在3D渲染引擎中，我应该使用哪些单位来表示光照？

Question

在3D渲染引擎中，我应该使用哪些单位来表示光照？

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阅读渲染、图形处理、照明等学术论文时，我发现提到和使用了各种单位。例如，Bruneton的大气散射论文似乎使用每平方米坎德拉（cd/m^2）表示亮度。然而，Jensen的夜间模型使用每平方米瓦特（W/m^2），意味着辐照度。其他论文提到辐照度、亮度、照度等，似乎没有共同的照明计算表示方法。那么，在实现所有这些论文时，如何确保计算“协作”良好呢？

更让人困惑的是，大多数关于自适应色调映射的论文似乎都不考虑单位，仅建议以对数格式（分贝）呈现像素（称为亮度）。分贝没有参考强度/功率是无用的。

这就引出了一个问题，单个像素代表什么单位？当我通过对像素的亮度取对数求平均来计算场景的“平均亮度”时，我到底在计算什么？术语"亮度"本身意味着照明的区域和源的立体角。这带来了两个问题：“点光源的立体角是多少？”“像素的面积是多少？”

因此，我的问题是，三维图形引擎中的照明应该用什么单位表示，以便在各种光源（从微弱的星光到明亮的阳光）下实现适当的校准亮度控制，这个单位与单个像素的亮度有何关系？

- stix

2个回答

-1

亮度的国际单位是每平方米坎德拉，因此如果您想要表示实际物理量，很难反驳使用该单位。至于这个单位如何与单个像素的亮度相关，那将取决于在像素视图区域中所代表的照明源部分的亮度以及引擎计算的场景其他部分的贡献 - 据推测，这将完全取决于渲染器。

- norlesh

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可以查看英文原文，
原文链接

- comingstorm · Accepted Answer

简而言之：辐射亮度的适当单位是以每平方米坎德拉（cd/m^2）测量。

稍微详细地说：计算机图形学通常关注人们看起来应该是什么样子。描述这一点的单位有：

“发光通量”以流明或lm为单位进行测量，其定义与特定波长处光的总辐射功率（以瓦特为单位）成比例。
“光强”以坎德拉或cd为单位进行测量，可以定义为每球面度流明（lm/sr）。

直观地说，当您将相同数量的能量分散在更大的区域上时，它变得成比例地更暗淡。这产生了另外两个量：

“辐照度”是单位面积的发光通量。它以lm/m^2为单位，并且与W/m^2成正比。
“辐射度”是单位面积的光强。它以cd/m^2或lm/(sr.m^2)为单位进行测量。

现在，回答你的问题：

每个像素代表相机测量的有限立体角度，以 steradian 为单位。在你的问题中，相关的区域是正在呈现的对象的面积。

辐射度（以 cd/m^2 为单位）代表表面亮度，并具有唯一的特性，即沿任何未被阻挡的观察路径不变（这使其成为渲染引擎最合适的数量）。每个像素的颜色表示该像素所占立体角度内的平均辐射度。

请注意，根据定义，点源不占用任何立体角度；它的辐射度在技术上是无限的。然而，它的辐照度是有限的，从技术上讲，它只应对给定像素值产生有限（如果可能很大）的影响。无论如何，如果你想直接呈现点源，你需要将它们与面源区别对待，并处理除辐射度以外的其他数量不在给定光线上不变的问题...

当Jensen等人的论文"A Physically-Based Night Sky Model"在各种照明来源的表格中使用辐照度相关的W/m^2时，我猜测他们的意图是描述整个夜空作为平均值贡献的相对程度，摘除任何视觉细节。

最后，请注意真正基于物理的模型需要在可见光谱范围内进行积分以评估亮度和颜色。因此，这样的模型必须从可见波长的watts分布开始，并使用标准的人类色度学模型来评估lumens。