Graphics - 照明单位

本文介绍了图形学中衡量光的三个基本单位——Lumen(流明)、Candelas(烛光)和Lux(勒克斯)。Lumen表示光通量,描述光源的整体能量;Candelas测量特定方向的发光强度;Lux则衡量单位面积上的光照度。通过举例说明了这三个单位之间的关系,并解释了光源聚拢时对发光强度和光照度的影响。

一些图形学的概念介绍,个人摘抄或整理,作为个人文章的词条引用;

照明单位(Lumen, candelas 和 lux)

Lumen(lm,流明)度量的是光通量(luminous flux),这是光源的总体能量(the sum of all the light it emits in every direction),无论分布情况如何(宽或窄),发出的总能量是相同的;

Candelas(cd,烛光)度量的是发光强度(luminous intensity),这是光源在给定方向上的能量(the power of a light source in one direction);所以结果根据测量的方向可能有所不同,比如Spotlight的不同方向;

Lux(lx,勒克斯)度量光照度,表示一个表面单位面积的光通量(how much a surface is illuminated by the light),一个Lux表示一个lumen/平方米;

以上三个单位的定义都是互相联系的,能量为1 lumen的光源,均匀的在一个方向发出一平方米的光,那么其强度为1 candela;在一米之外被该光源照亮的表面光照度即为1 lux;

 

比如一个1000 lumen的均匀向各个方向发射光线的光源,各个方向的发光强度约为80 candela;那么在一米之外被照亮的表面的光照度大约也为80 lux;

当这个1000 lumen的光源聚集成一个光束的时候,该方向的发光强度就比之前均匀向各个方向发射的时候要大的多,当光的能量聚焦到大约8%的区域时,其强度就为1000 candela;在一米之外被该光源照亮的表面的光照度同样增加到了1000 lux;


 

<think>好的,用户之前让我介绍了光的行为规律,现在又提到“光照”。我需要先明确用户的需求。“光照”可能指多个方面,比如物理学中的光照现象、计算机图形学中的光照模型,或者日常生活中的照明应用。 首先回顾之前的对话,用户上次询问的是光的行为规律,涉及物理定律和应用场景,包括反射、折射、波动性等,还提到了计算机图形学中的实现。所以用户可能对技术应用比较感兴趣,或者希望继续深入光学领域。 接下来分析“光照”可能的含义。在物理学中,光照可能涉及光的传播、强度、能量分布等;在计算机图形学中,光照模型如Phong、Blinn-Phong、PBR等是关键;在工程领域,可能涉及照明设计、光度学等。此外,用户可能对自然光照(如太阳光)或人工光照(如LED)感兴趣。 需要进一步判断用户的具体需求。用户可能没有明确说明是哪个领域,所以需要给出全面的介绍,但又要避免信息过载。考虑到之前的回答结构清晰,分点列出,这次也应该保持类似结构,涵盖不同方面的光照知识,并关联之前的回答,比如提到光照模型时引用之前提到的反射定律、菲涅尔方程等。 另外,注意用户可能的应用场景,比如如果是学生,可能需要理论加实验;如果是开发者,可能更关注图形学中的实现。但用户没有明确说明,所以需要平衡理论和应用,提供实际例子和公式,如光照强度计算、渲染方程等,同时保持语言简洁,使用中文,符合之前的格式要求。 最后检查是否有遗漏的重要点,比如光的测量单位(流明、勒克斯)、不同光源的特性,或者现代技术如全局光照、光线追踪等。确保覆盖基本概念、物理规律、技术应用,并给出学习建议,帮助用户进一步探索。</think>以下是关于光照的全面解析,涵盖物理原理与技术实现: --- ### **光照基础概念** #### **1. 物理量定义** | 物理量 | 公式/单位 | 应用场景 | |----------------|---------------------|-------------------------| | 光通量 (Φ) | 流明(lm) | LED灯具亮度标定 | | 光照度 (E) | $E=\frac{\Phi}{A}$ (lx) | 室内照明设计 | | 发光强度 (I) | 坎德拉(cd) | 车灯光束聚焦参数 | | 亮度 (L) | $L=\frac{I}{A\cos\theta}$ (nit) | 显示器HDR性能指标 | #### **2. 基本传播模型** - **平方反比定律** 点光源强度衰减: $$ E = \frac{I}{r^2} \cos\theta $$ (舞台灯光布局计算基础) - **大气散射模型** Rayleigh散射强度公式: $$ I \propto \frac{1}{\lambda^4} $$ (解释天空颜色变化) --- ### **人工光照技术** #### **1. 光源类型特性** - **白炽灯** 黑体辐射特性,色温范围2700-3000K 发光效率:约15 lm/W - **LED光源** 电致发光原理,P-N结复合公式: $$ E_g = h\nu $$ 现代白光LED效率可达200 lm/W #### **2. 照明设计原理** - **眩光控制** 统一眩光值公式: $$ UGR = 8\log\left(\frac{0.25}{L_b}\sum\frac{L^2\omega}{P^2}\right) $$ (办公室照明规范要求UGR<19) - **色温协调** CIE 1931色度图控制: $$ x = \frac{X}{X+Y+Z}, \quad y = \frac{Y}{X+Y+Z} $$ --- ### **计算机图形学光照模型** #### **1. 经典光照模型** - **Lambert漫反射** $$ L_d = k_d \frac{I}{r^2} \max(0, \mathbf{n}\cdot\mathbf{l}) $$ (适用于粗糙表面表现) - **Phong镜面反射** $$ L_s = k_s \frac{I}{r^2} (\mathbf{v}\cdot\mathbf{r})^\alpha $$ ($\alpha$控制高光锐利度) - **微表面理论** GGX法线分布函数: $$ D(h) = \frac{\alpha^2}{\pi((\mathbf{n}\cdot\mathbf{h})^2(\alpha^2-1)+1)^2} $$ (现代PBR渲染核心) #### **2. 全局光照算法** - **辐射度方法** 求解方程组: $$ B_i = E_i + \rho_i \sum_{j=1}^n B_j F_{ij} $$ (适合静态场景预计算) - **光子映射** 密度估计公式: $$ \Phi(r) = \frac{N}{V(r)} = \frac{N}{\pi r^2 h} $$ (焦散效果模拟) ```glsl // 片段着色器光照计算示例 vec3 calculatePhong(vec3 normal, vec3 lightDir, vec3 viewDir) { vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal); float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32.0); return lightColor * (diffuse * max(dot(normal, lightDir), 0.0) + specular * spec); } ``` --- ### **自然光照模拟** #### **1. 大气光学现象** - **米氏散射** 气溶胶粒子散射公式: $$ \beta(\lambda) = \beta_0 \left(\frac{\lambda_0}{\lambda}\right)^\nu $$ ($\nu=0.7-2$,模拟雾霾效果) - **体积光渲染** 光线衰减方程: $$ L = L_0 e^{-\tau d} + \int_0^d \beta e^{-\tau x} dx $$ (教堂光柱效果实现) #### **2. 天体光照计算** - **太阳辐照度** AM1.5标准光谱: $$ E_{sun} = 1000 \text{ W/m}^2 @ 5800K $$ (光伏系统设计基准) - **月光特性** 照度公式: $$ E_{moon} = 0.05-0.3 \text{ lx} $$ (夜间场景渲染参考) --- ### **测量与调控技术** #### **1. 光学检测设备** - **积分球测量** 总光通量计算公式: $$ \Phi = \frac{4\pi}{k} V_{det} $$ ($k$为球体几何常数) - **光谱辐射计** 光谱分辨率: $$ \Delta\lambda = \frac{\lambda}{2Nd} $$ ($N$为光栅刻线数) #### **2. 智能照明系统** - **PWM调光** 亮度控制方程: $$ L_{avg} = L_{max} \times \frac{t_{on}}{T} $$ (LED调光常用方式) - **LiFi技术** 数据传输速率: $$ R = \frac{B\log_2(1+SNR)}{N} $$ (实验系统已达10Gbps) --- **实践建议**: 1. 光学实验:使用Lux Meter测量不同光源照度分布 2. 编程实现:用Three.js构建PBR材质渲染器 3. 理论学习:精读《Computer Graphics: Principles and Practice》光照章节 理解光照机制对虚拟现实、智能照明、光学检测等领域具有关键作用,建议结合Unreal Engine 5的Lumen系统进行实时全局光照实验。
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