上篇文章我们介绍了辐射度学的四个基本量。接下来我们介绍如何用辐射度学描述各种光学现象。
辐射亮度入射和出射函数
当光线和场景中的表面交互的时候,通常来说辐射亮度函数LLL在表面边界附近是不连续的。考虑极端情况下一个完全不透明的镜子,辐射亮度函数在表面前后的光学反应完全不同。因此,我们需要区分光在表面前后的不同行为。
L+(p,ω)=limt→0+L(p+tnp,ω)L^+(p, \omega)=\lim_{t \to 0^+}L(p+t\boldsymbol{n_p}, \omega)L+(p,ω)=t→0+limL(p+tnp,ω)
L−(p,ω)=limt→o−L(p+tnp,ω)L^-(p, \omega)=\lim_{t \to o^-}L(p+t\boldsymbol{n_p,} \omega)L−(p,ω)=t→o−limL(p+tnp,ω)
其中np\boldsymbol{n_p}np是p点的表面法向量。上式虽然可以精确表达表面前后时间顺序,但是这样未免有点繁琐。我们更期望区分到达某个点的辐射亮度和离开某个点的辐射亮度。
考虑表面的一个点p,到达p的辐射亮度分布用Li(p,ω)L_i(p, \omega)Li(p,ω)表示,离开p的辐射亮度用Lo(p,ω)L_o(p, \omega)Lo(p,ω)表示,如下图。注意两种情况下向量ω\omegaω都是从p指向外面的。
LiL_iLi和LoL_oLo与上面极限的相关关系为:
Li(p,ω)={L+(p,−ω),ω⋅np>0L−(p,−ω),ω⋅np<0L_i(p, \omega)= \begin{cases} L^+(p, -\omega), & \omega \cdot \boldsymbol{n_p} > 0 \\ L^-(p, -\omega), & \omega \cdot \boldsymbol{n_p} < 0 \end{cases}Li(p,ω)={L+(p,−ω),L−(p,−ω),ω⋅np>0ω⋅np<0
Lo(p,ω)={L+(p,ω),ω⋅np>0L−(p,ω),ω⋅np<0L_o(p, \omega)= \begin{cases} L^+(p, \omega), & \omega \cdot \boldsymbol{n_p} > 0 \\ L^-(p, \omega), & \omega \cdot \boldsymbol{n_p} < 0 \end{cases}Lo(p,ω)={L+(p,ω),L−(p,ω),ω⋅np>0ω⋅np<0
看起来可能有点绕。最简单的,考虑ω\omegaω和np\boldsymbol{n_p}np呈锐角的情况,这个时候LoL_oLo就是L+L^+L+。而由于输入的ω\omegaω方向是和真正的输入方向相反的。所以−ω-\omega−ω和np\boldsymbol{n_p}np的夹角才是真正的入射光线和法向量的夹角。这里还需要的知识是理解光和物体表面的微观层面的交互原理。光打到物体表面,首先是能量被物体表面吸收,然后根据表面属性,这个时候吸收的能量可能快速的转化为发射出来的新的光子。所以这里是从这种层面上来说明的。
所以这四个式子分别说明:
- 当ω\omegaω位于表面外部,到达表面的辐射亮度是穿过表面后的值
- 当ω\omegaω位于表面内部,到达表面的辐射亮度是内部穿过表面之前的值
- 当ω\omegaω位于表面外部,离开表面的辐射亮度是穿过表面之后的值
- 当ω\omegaω位于表面内部,离开表面的辐射亮度是内部穿过表面之前的值
很容易就知道,真空中LLL是连续的,即L+=L−L^+=L^-L+=L−,也就是:
Lo(p,ω)=Li(p,−ω)=L(p,ω)L_o(p, \omega) = L_i(p, -\omega) = L(p, \omega)Lo(p,ω)=Li(p,−ω)=L(p,ω)
从微观层面上我们理解了辐射亮度到达和离开表面的细节。