《Real-Time Rendering 4th Edition》读书笔记--简单粗糙翻译 第八章 光和颜色 Light And Color

写在前面的话：因为英语不好，所以看得慢，所以还不如索性按自己的理解简单粗糙翻译一遍，就当是自己的读书笔记了。不对之处甚多，以后理解深刻了，英语好了再回来修改。相信花在本书上的时间和精力是值得的。

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因为时间有限，接下来的几章要精简翻译了!!!

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“Unweave a rainbow, as it erewhile made

The tender-person’d Lamia melt into a shade.”

如刚才拆解彩虹那般，让光鲜娇嫩的雷米亚黯然失色。

—— 约翰·济慈

        

        在本章中，我们将学习各种物理的光量，为后面的章节打下基础，这些章节将从更物理的角度讨论渲染。我们还将学习更多关于渲染过程中经常被忽视的“后半部分”：将代表场景线性光量的颜色转换为最终显示 颜色。

8.1 光量（Light Quantities）

         任何基于物理的渲染方法的第一步都是以精确的方式来量化光线。 首先介绍 辐射度学（radiometry） ，因为这涉及到光的物理传输的核心领域。 我们接着讨论了 光度学（photometry） ，它处理的是由人眼灵敏度加权的光值。 我们对 颜色的感知是一种心理物理现象（psychophysical phenomenon）:对物理刺激的心理感知 。

8.1.1 辐射度学（Radiometry）

         辐射度学研究的是电磁辐射的测量。 正如将在9.1节中更详细地讨论的那样，这种辐射以波的形式传播。 不同波长的电磁波——具有相同相位的两个相邻点之间的距离，例如两个相邻的波峰——具有不同的性质。 在自然界中，电磁波的波长范围很广，从长度不到百分之一纳米的伽马波到长达数万公里的极低频(ELF)电波。 人类所能看到的光波只是这一范围的一小部分，从大约400纳米的紫外光 延伸到700多纳米的红光。如图8.1所示。

图 8.1 显示在整个电磁波谱范围内的可见光的波长范围。

 

         辐射度量（radiometry quantities）用于测量电磁辐射的各个方面:总能量（overall energy）、功率(随时间变化的能量，energy over time)和相对于面积、方向或两者的功率密度（power density）。这些度量列于表8.1。

表 8.1  辐射量及单位。 分别是辐射通量、 辐照度、 辐射强度、辐射率。

 

         在辐射度学中基本单位是 辐射通量（radiant flux）,Φ 。 辐射通量是随时间-功率流动的 辐射能量 ，以瓦特(watt，W)为单位量。

         辐照度（irradiance） 是 辐射通量相对于面积的密度，即dΦ/ dA 。辐照度是根据面积来定义的，面积可以是空间中想象的面积，但通常是物体的表面。它的单位是瓦特每平方米。

         在我们讨论下一个量之前，我们需要先介绍 立体角（solid angle） 的概念，它是角度概念的三维扩展。 一个角度可以被认为是一个平面上连续的方向集合的大小的度量，它的弧度值等于这个方向集合与半径为1的封闭圆相交的弧的长度。 类似地，立体角可以表示三维空间中连续的方向集合的大小，测量单位为球面度（steradians，缩写为sr），其定义为和半径为1的封闭球体相交斑块的面积。 立体 角是由符号ω表示。

         在两个维度上,一个2π弧度角覆盖整个单位圆。 延伸到三维空间上,4π球面度的立体角将覆盖整个单位球。图8.2展示了一个立体角的球面度的表示。

图 8.2  从圆球的剖面图上去掉一个立体角的圆锥体。形状本身与测量无关。球体表面的覆盖才是关键。

 

         现在我们可以介绍 辐射强度（radiant intensity，I） ，是 辐射 通量 对方向 , 更准确地说 是 立体角(dΦ/ dω) 的 密度 。它的单位是瓦特每球面度。

         最后， 辐射率（radiance，L）是单一射线中电磁辐射的量度 。 更准确地说,它被定义为 辐射通量 对单位面积和单位立体角的密度：

这个面积是在垂直于射线的平面上测量的， 如果测量的其他方向的表面上的辐射率，那么必须要使用余弦校正因子。  可能会遇到术语“投影面积”来定义辐射率的情况。

         辐射率（radiance）是传感器(如眼睛或照相机)测量的值(详细信息请参阅9.2节)，所以它对于渲染来说极为重要。 计算着色方程的目的是为了计算沿着给定射线（从着色表面点到摄像机）的辐射率。 沿着这条射线的L值等价于第5章中着色部分中基于物理的Cshaded。 辐射率的公制单位是瓦特每平方米每球面度。

         环境中的辐射可以看作是5个变量的函数 (或6个，包括波长)，称为 辐射分布（radiance distribution） 。 其中三个变量指定位置，另外两个指定方向。这 个函数描述了所有的光在空间中移动。 渲染过程可以理解为，眼睛和屏幕定义一个点和一组方向(例如，通过每个像素的射线)，然后在眼睛处对每个方向进行计算。 在 13.4节讨论的基于图像的渲染使用了一个相关的概念，称为 光场（light field ）。

        在着色方程中，辐射率通常用 Lo(x,d) 或 Li(x,d)表示， 这意味着从x点发出的光或者进入x点的光。 方向向量d表示射线的方向，根据惯例，它总是指向远离x的方向。  然而这种惯例在Li的情况下会有些令人困惑， 因为d指向光传播的相反方向，因为 对于点积之类的计算这很方便。

         辐射率的一个重要特性是它不受距离的影响， 忽视大气影响，如雾。 换句话说， 不管与观察者的距离有多远，一个表面都会有相同的亮度 。 距离越远，表面覆盖的像素越少，但每个像素处的表面辐射是恒定的。