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SteelTape 发表于 2003-10-29 15:41
这个帖子的主要任务是分析,梳理,澄清一系列和 光的强弱 相关的词汇。
在这个各种影像信息超火爆的年代,经常遇到与之关联的深奥词汇,举例来说:
◎ 某电视机“对比度10000:1”;
◎ 某投影仪“亮度1000流明”;
◎ 某扫描仪“动态范围4.8”;
◎ 某数字相机“曝光宽容度8挡”;
◎ 安大师挂在嘴边的“平方英尺烛光”;
◎ 摄影布光基础的“平方反比定律”;
◎ 还有诸如Gamma,中性灰,密度曲线;
◎ 最后,我们常常要说的“亮度”、“明度”、“亮”、“暗”等等……
——您有没有困惑过:“这些到底都是在说啥?”
这个帖子主要采取 问答 的形式。
这个帖子只需要 初中毕业的物理数学知识,所以其实一点儿都不难懂。
这个帖子对于拍出一张好照片可能不会有太大的帮助。虽然与摄影技术直接有关的知识会不少,但我认为可以通过其他渠道更快捷的获得那些知识。这个帖子主要关注那些知识的深层联系,来龙去脉。
下面是目录……
//----- 光的能量 - 物理光学范畴的强弱 ------------
§ 226楼:光是什么?怎么描述光?
§ 227楼:光的波长(频率)和颜色有关,和强弱有关系么?
§ 228楼:一个光子的能量用频率可以描述,那么一束光的强弱用什么描述?
§ 229楼:【题外问】有没有一束光里所有的光子都是一个波长?
§ 230楼:【题外问】为什么有的光是很多波长混合,有的光就只有一个波长呢?
§ 231楼:两束具有完全相同的波谱的光在物理上是否完全相同?而人对他们的感觉也会完全相同么?
//---------------------------------
第零个问题:为什么有这么多而混乱的词汇?
在应用范畴内,关于光其实就是强弱和色彩两件事。就这么两件事就有如此之多而深奥而复杂的词,主要原因在于 物理-生理-心理-应用 这四个层面:
1. 光在物理学上有定义,所以有一套描述它的 纯物理量;
2. 光是视觉对象,有一套描述人对光的反应的 半人半物理量;
而人对光进行响应这部分,又可细分为生理反应和心理反应两部分。前部分是视觉器官把入射光变成神经冲动,后边部分是大脑分析处理这些神经冲动。
3. 很多应用场合都需要评价光的性质,每个场合都按自己的需要和便利形成了一些约定说法。比如说:
◎ 天体物理学家描述星星的亮暗用一套词汇;
◎ 造显示器的工程师描述显示器的亮暗用一套词汇;
◎ 体育比赛的裁判们描述场馆的亮暗用一套词汇;
◎ 摄影师描述自己的器材用一套词汇;
◎ 印刷业描述印在纸上的东西用一套词汇;等等……
一个概念的作用域对于概念是最基本的。所以不搞清楚一个关于光的概念是物理的在什么层面上的,并且怎么和其他层面上的概念相对应,我们很快就会混乱掉。
纯物理的东西是客观的(请忽视“主观”“客观”这些概念上延续数千年的哲学争论)。这些概念、常数、公式、算法都是从电磁学/量子物理等基础理论直接推出来,从设定到现在几乎没变过。未来,只要我们的基础物理理论和数学系统不闹大革命,估计这些东西也不会变了。
举例:
假设有两块反光的表面。入射100个光子,A反射100个,B反射18个。
对此我们说:A的反射率是100%,B的反射率是18%
——这是纯物理数学的东西,“反射率”是个纯物理量。除非以后18除100不等于18%了,否则反射率这件事不会有什么变化。
半人半物理的概念是经验的,统计性的,试图把主观客观化的。虽然描述感觉很难,但连“可见光”这种最基本的定义都是人的,所以只好硬着头皮想办法搞。
一般是先分析人体感觉系统的工作原理,从肉体到精神。然后找一大群人做实验,获得一大堆数据,再应用各种深奥的统计评估算法,归纳出一个结果来。
不管研究过程多么严谨严肃,结果遭批判、要求修订也是家常便饭。实验对象是白人,黑人就要抗议;在美国的实验室出数据,欧洲的研究所就要质疑;用张三的统计算法,李四算法的追随者就要嘲讽;某甲搞出了个标准赚了大把的名声和钞票,某乙就要誓死诋毁,等等……。
最后干脆成立一国际组织,大名鼎鼎的CIE(Commission Internationale de L’Eclairage),国际照明委员会,专门负责制定与光有关国际标准。以后我们会发现,CIE这个缩写上镜率奇高。
举例:
上面例子里的B看起来有多亮?是A的18%么?不是!一般的看法是:B看起来正好是A的一半亮(50%)。所以人们认定反射率为18%的物体为“中间调”。
——显然,中间调就是个半人半物理量。争吵不可避免,最近就有论文说18%反射率不是一半亮,13%才是。
技术上的俗语一般都是为了说起来方便且适于特定的环境,因为一般都是纯物理概念和半人半物理概念的某种变换,简化,或者特性化。
举例:
中间调这个词广泛应用在各个领域,但是在摄影师中有个特别流行的说法:“中性灰”。
就我个人目前的经验,搞清概念的作用域实在是保持清醒的第一要义。上面谈的这三个域是最基本的,我在后面解释每一个概念时都会尽可能的指明其作用域。
[SteelTape 编辑于 2006-09-05 07:53]
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:42
问:光不就是电磁波嘛?初二就学了。光的强弱,用大拇指想都知道是电磁波的能量嘛。能量,不就是焦耳、瓦特么。所以说,光的强弱用焦耳瓦特不就办了。干吗搞那么多烂七八糟的概念?我那显示器跟投影的广告上写“超高流明”,安大师书里到处都是“平方英尺烛光”,较瘦DX讲Gamma那个帖子里还有个cd/m^2,最可气的是国际单位制七个基本单位里还有个“坎德拉”。靠!基本单位啊,那就是不能从别的单位导出来的单位!一个能量单位竟然不是焦耳,竟然不能从别的单位里导出来——耍我么?
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:43
问:靠,人的感觉这么重要么?值得专门发展一个学科?有没有考虑狗眼的狗度学?
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:44
问:不要岔开话题!认真回答问题!
答:那么,就让我们从光度学的基本概念开始。这部分会枯燥难懂,但是清晰的概念保证了我们有一个共同的立足点,进而保证我们准确得知道自己说了什么,也准确得知道别人说了什么。
1. 辐射能通量:假设在空间中有一截面,在一段时间Δt里通过这个截面ΔQ焦耳的电磁辐射能量,我们就定义这个截面上的辐射能通量Φe为ΔQ/Δt瓦。(Φe = ΔQ/Δt,单位瓦(W))。【接下茬:能量除时间,不就是功率嘛!】这个不是光度学的概念,是辐射度学的概念,但是我们需要他导出光度学的第一个概念。
2. 光通量:在截面里穿过的诸般辐射中,只有一部分能够被眼睛觉察到。故此我们在辐射能通量上乘个折算系数K,就得到了光通量Φv = K*Φe。这个系数K叫光谱光视效能。研究发现这个数是波长敏感的,换句话说,人眼对不同颜色的光敏感程度不同。实验显示在明亮环境中人眼对555nm的黄绿色光最敏感,就是说这时K取最大值,为683流明/瓦。还记得Φe的单位么——瓦。乘一下看,呵呵,光通量Φ的单位正是“流明(lumen)”,符号lm。
[SteelTape 编辑于 2003-10-29 15:45]
[2003-10-29 18:03 补充如下]
<P2>
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:46
问:为什么为什么为什么?为什么一个系数竟然要有单位?!为什么光通量的单位要是“流明”而不是“瓦”?
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:48
问:且慢!如果L就是俺的闪光灯,我把MM摆在S1那里,跟摆在S2那里是显然不同的!越远越暗!就是说,S1上有那么多光子蜂拥而过,到S2还是那么多光子,但是明显变稀稀拉拉了嘛!
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:49
问:骗人!你一定是在欺骗群众。安大师说:“我知道那个高度上的月亮亮度一般约250平方英尺烛光。”你说是0.2勒克斯,才0.02FC!人家安大师照自己的数据拍出了《月升》,你拍出啥了?!
答:啊……这个这个……应该这么说,安大师的话的译文是不严谨的。但是250fc这个数值并没有问题,0.2勒克斯也没有问题。问题出在:250fc是哪个照度?让请容后再表。我还是重申,只有月光才有照度,月亮没有照度。
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:50
问:行了行了,别废话了!安大师说“亮度是250fc”到底是咋回事,说不明白我跟你没完!
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:52
问:慢!点光源?!哪有点光源?太阳有烧饼那么大,月亮至少是豆芽菜,灰板都有巴掌大呢!哪有“点”?星星?我拍星星都是亮线!
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:52
问:那个cosθ是干什么的?
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:53
图二
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:53
问:忽然想到,灰板就是反射光的亮度是现场光亮度的18%吧?:expr025:
答:应该评论为“错误”。让我们仔细分析一下:
能不能说“现场光的光通量”?能,单位时间通过这个现场这个截面的光的能量;能不能说“灰板的光通量”?不能,我们只能说“入射到灰板表面上的光的光通量”或“灰板反射的光在灰板表面的光通量”。关键在于,只有光才能有光通量,张三李四王五木头六没有。
能不能说“现场光的照度”或“灰板的照度”?均不能。但是我们可以说“现场光在灰板上产生的照度”。也可以说“灰板反射的光在我们的视网膜上产生的照度”。关键在于,照度是“光通量除某面积”。
能不能说“现场光的发光强度”?不能,发光强度是对点光源而言的。我们只能说发出目前这个现场光的那个点光源的发光强度。能不能说“灰板的发光强度”?不能,因为灰板不是点光源,它是面光源。
能不能说“现场光的亮度”?不能,亮度是一发面光源(发光体)而言的。现场光是入射到各个反光体的光本身,不是发光体。能不能说“灰板的亮度”?能。
好,假设有一100%反射率的表面叫“反光大牛”,和灰板并排放着,那我们可以说,灰板的亮度是反光大牛的18%。
SteelTape 发表于 2003-10-29 15:56
问:你就是想把我绕糊涂了,好让我忘了安大师那事儿是吧?
Adler 发表于 2003-10-29 16:08
好!
是说好东西(并且也好玩)
GGYY 发表于 2003-10-29 16:59
木及弓虽!
SteelTape 发表于 2003-10-29 17:18
Adler,您的五层、六层楼下,请看。
GGYY,谢谢。但是估计没什么人看。
[SteelTape 编辑于 2003-10-29 17:20]
[2003-10-29 18:08 补充如下]
Adler,能不能在你的帖子后面补充一个标签:<P10>
谢谢。
SteelTape 发表于 2003-10-29 18:35
Adler,亮度是一个物理量,我们怎么能说一个物理量线不线性呢?比如:质量是线性的——这句话无意义。
我猜你是说:人眼对明暗感觉和亮度值的关系不是线性的。——肯定的。
举例来说,这有一块10吨的东东,旁边有一块1000吨的东东。我冲上去各推一把,跟你说:一样沉——死沉。显然我的感觉无法告诉我一堆比另一堆重100倍。
以上是“感觉溢出”的情况。我们考虑一个不溢出的情形:
在光线均匀的屋子里,放一可均匀调节亮度(注意,永远意味着那个物理量)的光板。现在我把它的亮度设到让你觉得白亮而不刺眼,假设这时它的亮度值为I。现在我把它调暗。当这个光板的亮度为0.18I时,你的感觉告诉你:这是刚才的一半亮!
呵呵,这是18%灰的来历。“一半亮”不是亮度为0.5I的时候,这就是非线性。
<P11>
较瘦 发表于 2003-10-29 22:39
友情帮顶!
pipedream 发表于 2003-10-29 23:10
这不是个有趣的题目,能被你这么有趣的演绎已经很不容易了。
鼓掌
gz12345 发表于 2003-10-29 23:13
当时题目用“挡、宽容度、反差、胶片密度、动态范围的研究”可能人多一点。
精神可嘉。
Adler 发表于 2003-10-29 23:30
是我表达得不太清楚。
Adler 发表于 2003-10-29 23:40
补充一句,最近在《国家地理摄影精技》上看到“今日科学研究发现,明暗度平均的画面,实际上只有反射照射在其上的光亮的13%(而非18%);...”(彼得K.布里恩 罗伯特.卡普托 著,黄中宪 译,第137页)
不知是依据什么?是不是发现人眼可感知的暗部又向下延伸了?
[2003-10-30 09:12 补充如下]
<P13>
robinliu 发表于 2003-10-30 03:53
steeltape:
俺特有兴趣,可是没时间了...
俺老板昨日痛骂了俺一顿,心情糟透了。
有个东西二月份必须搞出来
不过俺有空就看看你和教授的帖子
开卷有益,后会有期。
SteelTape 发表于 2003-10-30 08:48
Adler,你还是错了:灰板的亮度就是反光大牛的18%。请原谅我如此反复的强调:亮度是个物理量,不是心理量。——如果不把这些澄清,你自己很快就会混乱到抓狂。应该这样说:我们感觉灰板只有反光大牛一半亮。
非常感谢你补充的kodak的数据,很重要的数字啊!另外能不能在那个帖子后面加个<P12>。
关于国家地理那个新数字13%,robinliu也提到过,他说是12.5%。我认为这种数字是在一群人身上大量实验的结果。至于是不是意味着:可感知的弱光又往下延伸了,我猜不是。只是这个感觉中点又向弱的那一边移动了。你那个帖子,加个标签<P13>吧。
呵呵。下次贡献这么有价值的信息,自己主动编个号吧。
cguy 发表于 2003-10-30 08:56
枯燥的理论被轻松诙谐的演绎
鼓掌支持.sysniper 发表于 2003-10-30 10:00
哇赛,不容易不容易!因为你的辛勤劳动,我是第一次如此认真地看那些公式。:expr018:
不过有一点“小错误”需要指出,那个“挡”如果是曝光量的话,可能应该用“档”。
gz12345 发表于 2003-10-30 10:28
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