光的量,我们称之为光通量(Luminous Flux),它的单位是流明(Lumen,lm),它的定义是,每单位时间(每秒)内从单位亮度(每坎德拉)光源里放出的,经过每球面度的光。
一个球体的表面积一共有 4π 球面度,因此一支 1cd 的蜡烛一共可以提供 4π 流明的光通量。
假如你用一张完美的黑纸挡掉了蜡烛的一半,那么这个时候环境里只剩下 6 流明的光通量,但光源本身的强度保持 1cd 不变。
你可能注意到了,流明并没有把距离光源的距离考虑进去,距离光源越近,每球面度的实际面积越小,实际上能量是更集中的,那么要描述这个概念,我们要引入“照度”(Illuminance),单位是勒克斯,勒克斯(Lux,lx)。
1 勒克斯是当每单位面积(1 平方米)受到每单位光通量(1 流明)时的照度,根据定义,1lux 即当光源强度为 1cd 时,距离光源 1m 的照度。
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点光源、球体面积、半径,看到这些词,数学好的同学现在已经要抢答了:平方反比定律
如上图所示,同样强度的光源,随着离光源的距离增加,尽管流明数不变,但是照度一直都在减小。
接下来,我们终于可以谈论亮度了——Luminance,或者有时也被称为 Brightness。
亮度和照度的本质区别,就是照度反映的是在某个距离上单位面积的光通量、但亮度是指发光体(反光体)表面发光(反光)强弱的物理量。
除了光源的特性,还有物体表面的反射特性、甚至你对场景的观看角度,都会改变这个场景的亮度。
亮度的单位是坎德拉/平方米(cd/(m^2)),在显示器行业,亮度一般用 nit(尼特)来描述,nit 的单位也是坎德拉/平方米(cd/(m^2))。
场景光照是整个摄影流程中唯一能对光“做加法”的步骤,此后的光圈、快门时间,本质都是在对光“做减法”。

UE里的光照单位换算

各种单位之间的关系如下所示:

  • 1 cd=625个无单位
  • 1 cd=1 lm/sr

请注意,光源强度用 烛光 定义时,不受椎角的影响。另一方面,光源强度用 流明 定义时,发光能力仅应用于受光源影响的立体角,用 球面度(sr)计算。
对于 点光源,受光源影响的立体角为4π sr:

  • 照度(1 lm)≈49.7 * 照度(1个无单位)
  • 照度(1 cd)≈12.6 * 照度(1 lm)

对于 点光源,立体角定义为2π * (1 - cos(θ)),其中θ是光锥半角:

  • 照度(1 lm)≈99.5 / (1 - cos(θ)) * 照度(1个无单位)

对于默认椎体,θ = 44°,立体角大约为1.76 sr:

  • 照度(1 lm)≈354 * 照度(1个无单位),针对默认聚光源。
  • 照度(1 cd)≈1.76 * 照度(1 lm),针对默认聚光源。

如果以流明表示光源强度,则椎角越小,来自光源的表面照度越强。
对于 矩形光源,立体角定义为2π sr:

  • 照度(1 lm)≈199 * 照度(1个无单位)
  • 照度(1 cd)≈3.14 * 照度(1 lm)

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