光度学与色度学基础

1 视听信息系统导论 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 2 第二章光度学与色度学基础 PhotometryandColorimetry 3 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 4 第二章光度学与色度学基础 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 5 第二章光度学与色度学基础 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 6 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 的辐射 强度用R 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 7 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 8 光谱颜色波长的范围 光的特性与度量 9 光源热辐射体 光谱连续太阳辐射功率谱 光的特性与度量 10 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 200280360440520600 680760 SpectralIrradiance 光的特性与度量 11 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 12 普朗克曲线 光的特性与度量 13 5780K 不同温度黑体辐射光谱 光的特性与度量 14 5780K黑体辐射光谱 光的特性与度量 15 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 光的特性与度量 16 光的特性与度量 17 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 18 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 19 辐射测量与光度测量单位 光的特性与度量 20 光的特性与度量 21 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 22 CIE 1951 光的特性与度量 23 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 m2 780 光通量 V 导出单位lm Lumen 1lm 1cd sr 假设光源波谱为 e 总的光通量 v 683 e V d 380 光的特性与度量 24 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 25 光的特性与度量 26 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 27 光的特性与度量 28 光的特性与度量 LEDlampsrequirelesspowertoemitlightthantheolderlightsouces Efficiencyisdenotedinluminousflus measuredinlumen perunitaddedpower meansuredinwatt Asaboutonefourthofworldelectricityconsumptionisusedforlightingpurposes thehighlyenergy efficientLEDlampscontributetosavingtheEarth sresources TheNobelPrizeinPhysics2014 fortheinventionofefficientblue light emitting enabledbright diodeswhichhasand energy saving whitelightsources 29 第二章光度学与色度学基础 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 30 空间中的光 空间中的光 表面上的光 亮度 31 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 32 辐射亮度的测量W m2 sr 空间中的光 33 空间中的光 球面坐标与立体角 笛卡尔坐标球面坐标 2 2 2 acos atan2 cos sin 34 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 r 35 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 r2 36 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 2 4 37 光源 投影缩减效应 Foreshortening 空间中的光 38 光源 投影缩减效应 Foreshortening 空间中的光 39 空间中的光 投影缩减面积 forshortenedarea 40 空间中的光 辐射能 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 41 空间中的光 辐射通量 RadiantFlux 单位时间内通过某片区域 area 的辐射能 单位是 瓦特 42 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 43 空间中的光 光源 44 空间中的光 辐射强度 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 45 空间中的光 辐射亮度 Radiance radiantfluxenteringorleavingasurfacepersolidangle perunitforshortenedarea 单位 2 46 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 2 47 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 48 第二章光度学与色度学基础 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 49 表面上的光 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 50 表面上的光 51 表面上的光 52 表面上的光 C 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 53 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 54 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 1 55 法线方向 表面上的光 56 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 1 57 表面上的光 BRDF应用于渲染 renderingequation 58 表面上的光 SomevisualizedBRDF 59 漫反射 diffusereflection 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漫反射 光线均匀的向各方向反射 表面上的光 60 理想漫反射表面 Lambertiansurface 反射辐射亮度同观察角度无关辐射亮度和入射光的角度相关计算机视觉中最为常用的模型 J H Lambert 1760 表面上的光 61 L N V 单位向量Lr 反射辐射亮度Li 入射辐射亮度 Lambert sLaw Lr kdLiN Lkd 漫反射系数 albedo 表面上的光 理想漫反射表面的BRDF 1 computervision 2 3 3 62 镜面反射 specularreflection 理想的镜面 反射光从单一方向射出 近似理想的镜面 反射光围绕R形成高亮区 LiifV R 0otherwise Lr i n s r s L k V R L 表面上的光 63 移动入射光位置 改变ns 表面上的光 64 s n s id k N L k V R L kLL r 表面上的光 Phong反射模型 B T Phong 1975 反射由三个部分共同组成 漫射项 diffuse 反射项 specular 环境项 ambient 65 表面上的光 Intryingtoimprovethequalityofthe syntheticimages wedonot displaytheobject expectexactly tobeasit abletowould appearinreality overcastshadows withhope texture onlyto displayanimage etc Wethat approximates the providea realobjectcloselyenoughtocertaindegreeofrealism B T Phong 1975 66 表面上的光 Cook Torrance模型 SIGGRAPH1981 Oren Nayar模型 SIGGRAPH1994 Walter模型 ESG2007 67 表面上的光 Cook Torrance模型 SIGGRAPH1981 HLVD H 微表面法线分布函数 即朝向为h的微表面比例阴影掩蔽折射 G L V 几何衰减因子函数 光线可以从L入射反射到V的比例F L H 菲涅尔方程 光线中被反射而非折射部分的比例 L V F L H G L V D H 4cos i cos e RobertL Cook KennethE Torrance AReflectanceModelforComputerGraphics Proceedingsof ShItGtGpRsA P H 68 BRDF的测量 反射计 Gonioreflectometer 由可移动的光源和摄像头组成 Stanfordlightfieldgant 表面上的光 69 BRDF的测量 表面上的光 LightStage Debevec 2000 70 Columbia UtrechtReflectanceandTextureDatabaseDatabase 表面上的光 71 MERFBRDFDatabase 表面上的光 72 第二章光度学与色度学基础 光的特性与度量空间中的光表面上的光颜色感知与混色表色系统 73 颜色视觉的机理三原色学说 Young Helmholtz 1860 眼睛有感受R G B光的三类感光组织 部分证实 对立颜色学说 Hering 1878 视网膜上存在红 绿 黄 蓝 黑 白三种感觉物质 它们的响应 同化与异化的程度 决定色度 阶段学说 VosandWalraven 1971 视觉细胞阶段符合三色理论 视觉中枢的阶段符合对立色理论 颜色感知与混色 74 颜色感知与混色 BlueandBlack WhiteandGolden 75 颜色感知与混色 彩色参量 亮度 value 色调 hue 饱和度 saturation 色调变化 人感知颜色的色调会随光强度变化 Bezold Br ckeShift 1874 不变点572nm 503nm 478nm除外 视网膜光刺激强度 76 波长的分辨 Wright Pitt 1934 蓝和红色波长变化分辨差 青色和黄色区特别好 其中最敏感波长 觉察1nm变化 494nm 青色 585nm 黄色 颜色感知与混色 77 光谱饱和度等级 Martin Warburton Morgan 1932 可分辨的饱和度等级 最不敏感是黄色的饱和度可区分4级 而对红色的饱和度则多达25级 颜色感知与混色 78 心理物理色 用抽象的色刺激函数来确定 不分光源色还是不发光的物体色 色度学中的方法 感知色 基于物体的色外观 是心理印象 主观感觉 包含物体表面质感 距离感 周围环境等感知因素 孔径色 是通过小孔看到的色 视野限制在2 或10 周围为黑暗状态 物体色 属于物体本身并被感知的颜色 分光源发出的光源色和不发光色 表面色 透过色 色彩 心理物理色 感知色 孔径色物体色 不发光色光源色 表面色透过色 颜色感知与混色 79 记忆色 对日常物体会记忆其特有颜色 例如天空 草地 皮肤 一般亮度和饱和度高于实际色 主观色 Fechner色 高速旋转 5 10圈 每秒 有特殊黑白图案的Benham圆盘 可以看到饱和度很低的不同色环 可能是由于在视网膜上三基色的色过渡时间特性和空间特性不同 黑白图案通过空间和时间上的同时调制 通过条纹图形和旋转 才显现出了彩色 颜色感知与混色 80 色匹配方法 Hunt 1987 三基色原理 任意色刺激都可以用等于三种感光组织响应量的三种色光的混色来与其匹配 主观上形成等色 白色标准 纯硫酸钡粉压成的片 光吸收率约2 且在可见光范围与波长无关 也可以使用氧化镁的烟熏面 颜色感知与混色 81 相加混色 additivecolormodel CIE三基色光 水银光谱R 700nmG 546 1nmB 435 8nm 混色方法有时间混色 视觉惰性 空间混色 视觉锐度 生理混色 双目视融合 用配色方程表示 F R R G G B B 式中 是三基色单位 前的是三色系数 E白的方程 F 1 R 1 G 1 B 颜色感知与混色 82 相减混色 subtractivecolormodel 混色分量通过从照明光谱中吸收一定的光谱范围 其三基色C M Y 分别是R G B的补色 电影 幻灯 绘画和印刷等都是利用相减混色 颜色感知与混色 颜色的表示与混合83 L D Hauron 1877 84 颜色感知与混色 1902 85 色匹配公理 Grassmann sLaw 1853 任何色都可以用不多于三个基色配得 基色相互独立但是不唯一 在一个辐射级上的色匹配结果可以在相当宽的辐射通量范围内保持不变 人眼不能分解混合色光的各个分量 混合色的光亮度等于各分量光的亮度和 色光匹配满足加法律 减法律 转移律等 颜色感知与混色 86 第二章光度学与色度学基础 光的特性与度量空间中的光表面上的光颜色感知与混色表色系统 87 表色系统 显色 减色 表色系统以标准物体的色外观为基础色进行目视比色构建的表色系统 基于心理主观感觉 如 修正 Munsell表色系 Ostwald表色系 HSV HLS和HIS表色系等 混色表色系统基于心理感觉与物理量的对应关系构建 如 CIE RGB表色系 CIE XYZ表色系 CIE1960 CIE1964 CIE1976等 88 修正Munsell表色系色相 H 把一周均分成五种主色调 R Y G B P 和五种中间色 YR GY BG PB RP 相邻的两个位置之间再均分10份 共100份 亮度 V 从黑色到白色 0 10色度 C 从0开始增加 普通颜色在10左右 某些反光材料可以到30 色表示形式 HV C 例如5Y9 14的黄色 白基准为MgO烟着面 反射率 Y 定为100 表色系统中数值V与Y的关系叫亮度函数 Y 1 2219V 0 23111V2 0 2395V3 0 021009V4 0 0008404V5 美国光学学会 表色系统 89 表色系统 90 Munsell表色系色相图 表色系统 表色系统91 Munsell表色系三维示意图 CIE RGB表色系1931水银光谱中特定波长作为三基色 R 700nmG 546 1nmB 435 8nm 等能白光E白作为白色基准 任意颜色F R R G G B B FE白 1 R 1 G 1 B 配出等能白光的三基色光通量之比为 R G B 1 4 5907 0 0601 色系数 表色系统 92 分布色系数 colormatchingfunction 匹配单波长 光的色系数 b r g 表色系统 93 对于功率谱为 的光 其色系数为 780 380 G 780 g d B 780 b d 380380 r d R 表色系统 色度坐标 chromaticitycoordinate r g b F R G B r R g G b B 色度坐标 r g b 1 r g 光通量 F 1R 4 5907G 0 0601B lm R g Gr BR G BR G B R G B r b 94 彩色立体空间和Maxwell三角形基色单位构成三维彩色立体空间彩色表示为原点出发的向量 向量的方向表示色度 长度表示饱和度 Maxwell三角形位于r g b 1的色度图平面上 表色系统 95 Maxwell 181 表色系统 96 RGB色度图 chromaticitydiagram 色度图平面向 R G 平面投影 单波长光谱色的色度坐标形成光谱轨迹 spectrumlocus Maxwell三角形的投影称为相加混色区 540 690nm成直线 线上谱色可由两端点光混配出 连接 R B 的紫色线上是由红和蓝混配的非谱色 表色系统 97 Y Z CIE RGB1931色度图 R X G B 表色系统 98 CIE XYZ表色系1931 三基色 X Y Z 为虚基色单位 等能白光E白作为白色基准 F X X Y Y Z Z 仿照CIE RGB定义色系数 X Y Z 0 分布色系数以及色度坐标 0 0828 0 09120 2524 0 0025 G 0 01570 1786 B 0 0009 R Z Y 0 158 X 0 4185 表色系统 99 CIE XYZ分布色系数 表色系统 100 CIE XYZ色度图 表色系统 101 标准光源色度坐标 表色系统 102 色系数 色度坐标的计算 色系数 X Y Z 亮度仅由Y表示 色度坐标 x y Y X Z 0 0000 Y 1 0000 1 75181 1302 R 4 59070 0601 G 0 05655 5943 B 2 7689 X y Yz ZX Y ZX Y Z X Y Z x 表色系统 103 已知两色光CIE坐标分别C1 x1 y1 Y1 和C2 x2 y2 Y2 求它们混合光的CIE坐标C12 答 C12 x1 x2 y1 y2 Y1 Y2 答 X x Y y Z 1 x y Y y混合光的色系数 X1 X2 Y1 Y2 Z1 Z2 所以 其中 m1 Y1 y1 m2 Y2 y2 1212 Y1 Y2 m mm m m1x1 m2x2m1y1 m2y2 C12 表色系统 104 色域 colorgamut 图 将大致相同的颜色分成若干小区 并标出该处的颜色名称 CIE的RGB相加混色区与虚线围成的区域是绘画的彩色范围 相加混色的电视以及基于光谱吸收的电影 照相和绘画都不能重现全部的光谱色与自然界中的颜色 表色系统 105 等色调波长线 线上色调取该线与谱色轨迹交点处谱色光色调补色波长线 线上色调取延长线与谱色轨迹交点谱色光色调 位于紫色线与白色标准构成的三角形内 等饱和度线 线上色饱和度相同 表色系统 光谱轨迹 等饱和度线等色调波长线 106 等色差域图 色差辨别阈 JND 觉察出彩色差别量的最小单位 等色差域 用椭圆表示的颜色差别宽容区 短轴为敏感方向长轴为不敏感方向 色度图上相等的面积或相等的距离并不反映相等的视觉差异 JND Mac Adam椭圆 表色系统 107 其他表色系统 CIE UCS1960均匀色度图 4x u 2x 12y 3 2x 12y 36y v w 1 u v CIE U V W 1964均匀彩色空间 U 13W u u0 V 13W v v0 W 25Y1 3 17 1 Y 100 表色系统 108 HSV表色系 借鉴Munse