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SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 15:41

這個帖子的主要任務(wù)是分析，梳理，澄清一系列和 光的強弱 相關(guān)的詞匯。

在這個各種影像信息超火爆的年代，經(jīng)常遇到與之關(guān)聯(lián)的深奧詞匯，舉例來說：
◎ 某電視機“對比度10000:1”；
◎ 某投影儀“亮度1000流明”；
◎ 某掃描儀“動態(tài)范圍4.8”；
◎ 某數(shù)字相機“曝光寬容度8擋”；
◎ 安大師掛在嘴邊的“平方英尺燭光”；
◎ 攝影布光基礎(chǔ)的“平方反比定律”；
◎ 還有諸如Gamma，中性灰，密度曲線；
◎ 最后，我們常常要說的“亮度”、“明度”、“亮”、“暗”等等……
——您有沒有困惑過：“這些到底都是在說啥？”

這個帖子主要采取 問答 的形式。

這個帖子只需要 初中畢業(yè)的物理數(shù)學(xué)知識，所以其實一點兒都不難懂。

這個帖子對于拍出一張好照片可能不會有太大的幫助。雖然與攝影技術(shù)直接有關(guān)的知識會不少，但我認為可以通過其他渠道更快捷的獲得那些知識。這個帖子主要關(guān)注那些知識的深層聯(lián)系，來龍去脈。

下面是目錄……

//－－－－－ 光的能量 － 物理光學(xué)范疇的強弱 －－－－－－－－－－－－

§ 226樓：光是什么？怎么描述光？

§ 227樓：光的波長（頻率）和顏色有關(guān)，和強弱有關(guān)系么？

§ 228樓：一個光子的能量用頻率可以描述，那么一束光的強弱用什么描述？

§ 229樓：【題外問】有沒有一束光里所有的光子都是一個波長？

§ 230樓：【題外問】為什么有的光是很多波長混合，有的光就只有一個波長呢？

§ 231樓：兩束具有完全相同的波譜的光在物理上是否完全相同？而人對他們的感覺也會完全相同么？

//－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－



第零個問題：為什么有這么多而混亂的詞匯？

在應(yīng)用范疇內(nèi)，關(guān)于光其實就是強弱和色彩兩件事。就這么兩件事就有如此之多而深奧而復(fù)雜的詞，主要原因在于 物理－生理－心理－應(yīng)用 這四個層面：

1. 光在物理學(xué)上有定義，所以有一套描述它的 純物理量；

2. 光是視覺對象，有一套描述人對光的反應(yīng)的 半人半物理量；
而人對光進行響應(yīng)這部分，又可細分為生理反應(yīng)和心理反應(yīng)兩部分。前部分是視覺器官把入射光變成神經(jīng)沖動，后邊部分是大腦分析處理這些神經(jīng)沖動。

3. 很多應(yīng)用場合都需要評價光的性質(zhì)，每個場合都按自己的需要和便利形成了一些約定說法。比如說：
◎ 天體物理學(xué)家描述星星的亮暗用一套詞匯；
◎ 造顯示器的工程師描述顯示器的亮暗用一套詞匯；
◎ 體育比賽的裁判們描述場館的亮暗用一套詞匯；
◎ 攝影師描述自己的器材用一套詞匯；
◎ 印刷業(yè)描述印在紙上的東西用一套詞匯；等等……

一個概念的作用域?qū)τ诟拍钍亲罨镜?。所以不搞清楚一個關(guān)于光的概念是物理的在什么層面上的，并且怎么和其他層面上的概念相對應(yīng)，我們很快就會混亂掉。

純物理的東西是客觀的（請忽視“主觀”“客觀”這些概念上延續(xù)數(shù)千年的哲學(xué)爭論）。這些概念、常數(shù)、公式、算法都是從電磁學(xué)/量子物理等基礎(chǔ)理論直接推出來，從設(shè)定到現(xiàn)在幾乎沒變過。未來，只要我們的基礎(chǔ)物理理論和數(shù)學(xué)系統(tǒng)不鬧大革命，估計這些東西也不會變了。
舉例：
假設(shè)有兩塊反光的表面。入射100個光子，A反射100個，B反射18個。
對此我們說：A的反射率是100%，B的反射率是18%
——這是純物理數(shù)學(xué)的東西，“反射率”是個純物理量。除非以后18除100不等于18%了，否則反射率這件事不會有什么變化。

半人半物理的概念是經(jīng)驗的，統(tǒng)計性的，試圖把主觀客觀化的。雖然描述感覺很難，但連“可見光”這種最基本的定義都是人的，所以只好硬著頭皮想辦法搞。
一般是先分析人體感覺系統(tǒng)的工作原理，從肉體到精神。然后找一大群人做實驗，獲得一大堆數(shù)據(jù)，再應(yīng)用各種深奧的統(tǒng)計評估算法，歸納出一個結(jié)果來。
不管研究過程多么嚴謹嚴肅，結(jié)果遭批判、要求修訂也是家常便飯。實驗對象是白人，黑人就要抗議；在美國的實驗室出數(shù)據(jù)，歐洲的研究所就要質(zhì)疑；用張三的統(tǒng)計算法，李四算法的追隨者就要嘲諷；某甲搞出了個標準賺了大把的名聲和鈔票，某乙就要誓死詆毀，等等……。
最后干脆成立一國際組織，大名鼎鼎的CIE（Commission Internationale de L’Eclairage），國際照明委員會，專門負責(zé)制定與光有關(guān)國際標準。以后我們會發(fā)現(xiàn)，CIE這個縮寫上鏡率奇高。
舉例：
上面例子里的B看起來有多亮？是A的18%么？不是！一般的看法是：B看起來正好是A的一半亮（50%）。所以人們認定反射率為18%的物體為“中間調(diào)”。
——顯然，中間調(diào)就是個半人半物理量。爭吵不可避免，最近就有論文說18%反射率不是一半亮，13%才是。

技術(shù)上的俗語一般都是為了說起來方便且適于特定的環(huán)境，因為一般都是純物理概念和半人半物理概念的某種變換，簡化，或者特性化。
舉例：
中間調(diào)這個詞廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，但是在攝影師中有個特別流行的說法：“中性灰”。

就我個人目前的經(jīng)驗，搞清概念的作用域?qū)嵲谑潜３智逍训牡谝灰x。上面談的這三個域是最基本的，我在后面解釋每一個概念時都會盡可能的指明其作用域。

[SteelTape 編輯于 2006-09-05 07:53]

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 15:42

問：光不就是電磁波嘛？初二就學(xué)了。光的強弱，用大拇指想都知道是電磁波的能量嘛。能量，不就是焦耳、瓦特么。所以說，光的強弱用焦耳瓦特不就辦了。干嗎搞那么多爛七八糟的概念？我那顯示器跟投影的廣告上寫“超高流明”，安大師書里到處都是“平方英尺燭光”，較瘦DX講Gamma那個帖子里還有個cd/m^2，最可氣的是國際單位制七個基本單位里還有個“坎德拉”?？?！基本單位啊，那就是不能從別的單位導(dǎo)出來的單位！一個能量單位竟然不是焦耳，竟然不能從別的單位里導(dǎo)出來——耍我么？

答：光是電磁波，但電磁波卻不是光。實際上，在電磁波漫長的波譜中只有一小段能夠觸發(fā)我們眼底的感光器件——視錐和視桿細胞。所以，為了表達可見光的強弱，我們需要某種又以人眼的視生理/心理特征為依據(jù)，又兼顧物理定律的科學(xué)。這就是光度學(xué)。它研究輻射能量產(chǎn)生的視覺效果，核心問題是建立“功率”與“明暗”間的關(guān)系。而專門研究電磁波強弱的科學(xué)叫輻射度學(xué)，它是純物理研究。:expr001:

[2003-10-29 18:03 補充如下]

標簽：P1

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 15:43

問：靠，人的感覺這么重要么？值得專門發(fā)展一個學(xué)科？有沒有考慮狗眼的狗度學(xué)？
答：咣當，咔嚓，嘩啦……汗……這個……原來您是動物保護主義者……

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 15:44

問：不要岔開話題！認真回答問題！

答：那么，就讓我們從光度學(xué)的基本概念開始。這部分會枯燥難懂，但是清晰的概念保證了我們有一個共同的立足點，進而保證我們準確得知道自己說了什么，也準確得知道別人說了什么。

1. 輻射能通量：假設(shè)在空間中有一截面，在一段時間Δt里通過這個截面ΔQ焦耳的電磁輻射能量，我們就定義這個截面上的輻射能通量Φe為ΔQ/Δt瓦。(Φe = ΔQ/Δt，單位瓦(W))。【接下茬：能量除時間，不就是功率嘛！】這個不是光度學(xué)的概念，是輻射度學(xué)的概念，但是我們需要他導(dǎo)出光度學(xué)的第一個概念。

2. 光通量：在截面里穿過的諸般輻射中，只有一部分能夠被眼睛覺察到。故此我們在輻射能通量上乘個折算系數(shù)K，就得到了光通量Φv = K*Φe。這個系數(shù)K叫光譜光視效能。研究發(fā)現(xiàn)這個數(shù)是波長敏感的，換句話說，人眼對不同顏色的光敏感程度不同。實驗顯示在明亮環(huán)境中人眼對555nm的黃綠色光最敏感，就是說這時K取最大值，為683流明/瓦。還記得Φe的單位么——瓦。乘一下看，呵呵，光通量Φ的單位正是“流明(lumen)”，符號lm。

[SteelTape 編輯于 2003-10-29 15:45]

[2003-10-29 18:03 補充如下]

<P2>

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 15:46

問：為什么為什么為什么？為什么一個系數(shù)竟然要有單位？！為什么光通量的單位要是“流明”而不是“瓦”？

答：人類的虛榮心或者說優(yōu)越感吧？

關(guān)于這個概念，讓我們仔細做一些澄清。
首先必須要重視的是，光通量是“光的”。所以我們只能說“陽光的光通量”，絕對不能說“那塊石頭的光通量”。其次重要的是，光通量永遠和一個截面捆綁在一起，也就是說這個量是面積有關(guān)的。當我們看到廣告說，“650流明的17“顯示器”、“1200流明的投影儀”時，它們實際分別是再說“在該17“顯示器的可視面積上的光通量為650流明”，“在該投影儀鏡頭截面上的光通量為1200流明”。我們后面將會看到，“面積相關(guān)”是如何嚴重影響著攝影實踐。

好，下面我們看圖，進一步理解這個概念。

假設(shè)有一理想探照燈L，它發(fā)出的光只在C這個光錐里前進，沒有散射，沒有損耗?，F(xiàn)在讓我們在這個光錐上切兩個截面S1、S2。那么，S1上光通量和S2上的光通量什么關(guān)系？【接下茬：Φ1等于Φ2！】是的，這兩個截面上的光通量是完全相等的。因為：在單位時間內(nèi)，全部通過S1的光都將通過S2。:expr002:

[2003-10-29 18:04 補充如下]

<P3>

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 15:48

問：且慢！如果L就是俺的閃光燈，我把MM擺在S1那里，跟擺在S2那里是顯然不同的！越遠越暗！就是說，S1上有那么多光子蜂擁而過，到S2還是那么多光子，但是明顯變稀稀拉拉了嘛！

答：呵呵。所以，只有光通量這個概念是不夠的。我們常常更迫切的要知道，在MM漂亮的臉蛋兒那么大一塊地方，到底有多少光通過了呢？換成物理的話說，單位面積上的光通量是多少——這就是照度。E = dΦ'/dS'。照度的單位是勒克斯(Lux)，記做(lx)。大家都會算啦，1 lx = 1 lm/m^2。另外還有一個極其出名的非國際標準單位：平方英尺燭光(Fc)。換算關(guān)系1fc = 10.76391x。

這里也是要特別注意的，只有光才有照度。“石頭的照度為XXX”這樣的說法是錯誤的。另外有幾個經(jīng)驗數(shù)據(jù)給大家參考：

無月夜天光在地面的照度：0.0003勒克斯；
天頂滿月在地面的：0.2勒克斯；
辦公室要求：20-100勒克斯；
陽光下非直曬區(qū)地面照度：1000－10000勒克斯；
:expr001:

[2003-10-29 18:04 補充如下]

<P4>

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 15:49

問：騙人！你一定是在欺騙群眾。安大師說：“我知道那個高度上的月亮亮度一般約250平方英尺燭光。”你說是0.2勒克斯，才0.02FC！人家安大師照自己的數(shù)據(jù)拍出了《月升》，你拍出啥了？！
答：啊……這個這個……應(yīng)該這么說，安大師的話的譯文是不嚴謹?shù)?。但?50fc這個數(shù)值并沒有問題，0.2勒克斯也沒有問題。問題出在：250fc是哪個照度？讓請容后再表。我還是重申，只有月光才有照度，月亮沒有照度。

讓我接著談mm，啊不對，談?wù)斩取?br>
回頭再看圖一，假設(shè)S2到L的距離是S1到L距離的一倍，用用初中幾何應(yīng)該能算出來，S2截面的面積是S1的四倍。但是，S1上的光通量和S2是一樣的。光通量除面積，發(fā)現(xiàn)什么了沒有？燈L在S1截面上的照度是S2截面上的四分之一。呵呵，玩兒燈的DX都知道，這叫平方反比定律：距離增x倍，光變暗1/x^2。如果你有幻燈機的話，試試把它往離幕遠那邊拉，看看圖圖是不是變暗。:expr004:

總結(jié)：照度，描述一個受光面被照程度的物理量。

[2003-10-29 18:04 補充如下]

<P5>

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 15:50

問：行了行了，別廢話了！安大師說“亮度是250fc”到底是咋回事，說不明白我跟你沒完！

答：到目前為止，我們談?wù)摿藘蓚€量，光通量和照度。有趣的是，這兩個量都是描述“一個受光面”的，缺了另一類很關(guān)鍵的情形“一個發(fā)光面”。顯然，我們還需要描述發(fā)光物體明暗的物理量。

讓我們再回去看圖一，這個燈L有多亮？反正在C光錐里它的光通量不變。那么，如果我用光通量除以這個光錐C的錐角呢？考慮一個點光源P，沿某一方向r取一立體角為dΩ細光錐，當這個光錐里的光通量為dΦ時，我們定義點光源P沿方向r的發(fā)光強度為I = dΦ/dΩ。單位立體角內(nèi)的光通量為發(fā)光強度。發(fā)光強度的單位是坎德拉(candela，記號cd)。1cd = 1lm/sr。幾十年前，發(fā)光強度的單位是“燭光”(candle)。當時真的是拿一標準蠟燭點了的亮度作標準?，F(xiàn)在作為國際單位制七個基本單位之一，坎德拉的定義是：某光源在特定方向上的發(fā)光強度。該光源發(fā)出頻率為540x10^12赫茲的單色輻射光源，并且在該方向上的輻射強度為(1/683)瓦/球面度。

呵呵，現(xiàn)在我們終于有了描述一個發(fā)光體有多亮的物理量了。:expr001:

[2003-10-29 18:05 補充如下]

<P6>

問：忽然想到，灰板就是反射光的亮度是現(xiàn)場光亮度的18%吧？:expr025:


答：應(yīng)該評論為“錯誤”。讓我們仔細分析一下：

能不能說“現(xiàn)場光的光通量”？能，單位時間通過這個現(xiàn)場這個截面的光的能量；能不能說“灰板的光通量”？不能，我們只能說“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”。關(guān)鍵在于，只有光才能有光通量，張三李四王五木頭六沒有。

能不能說“現(xiàn)場光的照度”或“灰板的照度”？均不能。但是我們可以說“現(xiàn)場光在灰板上產(chǎn)生的照度”。也可以說“灰板反射的光在我們的視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的照度”。關(guān)鍵在于，照度是“光通量除某面積”。

能不能說“現(xiàn)場光的發(fā)光強度”？不能，發(fā)光強度是對點光源而言的。我們只能說發(fā)出目前這個現(xiàn)場光的那個點光源的發(fā)光強度。能不能說“灰板的發(fā)光強度”？不能，因為灰板不是點光源，它是面光源。

能不能說“現(xiàn)場光的亮度”？不能，亮度是一發(fā)面光源（發(fā)光體）而言的?，F(xiàn)場光是入射到各個反光體的光本身，不是發(fā)光體。能不能說“灰板的亮度”？能。

好，假設(shè)有一100%反射率的表面叫“反光大牛”，和灰板并排放著，那我們可以說，灰板的亮度是反光大牛的18%。

[SteelTape 編輯于 2003-10-29 15:55]

[2003-10-29 18:06 補充如下]

<P9>

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 15:56

問：你就是想把我繞糊涂了，好讓我忘了安大師那事兒是吧？

答：我先休息一下，再回來說安大師的高論。:expr018:

Adler 發(fā)表于 2003-10-29 16:08

好！
是說好東西（并且也好玩）

可是對“灰板的亮度是反光大牛的18%”糊涂了，能不能講講“亮度”的概念。
好像“亮度”分值不是線性的吧？

[2003-10-29 23:11 補充如下]

<P10>

GGYY 發(fā)表于 2003-10-29 16:59

木及弓雖！

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 17:18

Adler，您的五層、六層樓下，請看。

GGYY，謝謝。但是估計沒什么人看。

[SteelTape 編輯于 2003-10-29 17:20]

[2003-10-29 18:08 補充如下]

Adler，能不能在你的帖子后面補充一個標簽：<P10>

謝謝。

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-29 18:35

Adler，亮度是一個物理量，我們怎么能說一個物理量線不線性呢？比如：質(zhì)量是線性的——這句話無意義。

我猜你是說：人眼對明暗感覺和亮度值的關(guān)系不是線性的?！隙ǖ?。

舉例來說，這有一塊10噸的東東，旁邊有一塊1000噸的東東。我沖上去各推一把，跟你說：一樣沉——死沉。顯然我的感覺無法告訴我一堆比另一堆重100倍。

以上是“感覺溢出”的情況。我們考慮一個不溢出的情形：

在光線均勻的屋子里，放一可均勻調(diào)節(jié)亮度（注意，永遠意味著那個物理量）的光板?，F(xiàn)在我把它的亮度設(shè)到讓你覺得白亮而不刺眼，假設(shè)這時它的亮度值為I?，F(xiàn)在我把它調(diào)暗。當這個光板的亮度為0.18I時，你的感覺告訴你：這是剛才的一半亮！

呵呵，這是18%灰的來歷。“一半亮”不是亮度為0.5I的時候，這就是非線性。

<P11>

較瘦 發(fā)表于 2003-10-29 22:39

友情幫頂！

老兄，這本來就不是個大多數(shù)人感興趣的話題，如果你想很多人關(guān)注，除非你能很醒目地告訴大家這和我們每天的攝影生活有何關(guān)系（自言自語：我也沒覺得有多大關(guān)系我要閃了）。

否則，就當自己記筆記，還帶掙工分:expr010:

不管怎樣，（以口頭言語）支持你這么認真的研究！

pipedream 發(fā)表于 2003-10-29 23:10

這不是個有趣的題目，能被你這么有趣的演繹已經(jīng)很不容易了。
鼓掌

gz12345 發(fā)表于 2003-10-29 23:13

當時題目用“擋、寬容度、反差、膠片密度、動態(tài)范圍的研究”可能人多一點。

精神可嘉。

Adler 發(fā)表于 2003-10-29 23:30

是我表達得不太清楚。

我愿意是想說：亮度的分度是非線性的，也就是說，灰板的亮度是反光大牛的一半（大約）。（和你<P11>的解釋一樣）

提出前一個問題的原因是，以前看到KODAK 灰卡的介紹，灰卡白色面反射90%的入射光,比中性灰要高出2 1/3檔。而通常認為的黑色表面是反射3％的入射光，比中性灰低2 2/3檔。
算法是這樣的：
黑卡 -- 3%
白卡 -- 90%
中灰 -- 18%
則：
90/18 = 5 = 2**2.322 -- （2的 2.322 次方） ---- 高出2 1/3檔
3/18 = 0.1667 = 2**(-2.585) --（2的 -2.585 次方） ----- 低2 2/3檔


由此也可以看出，前面說的“18%反射率的灰板的亮度是100%反射率的反光大牛的一半”也只是個近似。

[2003-10-30 09:11 補充如下]

<P12>

Adler 發(fā)表于 2003-10-29 23:40

補充一句，最近在《國家地理攝影精技》上看到“今日科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，明暗度平均的畫面，實際上只有反射照射在其上的光亮的13%（而非18%）；...”（彼得K.布里恩 羅伯特.卡普托 著，黃中憲 譯，第137頁）
不知是依據(jù)什么？是不是發(fā)現(xiàn)人眼可感知的暗部又向下延伸了？

[2003-10-30 09:12 補充如下]

<P13>

robinliu 發(fā)表于 2003-10-30 03:53

steeltape:
俺特有興趣，可是沒時間了...
俺老板昨日痛罵了俺一頓，心情糟透了。
有個東西二月份必須搞出來
不過俺有空就看看你和教授的帖子
開卷有益，后會有期。

SteelTape 發(fā)表于 2003-10-30 08:48

Adler，你還是錯了：灰板的亮度就是反光大牛的18%。請原諒我如此反復(fù)的強調(diào)：亮度是個物理量，不是心理量。——如果不把這些澄清，你自己很快就會混亂到抓狂。應(yīng)該這樣說：我們感覺灰板只有反光大牛一半亮。

非常感謝你補充的kodak的數(shù)據(jù)，很重要的數(shù)字??！另外能不能在那個帖子后面加個<P12>。

關(guān)于國家地理那個新數(shù)字13%，robinliu也提到過，他說是12.5%。我認為這種數(shù)字是在一群人身上大量實驗的結(jié)果。至于是不是意味著：可感知的弱光又往下延伸了，我猜不是。只是這個感覺中點又向弱的那一邊移動了。你那個帖子，加個標簽<P13>吧。

呵呵。下次貢獻這么有價值的信息，自己主動編個號吧。
<P14>

cguy 發(fā)表于 2003-10-30 08:56

枯燥的理論被輕松詼諧的演繹 鼓掌支持.

sysniper 發(fā)表于 2003-10-30 10:00

哇賽，不容易不容易！因為你的辛勤勞動，我是第一次如此認真地看那些公式。:expr018:

不過有一點“小錯誤”需要指出，那個“擋”如果是曝光量的話，可能應(yīng)該用“檔”。

期待盡快講到合實際攝影切實相關(guān)的，也就是題目所提到的問題上去。:expr001:

[sysniper 編輯于 2003-10-30 10:01]

gz12345 發(fā)表于 2003-10-30 10:28