光度学与色度学基础ppt课件

1、.,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,Photometry and Colorimetry,.,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

2、 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,2.1 3.1, Computer Vision a modern approach,2.1 2.2 2.3,.,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 (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。,.,7,可见

3、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,.,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),200 280 36

4、0 440 520 600,680 760,Spectral Irradiance,光的特性与度量,.,11,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,.,12,普朗克 曲线,光的特性与度量,.,13,5780K,

5、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(color temperature)：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 (2854 K) B (4800 K) C (6770 K) D65 (6500 K) 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

6、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(spectural luminous efficiency function) 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

7、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= 1cdsr ； 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(Luminous Ef

8、ficacy)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,.,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,LED lamps require less power to emit light than the older light souces. Efficiency

9、 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 Nobel Prize in Physics 2014 for the inve

10、ntion of efficient blue,light-emitting,enabled bright,diodes which has and,energy-saving,white light sources,.,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

11、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,

12、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 (forshortened area),.,40,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”,.,41,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”, =,.,42,空间中的光, 辐射照度 (Irradiance): 单位面积上的辐射通量， 单位是

13、“瓦特/平米”, =,.,43,空间中的光,光 源,.,44,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”, =,.,45,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)”,.,46,空间中的光, 辐射亮度 强调是 forshortened area, 这和辐射,照度有所不

14、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),

15、.,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. 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

16、已达到可接受的程度(Comm. of ACM, 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？ A B C,表面上的光,.,54,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。, = ,(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

17、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, = =, , =, , ,rendering equation,.,58,表面上的光,Some visualized BRDF,.,59,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 (Lambertian surface) 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.

18、 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,Lamberts Law: Lr kd Li N L kd - 漫反射系数(albedo),表面上的光,理想漫反射表面的 BRDF = (1) ,computer vision . 2.3.3,.,62,镜面反射 (specular reflection) 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。,Li if V R 0 otherwise,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 n

19、s,表面上的光,.,64,s,n,s,i d,k N L k V R, ,L k L L,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,“In trying to improve the quality of the,synthetic images, we do not,display the object,expect exactly,to be as it,able to would,appear in reality,overc

20、ast shadows,with hope,texture, only to,display an image,etc. We that,approximates,the,provide a,real object closely enough to certain degree of realism.”, B.T. Phong, 1975,.,66,表面上的光, Cook-Torrance 模 型 (SIGGRAPH 1981), Oren-Nayar 模 型 (SIGGRAPH 1994), Walter 模 型 (ESG 2007),.,67,表面上的光, Cook-Torrance 模

21、 型 (SIGGRAPH 1981) H L V D(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) 4 cos(i)cos(e),Robert L. Cook, Kenneth E. Torrance, A Reflectance Model for Computer Graphics, Proceedings of,ShItGtGpRsA:P/H/,.,68, BRDF 的测

22、量 反射计(Gonioreflectometer) 由可移动的光源和摄像头 组成。,Stanford light field gant,表面上的光,.,69, BRDF 的测量,表面上的光,“Light Stage”Debevec, 2000,.,70, Columbia-Utrecht Reflectance and Texture Database Database: /CAVE/software/curet/,表面上的光,.,71, MERF BRDF Database: ,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

23、 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 (Vos and Walraven, 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,Blue and Black? White and Golden?,.,75,颜色感知与混色,彩色参量

24、：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-Brcke Shift, 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

25、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

26、): 高速旋 转(510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(additive col

27、or model) ：CIE三基色 光 (水银光谱 R:700nm G:546.1nm B: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=RR+GG+BB 。,式中 是三基色单位；, 前的是三色系数。 E 白 的 方 程 ： F=1R+1G+1B,颜色感知与混色,.,82, 相减混色(subtractive color model)：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

28、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 (Grassmanns Law, 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

29、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、 CIE 1960, CIE 1964，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 ：010 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：

30、H V/C，例如5Y 9/14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=1.2219V0.23111V2 + 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:700nm G:546.1nm B:435.8nm) 。 等能白光E白作为白色基准。 任意颜色 F=RR+GG+BB, F E白=1R

31、+1G+1B, 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（color matching function）, 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 780gd B 780b d 380 380,rd,R ,表色系统, 色度坐标 (chromaticity coordinate): r, g, b F=(R+G+B) r R+ gG+bB , 色度坐标 （r, g)，b = 1-r-g 光 通 量 F= 1R+4.590

32、7G+0.0601B(lm),R,g G r B R G B R 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, 18 1,表色系统,96,.,RGB色度图(chromaticity diagram) 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 (spectrum locus)； Maxwell三角形的投影称为相加混色区； 5

33、40690nm成直线，线上谱色可由两端点光混 配出； 连接RB的紫色线上是由红和蓝混配的非谱 色。,表色系统,97,.,Y,Z,CIE-RGB 1931 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=XX+YY+ZZ 仿照CIE-RGB定义色系数(X,Y,Z0)，分布 色系数以及色度坐标, , 0.0828, 0.0912 0.2524 0.0025G 0.0157 0.1786 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

34、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 1.0000,1.7518 1.1302R 4.5907 0.0601G 0.0565 5.5943B,2.7689,X,y Y z Z X Y Z X 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 = (

35、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, 1 2 1 2, Y1 Y2 ,m m m m, m1x1 m2 x2 m1 y1 m2 y2,C12 ,表色系统,104,.,色域(color gamut)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

36、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-UCS 1960均匀色度图:,4x,u , 2x 12 y 3, 2x 12 y 3 6 y,v ,w 1 u v CIE-U*V*W* 1