光照基础知识
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发布时间：2024-10-08 19:17
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时间：2024-10-08 19:17
光作为电磁波的一种，其研究内容与电磁波的研究一致，存在辐射通量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐射照度等相关概念。不同的是，研究可见光时，我们需要考虑人眼的接收特性，因此会有一些不同。
1.1 基本概念
相对视见率：由于人类眼睛对不同频率的电磁波的反应不同，所以不同频率的光对人类眼睛产生同等反应的辐射能量也不同。正常视力的人眼在明视觉时对550nm的黄绿色最为敏感，因此我们将对555nm黄绿色的视见率作为标准，其他频率的视见率与555nm的黄绿色的视见率作为该频率光的相对视见率。红外和紫外人眼看不到，相对视见率为0。
光通量：光既然能够辐射能量，就具有一定的功率；其中人眼能够感受到的辐射功率，我们称之为光通量。光通量等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由此可见，不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。光通量的单位是流明(lm)，从概念上可以理解为相当于功率的瓦特(W)。
举例来说，如上图，黑色发光体辐射出很多能量，其中只有红色的才能被人眼感受到，因此红色部分的辐射能量才能构成光通量。
1.2 光学概念
发光强度：物体垂直发光方向单位立体角内的光通量我们称之为发光强度。单位是烛光，也音译为坎德拉，符号为cd。发光强度的定义考虑了人的视觉因素和光学特点，是在人的视觉基础上建立起来的。
立体角公式、发光强度公式、光出射度、光照度、光亮度等概念，以及相应的公式，在此不再一一赘述。
2. 基本光照定律
2.1 反射定律：反射定律是指当光线照射到物体上时，光线会以如下规则进行反射：反射线跟入射线和法线在同一平面内；反射线和入射线分居法线两侧；入射光线与法线的夹角（入射角）和出射光线与法线的夹角（反射角）相等。
2.2 折射定律：折射定律是由荷兰数学家斯涅尔发现的，所以也叫斯涅尔定律。它是指当光线照射到物体上时，光线折射进入物体产生光的折射现象中，确定折射光线方向的定律。
3. 双向反射分布函数（BRDF）
3.1 BRDF概念：双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）是用来定义给定入射方向上的辐射照度如何影响给定出射方向上的辐射率。更通俗地说，它描述了入射光线经过某个表面反射后如何在各个出射方向上分布，这可以是从理想镜面反射到漫反射、各向同性或者各向异性的各种反射。
3.2 Cook-Torrance：Cook-Torrance模型是基于微表面理论，在法线分布函数、几何衰减因子和菲涅尔方程之上建立起来的高光BRDF模型，它是一种基于物理的模型。模型公式如下：fr = kdflambert + ksfcook-torrance。
其中，kd表示漫反射系数，flambert表示漫反射项，ks表示镜面反射系数，fcook-torrance表示镜面反射项。漫反射系数和镜面反射系数与材质相关，漫反射项采用的是兰伯特模型来计算的，所以我们只需要推导出镜面反射项即可。
函数D：法线分布函数(Normal Distribution Function)，其代表了所有微观角度下微小镜面法线的分布情况；函数G：几何函数(Geometry Function)，描述了微平面自遮挡的属性；函数F：菲涅尔方程(Fresnel Rquation)，描述了物体表面在不同入射光角度下反射光线所占的比率。
