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星期一, 4月 02, 2018

Blender Cycles 的光源強度單位 - 日光

根據 Johnson Martin 的文章: Using Physically Correct Brightness in Cycles,Cycles 的日光(Sun Lamp)的光源強度是以輻照度(irradiance)計算。輻照度並不是光源放射的強度,而是物體表面接受到的太陽發出的電磁輻射功率,單位為 W/m^2 (瓦特每平方公尺)。

而點光源(point)、投射燈(spot)、面積光(area)、的強度則是以光源的耗能功率瓦特(watts)計算。但不同種類的光源如燈泡或日光燈的發光功率(每瓦的能量轉換爲可見光的能力)不同,所以我猜想應該是以傳統白熾燈泡爲基準。

如果日光強度也是以瓦數輸入的話,那將是一個天文數字,顯然不切實際;此外,太陽的發光功率可視爲定值,如此也沒什麼調整的空間。但地球表面接收到的日光能量隨着時間、地理位置、大氣條件而有所不同。因此以物體表面接收到的太陽能量多寡來設定日光強度,是個相對合理的規劃。

但 1 W/m^2是多亮呢?一般常用的亮度計算是照度,代表物體表面所接受到的光量。照度單位是 lx (或 lux, 勒克斯),1 lx 表示 1 平方公尺裡受到 1 lm (lumen, 流明)的光量,因此照度是個密度單位。照度受到光源強度(發出的光量),和距離的影響(平方反比);但相對於宇宙尺度,人類尺度的距離變化實在是微不足道,所以平方反比定律不適用於日光。

 輻照度/照度 換算:
  • 1 W/m^2 = 683 lx; 
  • 1 lx = 0.001464 W/m^2
外科手術需要的亮度是 20,000 lx,製圖、精密作業也需要 1,500~3,000 lx 的亮度,所以 683 lx 實在不算頂亮,跟陽光真正的照明能力實在差太多!不過用來閱讀、寫字倒是夠了。

Wiki 的資料說明,在正午陽光直射時,室外的照度可達12萬 lx,人眼無法直視這樣的亮度太久。照度又跟緯度相關,緯度愈高、照度愈低。根據陳怡永等三人換算氣象局資料,台北市戶外的照度,平均值最高也可達到 6.2萬 lx。以下根據陳怡永等三人的論文中的照度資料,推算陽光強度,算繪結果如下圖:
  • 冬季早上 10 點的照度約為 25,000,換算陽光強度取 40;
  • Sun Position Add-on 設定 11 月 10 日上午 10:30 分太陽的方位及照射角度;
  • 窗戶設置 portal;
  • 背景爲 HDRI, 強度爲1;
  • 256 Samples, Denoising;
  • 色彩管理 Filmic, Medium High Contrast。

以個人的真實空間經驗來看,在充足的陽光照射下,上圖的背景跟陽光沒有直接照射到的牆面,亮度不足。戶外照度是陽光及大氣反射綜合作用的結果,因此我認為以上推算出來的強度,應該進一步分配給陽光和背景。但陳怡永等三人的論文並未提供漫射照度(非陽光直射處的照度),無法推算背景光源強度。

利用 Google 找到一篇實驗地點位於印度新德里的論文,其中的資料包含漫射照度,雖然地理條件有所差異,但至少有有所依據。從中推算冬天上午10點的漫射照度約佔整體照度的30%。我假設 Background 節點的強度單位應該也是 W/m^2,所以將陽光強度設為28(40*0.7),背景強度設為12(40*0.3),其餘設定相同。算繪結果如下:


References:
Blender 學習筆記

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