辐射度学与光度学基本知识.ppt

辐射度学
通过电磁光谱来处理辐射能的测量。
辐射度学主要研究频率为3×1011~ 3×1016Hz的光辐射,~1000μm微米的波长。
波段范围包括红外、可见光、紫外线。
辐射度学和光度学Radiometry and Photometry
光度学
与辐射度学类似,但它只处理人眼可感知的光,即可见光,波长范围为380~780nm纳米。
波长450nm对应于蓝色,540nm对应于绿色,659nm对应于红色。
色度学不处理颜色的感知本身,而是研究各种波长的感知强度。例如,绿光比红光和蓝光亮。
辐射能量
在辐射度学中,辐射能量Q是基本的能量单位,用J(焦耳)来度量。
每个光子有一定的辐射能量,其大小为Planck常数(×10-34焦耳秒)乘以光速(×108米/秒),再除以光子的波长。
×1015乘以光子的波长。例如,在波长为550nm的波段处,×109个。
光通量密度
光源的光通量Φ为每秒钟发射出的焦耳数(dΦ/dt)。也可用瓦特W来度量(1W=1J/s)
在光子离开光源后,下一步为如何度量它们到达表面。光通量密度为单位面积接收的光通量,用瓦特/米2来度量。光通量密度的概念可以应用于任何表面,无论是真实的或虚拟的。
一块区域的光通量密度与每秒钟光子从各个方向穿越该区域的速率成正比。理论上,我们可以让面积任意小,这样我们可以度量一个点的光通量密度:
如果光通量在一区域是均匀的,则可简化为u=Φ/A。
光通量密度的别名
光通量密度(radiant flux)在特定的应用场合还有一些其它名字。
当光通量到达一个表面时,我们用辐照度E (irradiance) 这一词。
当光通量离开一个表面时,我们用辐出度M(radiance exitance)这一词,辐出度有时也称辐射度(Radiosity)。
立体角
在计算机图形学中,光源和视点常被看成点。用面积来度量不太适合,而是用立体角(solid angle)来描述。立体角的度量单位为球面度sr(steradians) 。
立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间,2π角度覆盖整个单位圆。在三维空间, 4π的球面度立体角覆盖整个单位球面。
从一个球面上去处1球面度立体角的圆锥
辐射亮度(Radiance)
在计算机图形学中,最重要的辐射度学单位为辐射亮度 L (因为我们在象素中存贮的是辐射亮度),它为从某一方向到达给定点的光通量。
与辐照度和辐出度不同,辐射亮度既可以指到达表面的光通量,也可以指离开的光通量。
入射辐射亮度
入射辐射亮度(ing radiance)定义为:
它用来度量单位平方米单位球面度的瓦特数。其中θ为入射光线与表面法向的夹角。
上述公式在通过对入射辐射亮度积分来计算表面某处的辐射亮度非常有用。
虽然我们通常对到达表面的辐射亮度感兴趣,但辐射亮度的值实际上是与表面无关的。与表面无关的辐射亮度公式为:
环境中的辐射亮度可看成是5个变量的函数(若包含波长,则为6个),称为辐射亮度分布(radiance distribution)。3个变量为位置,另2个变量为方向。则该函数描述了所有光线在空间的分布。
对于给定的一点,我们可把辐射亮度分布看成一整个场景的环境图,它表示了所有方向的入射辐射亮度。