成像过程中的光度学特性

24.2.3 光线：成像过程中的光度学特性

光线是视觉的重要先决条件。如果没有光，无论场景多么丰富多彩，所得到的图像也只是漆黑一片。光度学的研究对象是光。出于我们的目标，我们将建立模型来描述场景中的光是如何映射成图像平面上随时间变化的光线亮度的，记作I (x, y)[23]。视觉系统反向地使用该模型，由图像的亮度得到世界的一些特性。图24.3显示了一幅关于桌上的一个订书机的数字化图像，以及从订书机图像上提取的一块包含12 × 12像素的局部特写。一个试图对图像进行解释的计算机程序将不得不从类似的亮度值矩阵开始。

图像中一个像素的亮度正比于投影到该点的那部分场景表面朝透镜方向发出的光线总量。而这又取决于那部分场景表面的反射特性以及场景内光源的位置和分布。同时也与场景中其它部分的反射特性有关，因为其它场景表面通过反射光线可以起到间接光源的作用。

我们可以为两种不同的反射建立模型。镜面反射是指从物体外表面反射光线，服从反射角等于入射角的约束。这是理想镜面的行为表现。漫反射是透入物体表面的光线，被物体吸收然后重新发射出来。对于一个完美的漫反射表面（或朗伯（Lambertian）表面）来说，从所有方向观察，物体表面的漫射光的亮度都是一样的。该亮度只与光源的入射角有关：对于一个直接正对的光源来说，将反射大部分的光线，而对于一个几乎平行于物体表面的光源来说，几乎不反射任何光线。在介于这两种极限状态之间的情况下，反射光的强度I服从朗伯余弦定律，

I=kI0 cosθ

其中 I0是光源发出的光强度，θ 是光源和反射面法线之间的夹角，k 是一个常数，称为反射率，它的值取决于表面的反射特性，在0（完全黑色的表面）到1（纯白色的表面）之间变化。

在实际生活中，物体表面体现出一种漫反射和镜面反射相结合的性质。如何把它转化为计算机上的模型，则是计算机图形学的看家本领。真实图像绘制（rendering realistic images）通常采用光束跟踪的方法，其目标是模拟光线从光源中产生，并经过一次和多次反射的实际过程。

图24.3 （a）书桌上的一个订书器的照片。（b）从（a）中截取的12 × 12像素块的放大视图。（c）范围为0到255的相关图像亮度值