第一章 光度学基础

1、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。,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

2、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380780nm范围能引起视觉的电磁波。 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间，但还有一些人能够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁波。 正常视力的人眼对波长约为555纳米的电

3、磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。,光的基本属性：含义,光的基本属性：含义,622-780,597-622,577-597,492-577,455-492,380-455,(nm),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3108ms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。 直线传播：在均匀介质中，光是沿着直线传播的，即在均匀介质中，光线是一条直线。光的这种传播规律被称为光的直线传播定律。,光的基本属性：传播,独立传播：从不同的光源发出的光线

4、以不同的方向通过空间某点交汇时，此间互不影响，即各光线的传播不受其他光线的千扰而发生变化，光的这种传播规律称为光的独立传播定律。 反射与折射：当一支光线投射到两种透明介质界面上时，光线将发生曲折，其中一部分光线折返，仍在原介质中传播，这部分光线称为反射光线，这种传播现象称为光的反射现象。另一部分光线则通过界面进入另一种界质中继续传播，这部分光线称为折射光线，这种传播现象称为光的折射现象。,光的基本属性：传播,色散：复色光分解成单色光的现象称为光的色散， 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

5、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。,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：。 1流明是指发光强度为1坎德拉的点光源。在1个半径为1米的圆球中心，每秒钟发出的光在通过球面1平方米弧形面积或单位立体角时的光能总量。,球面积等于4r2（=3.14）所以1坎德拉的点光源所发出的总光通量为12.57流明。,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

6、德拉（cd），符号：I，I=/，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1/6105平方米的绝对黑体,沿法线方向的发光强度为1坎德拉。,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：。,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

7、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。,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 =90000/66=2500（勒克斯）,光的属性：计量（照度）,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。 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

8、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；不同物体，反射率越高，亮度越大。,光的属性：计量（亮度）,亮度的计算公式：B=PE，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。,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

9、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。,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。,比较：照度与亮度,关联点是：影响光源亮度和照度高低的物理量是共同的

10、，即光通量。 不同点一：影响光源亮度的光通量，是光源表面辐射出来的光通量的多少。 不同点二：影响光源照度的光通量，是光源辐射到被照面（如墙壁、地面、作业台面）上的光通量的多少。 不同点三：两者位置不同，受外界影响因素也不同。同一只光源，光源表面辐射出来的光通量与光源辐射到被照面（如墙壁、地面、作业台面）上的光通量，在数量关系上是不相等的。,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

11、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。,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，

12、容易控制在摄像机的宽容度内。 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，指光源位置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置关系，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置的照明而变化的。 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

13、、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。,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

14、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。,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

15、间透视效果，增强立体感和纵深感。,含义：被摄体顶部的光线，高度超过60以上。 特点：被摄体上亮下暗，即水平面亮度高于垂直面的亮度，反差较大，可以产生浓重阴影。拍摄人物时，头顶、额头、鼻梁和颧骨发亮，而眼窝、鼻下、嘴巴等会处于阴影之中。,顶光/脚光,含义：被摄体下方的光线，光源低于视线。 特点：与顶光形成的照明效果相反，能造成人物的阴险感，因此很少用脚光作为人物拍摄的照明光线。,举例,举例,举例,举例,光型指各种光线在拍摄时的作用。 布光的光型即灯光按照光线的造型效果可分为主光、辅助光、轮廓光、背景光、修饰光、效果光、场景光等。,光的因素：光型,主光/辅助光,主光又称塑型光，是刻画人物和表现环境

16、的主要线。不论其方向如何，应在各种光线中占统治地位，是画面中最引人注目的光线。 主光处理的好坏直接影响到被摄对象的主体形态和轮廓特征的表现，也影响到画面的基调，光影结构和风格，是摄像师首先考虑的光线。,辅助光又称为副光，是用以补充主光照明的光线，辅助光一般多是无阴影的软光。 辅助光的作用主要是减弱主光产生的阴影，降低被摄体主体反差，表现物体的暗部结构；帮助主光起到塑造人物形象，人物性格刻画的作用；可以起到调整场景影调，均衡场景亮度的作用。,轮廓光是在被摄主体后上方照射的光线，使被摄对象边缘产生明亮的光线。 轮廓光具有勾画和突出被摄主体富有表现力的轮廓，具有装饰性，利用明亮轮廓线条突出被摄主体，

17、拉开主体与背景的距离，产生一定空间深度，表现出空间层次感的作用。必须注意照射角度，不能破坏主光光效。,轮廓光/背景光,背景光也叫环境光，是指专门用来照明被摄主体环境背景的光线。 背景光可以照亮被摄主体的背景，表现场景内容和空间结构，控制环境影调，形成与被摄体较大的影调差别，起到突出主体的作用，利用背景光表现具有特定意义的背景环境，起到烘托被摄主体，表达情感情绪的作用。,装饰光是用来突出被摄物的某一细部造型的质感，以达到造型上的完美，如眼神光、头发光、服饰光等。 当主光，辅光、轮廓光、背景光依次布局完善以后，分析被摄物局部的亮度是否合适，层次表现是否完美，如不够理想，就用装饰光修饰这些局部和细节

18、部位。,装饰光/效果光,效果光是用人工光源再现现实生活中一些特殊光源的光线效果或特定坏境、时间、气候等的照明。 如从布景的窗户外投射强烈的灯光，使室内产生窗口投影，再现室外的阳光效果;由遮光板将点燃的碳精灯的光线迅速来回遮挡，产生闪电效果等。,光的因素：光色,光色是指“光源的颜色”，或者数种光源综合形成的被摄环境的“光色成分”。 在摄影与影视领域，人们常把某一环境下的光色成分的变化，用“色温”来表示。 光色决定照片总的色调倾向，对表现主题帮助较大。如红色表现热烈，黄色表示高贵，白色表示纯洁等。 复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现

19、。,色调的应用,红色：暖色调，富有刺激性。长时间接触易感疲劳，使人联想到太阳、红旗、血光、热情、温暖、热烈、爱情、吉祥、活力、积极、坚强、振奋和鼓舞、危险、愤怒、粗暴、浮躁、禁止、危险。 橙色：与红色相近，同属暖色调，令人感到爽朗、高兴、无忧。 黄色：属偏暖色调，令人感到高贵、光明、欢快、开朗、开阔、明亮、智慧、柔和、活跃、素雅。,色调的应用,绿色（青色）：森林的主调，富有各不相同，使人联想到青山绿水，生气勃勃，象征青春、和平、健康、永恒、公平、安祥、智慧和谦逊、镇静、身心平衡。 蓝色：极其冷静的色调，能消除紧张、形成幽雅、宁静气氛，令人感到深沉、远大、悠久、纯洁、理智、冷静、和谐、安详，也易

20、使人产生阴暗、忧郁、贫寒、悲伤、衰悼和恐怖的情感。所以蓝色特别是淡蓝色要慎重使用。 紫色：与蓝色相近，同属冷色调，令人感到神秘、浪漫、优雅、高尚、庄严和华贵。,色调环,色调环上红、橙、黄称暖色； 蓝、靛、蓝紫冷色； 绿和紫中性色。,补色又称互补色，余色，亦称强度比色，就是两种颜色（等量）混合后呈黑灰色，那么这两种颜色一定互为补色。 色环的任何直径两端相对之色都称为互补色。,色调环,红,橙,黄,绿,蓝,紫,褐,白,黑,灰,色调的应用,在灯光色彩的运用中要注意和谐与统一，设计时可先设置一种基调色，各种颜色要服从基调色，正确处理“相似色”和“互补色“的调配。 相似色：紫红；紫蓝；绿黄；橙黄 互补色：

21、红绿；蓝橙；紫黄 互补色可增强对方的强度，而相似色有序排列可促进和谐的效果。,色调的应用,照明色彩的心理感知特性。不同的颜色对人的生理产生不同的刺激，从而影响到人产生不同的心理感受。 冷暖感：红、橙暖；蓝、紫冷；黑白灰冷。 远近感：红近；蓝远。 轻重感：红、橙重；蓝、白轻。 兴奋感：红兴奋；蓝沉静。,光束/光比,色温,色温：某一光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度下所辐射的光的颜色相同，则黑体的这个温度就称为该光源的颜色温度，简称色温，用绝对温度K表示。 色温反映了光源的光谱成份。如果光源的光谱成份与绝对黑体在某一温度下光谱成份最接近，则用绝对黑体的这个温度表示光源的相关色温。 色温就是表征光

22、源所发出的可见光的颜色成分，即频谱特性的一个参量，是表示光源光谱质量最通用的指标，光源的种类不同，色温的性质也不同。,色温,低色温光源的特征是能量分布中红辐射相对要多些，通常称为“暖光”；色温提高后能量分布中蓝辐射的比例增加，通常称为“冷光”。 光源能真实准确地重现物体颜色，与光源的色温有关。 摄像机对被摄体色彩的还原情况与光源色温有密切关系，如果光源色温与摄像机要求的色温一致，物体的颜色会得到准确的还原。如果光源高于色温时，画面的色调就会偏蓝。光源色温低于摄像机要求的平衡色温时，画面的色调就会偏红。,色温,色温指的是光波在不同的能量下，人类眼睛所感受的颜色变化。 在色温的计算上，是以Kelv

23、in为单位，黑体幅射的0。Kelvin=摄氏-273 C 做为计算的起点。将黑体加热，随着能量的提高，便会进入可见光的领域。 例如，在2800K时，发出的色光和灯泡相同，我们便说灯泡的色温是2800K.可见光领域的色温变化，由低色温至高色温是由橙红白蓝。,几种自然和人工光源的色温,显色性,光源的色表：人眼直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。 通常观察到的物体的颜色是在日光条件下，太阳光照射下，色彩还原最真实。而人工光源则不能很好的显示物体的本色，使颜色失真、偏色。 显色性的好坏是电视光源的一个重要参数，物体在全色光谱的照射下，反映的色彩最为真实。偏色光源有助于表现出带有倾向性色调的画面效果。,显色指数：光源的显色性以太阳光为标准；光源的光谱功率分布与日光的光谱功率分布越相似，其显色性越好。CIE规定了一种光谱功率分布与日光十分近似的标准照明体，并把它的显色指数定为100。 光源的显色性是光源的光谱能量分布决定的，分别用标准光源和待测光源照射8个颜色样品：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、品，使它们产生相对色差。然后算出每种颜色样品的显色指数，称为特殊显色指数。8个特殊显色指数的平均用Ra表示，称