论文部分内容阅读
摘 要： 本研究提出了一种检测照明中人眼对光学参数敏感度的装置，该测试装置的主体结构基于对半透镜的巧妙应用。该结构由三个相互贯通的立方体构成并呈“L”形排放，其中位于轉角位置的立方体对角线装配有一块半透明玻璃。该半透明玻璃把位于两个单独空间中具有不同照明参数的场景合二为一，从而使观测者能够同时观测到位于不同空间中的照明场景。除了主体结构之外，本文还提出了一种便于调节光线入射方向、密度和柔和度的光源供给方法。该装置的提出将会给检测实际照明中人眼对光学参数微小变化敏感度研究带来很大的便利。
关键词： 入射角度、密度、柔和度、主观敏感度、半透明镜、测试装置
【中图分类号】 TN219 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）15-0101-02
1.简介：
真实照明场景中的灯光分布非常复杂，光线一旦出射，就展开了和周围环境反射，在物体间相互反射，折射的旅程，形成了所谓的 “光场（light field）” （Gershun 1939）。“光场” 是光在空间中的整体分布，和“电场”或“磁场”概念类似。虽然“光场”的形成与光源密不可分，但它并不是一个光源的参数，而是光和外围空间相互作用的产物。人类的视觉系统对空间中的光分布较为敏感，具体表现为我们对一个物体在某种照明环境下该有怎么样的外观表现在大脑中会有所预设。这是因为人类的视觉系统通过观察环境中其他物体的外观能够大致推测出光在整个环境中的分布情况从而推断出其它物体的外观（Schirillo 2013）。拼凑的图片往往会给人不真实感就是这个原因，因为拼凑的部分光照情况难免存在差异。在电影或游戏的虚拟场景模拟中，模拟的人物和周围的场景要想达到较好的融合感，光照必须尽量保持一致。
心理物理学的研究表明，人类的视觉系统对分辨光场分布的“方向”、“密度”和“柔和度（亦称diffuseness，表征光照的各向异性）”这三个低阶分量非常在行（Koenderink， Pont etal. 2007， Te Pas and Pont August 2005）在大自然中，大多数的材质具有散射光的特性，这种特性充当了低通滤波器的作用，滤除了光场高阶分量的影响（Basri and Jacobs 2003， Epstein， Hallinan et al. June 1995）。因此，大多数自然材质在光照下的外观归功于光场的低阶分量（Mury， Pont et al. 2009）。
光的“方向”通俗地讲就是光从物体的哪个方向照射过来，它是由各方向的光线经过空间中某一点时的平均传播方向决定的，它影响着物体上阴影的形成位置和投影的方向（如图 1 （a）和（b）所示）。“密度”即空间中所有的光在空间某一点各方向上的平均照度，区别于某一个平面的照度，它表征着一个物体在空间中总体被照亮的程度（如图 1（c）和（d）所示）。“柔和度”是对灯光在空间中某一点分布均匀性的衡量，亦称光照的各向异性，若空间中的光完全是由某一个点光源出射，那么我们称之为单一方向的光，如沙滩上的日光，这种光照往往会在物体上形成厚重的阴影和强烈的明暗对比；随着光源面积增大，散度水平增大，光照会变得更加均匀更加柔和，被照射的物体的轮廓感会逐渐减弱，极限情况为光在空间分布达到完全均匀时，即使很立体的物体都会显得扁平（如图 1 （e），（f）和（g）所示）。光照的“密度”，“方向”和“柔和度” 的变化影响着空间中物体的外观以及整个空间的视觉体验。 现代照明设计之父Richard Kelly 把“焦点光（focal glow）”，“环境光（ambient luminance）”和“闪耀的光辉（brilliants）”奉为光效三要素，并指出光效的产生过程就像作画一样是由三要素相互叠加产生的。而光照的“方向”和“柔和度”决定了“焦点光”的强弱以及方向，“密度”决定了“环境光”的大小（Kelly， Neumann et al. 2010）。
然而，如何有效测量人眼对光源中光学参数变化的主观反应却面临以下两大难题（1）普通光源所提供的光学参数固定，若要调整光学参数需要更换不同种类的光源，在一般的实验环境中很难实现，因为设备要求高，而且频繁更换耗时耗力。（2）由于人眼对光具有自适应性，故考察人眼对光学参数的敏感度最有效和直接的方法是对比法。这在真实环境中很难实现，因为很难做到两种光环境在空间上独立却在时间上同时被观测到。因此，若能发明一个既可以方便调节光学参数，又可以把两种光学环境在空间上独立开来又能同时被观察者观测到的装置，将会给人眼对光学参数主观敏感度的测试带来很大的便利。
2.光学参数敏感度测量装置
检测照明中人眼对光学参数敏感度的装置，其特征在于，包括（1）敏感度测试装置主体结构，（2）光学参数调节方法以及（3）控制系统。
2.1主体结构。
照明中光学参数敏感度测试装置主体结构由三个相互贯通的立方体以及一面半透明的玻璃组成。如图 2所示，三个立方体A、B、C呈“L”形排布，位于转角位置的立方体C对角线上装有一面半透明玻璃，由此，若从视窗里往内部看，位于立方体A和立方体B内部的物体各贡献50%的视觉影像。当检测人眼对光学参数敏感度时，被照射场景分别设置于“L”两端的两个立方体A和B内部，通过视窗观察，两个独立的场景合二为一。为了避免光线在立方体内部和腔壁发生反射作用，所有立方体内部贴有防反射作用的黑色绒纸。两套独立光源分别覆盖于两立方体A和B顶部，故观察者可以通过调整光源光学参数使两套照射场景的光照情况在视觉上统一，已达到检测人眼对照明中光学参数敏感度的目的。
2.2光学参数调节方法。
光学参数调节包含对光源亮度、柔和度以及入射角度的调节。首先光源由两块LED显示屏提供，它们覆盖于两设定场景的立方体A和B顶部。 光源亮度的調节通过改变显示器上显示白色光斑的像素值达到。图 3 给出了光源亮度变化的示例。
光源入射角度的调节通过改变显示器上光斑显示的位置达到。图 4 为光源从不同角度入射的示例。
光源柔和度的调节通过改变显示器上光斑的大小达到，光斑越大，出射光越均匀越柔和；光斑越小，光线越集中越刺目，越容易产生阴影。图 5 为光源不同柔和度的示例。当光斑尺寸变大时，我们在其内部随机位置填充黑色像素以保证出射光总量相同。
2.3实验控制系统。
控制系统界面位于另一台显示屏上，与提供光源的两台LED显示屏由一个三个接口的分屏器相连于同一主机。控制系统含有光源校准模块，测试光学参数设定模块以及光学参数调整模块，如图 6 所示。
控制系统中的光源校准主要实现对立方体A和B顶部的两块显示屏的亮度进行调节的作用。尽管两块LED显示屏为同一型号同一批次生产， 但实际中同一灰度值下亮度会有所偏差，分别设为I1和I2。同理，半透明玻璃理论上透过的光和反射的光各占一半，但是实际上会有所偏差，设反射率为α，透射率为β。故，两个立方体中的场景在视窗中观察时地位对等必须使校准时，把标准白板垂直45°放置于立方体A（立方体B）内，在控制面板上设置立方体A（立方体B）顶部LED灰度值从0到255（如图 7所示），通过视窗，用亮度计测量出对应标准白板的亮度，故可以得到场景A中可见亮度和屏幕灰度值的关系以及场景B中可见亮度和屏幕灰度值的关系。由于在测量光学敏感度时被试调整的是屏幕灰度值，故通过以上的校准步骤，可以转换到场景A和场景B中可见亮度之间的关系。
控制系统的第二大任务是实现对光学参数的设定功能。在进行敏感度测试时，实验管理员会设置不同的光学参数场景，包含不同的光源亮度、柔和度以及入射角度的组合场景。我们把这些不同的组合参数都记录于一个文档中，实验时直接调用这个文档，读出参数，对电脑屏幕上的光斑进行设置，如图 7所示。
进行实验时，被试参考已设光学场景（譬如立方体A中的光学设定），对另一个立方体（譬如立方体B）中的光学参数进行调整。调整的过程通过键盘控制，譬如，被试按上下左右四个方向箭头对光源的位置进行调整，设定键盘上另一个键和上下方向箭头组合对亮度或光源大小进行调整。调整时，步长又可有小步长和大步长之分。当被试按下“Enter”键确定自己所调参数之后，控制系统自动读取下一个场景的参数并设定，被试开始下一轮光参的调节。
3.总结
基于对半透镜的巧妙应用，本研究提出了一种检测照明中人眼对光学参数敏感度的装置。该测试装置把位于两个单独空间中具有不同照明参数的场景合二为一，从而使观测者能够同时观测到位于不同空间中的照明场景。 此外，本文还提出了一种便于调节光线入射方向、密度和柔和度的光源供给方法。该装置将会给检测实际照明中人眼对光学参数微小变化敏感度研究带来很大的便利。
4.致谢
本研究由国家自然科学基金青年项目No.61703140，No.61603123，江苏省自然科学基金青年项目BK20170304，江苏省自然科学基金重点项目257 （BE2017071， BE2017647），以及中央高校基金项目No.2017B02814，No.2016B03014，No.2018B47114和常州国际交流项目258（CZ20170018）提供资金支持。
参考文献
[1] Basri， R. and D. W. Jacobs （2003）. "Lambertian reflectance and linear subspaces." Pattern Analysis and Machine Intelligence， IEEE Transactions on 25（2）： 218-233.
[2] Epstein， R.， et al. （June 1995）. 5/spl plusmn/2 eigenimages suffice： an empirical investigation of low-dimensional lighting models. Physics-Based Modeling in Computer Vision， 1995.， Proceedings of the Workshop on Cambridge， MA， USA， IEEE.
[3] Gershun， A. （1939）. "The light field （translated by Moon， Parry Hiram and Timoshenko， Gregory）." Journal of Mathematics and Physics 18： 51-151.
[4] Kelly， R.， et al. （2010）. The Structure of Light： Richard Kelly and the Illumination of Modern Architecture， Yale University Press.
[5] Koenderink， J. J.， et al. （2007）. "The visual light field." Perception 36（11）： 1595-1610.
[6] Mury， A. A.， et al. （2009）. "The structure of light fields in natural scenes." Appl. Opt. 48（28）： 5386-5395.
[7] Schirillo， J. A. （2013）. "We infer light in space." Psychonomic bulletin & review 20（5）： 905-915.
[8] Te Pas， S. F. and S. C. Pont （August 2005）. A comparison of material and illumination discrimination performance for real rough， real smooth and computer generated smooth spheres. Proceedings of the 2nd symposium on Applied perception in graphics and visualization， Spain， ACM.
关键词： 入射角度、密度、柔和度、主观敏感度、半透明镜、测试装置
【中图分类号】 TN219 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）15-0101-02
1.简介：
真实照明场景中的灯光分布非常复杂，光线一旦出射，就展开了和周围环境反射，在物体间相互反射，折射的旅程，形成了所谓的 “光场（light field）” （Gershun 1939）。“光场” 是光在空间中的整体分布，和“电场”或“磁场”概念类似。虽然“光场”的形成与光源密不可分，但它并不是一个光源的参数，而是光和外围空间相互作用的产物。人类的视觉系统对空间中的光分布较为敏感，具体表现为我们对一个物体在某种照明环境下该有怎么样的外观表现在大脑中会有所预设。这是因为人类的视觉系统通过观察环境中其他物体的外观能够大致推测出光在整个环境中的分布情况从而推断出其它物体的外观（Schirillo 2013）。拼凑的图片往往会给人不真实感就是这个原因，因为拼凑的部分光照情况难免存在差异。在电影或游戏的虚拟场景模拟中，模拟的人物和周围的场景要想达到较好的融合感，光照必须尽量保持一致。
心理物理学的研究表明，人类的视觉系统对分辨光场分布的“方向”、“密度”和“柔和度（亦称diffuseness，表征光照的各向异性）”这三个低阶分量非常在行（Koenderink， Pont etal. 2007， Te Pas and Pont August 2005）在大自然中，大多数的材质具有散射光的特性，这种特性充当了低通滤波器的作用，滤除了光场高阶分量的影响（Basri and Jacobs 2003， Epstein， Hallinan et al. June 1995）。因此，大多数自然材质在光照下的外观归功于光场的低阶分量（Mury， Pont et al. 2009）。
光的“方向”通俗地讲就是光从物体的哪个方向照射过来，它是由各方向的光线经过空间中某一点时的平均传播方向决定的，它影响着物体上阴影的形成位置和投影的方向（如图 1 （a）和（b）所示）。“密度”即空间中所有的光在空间某一点各方向上的平均照度，区别于某一个平面的照度，它表征着一个物体在空间中总体被照亮的程度（如图 1（c）和（d）所示）。“柔和度”是对灯光在空间中某一点分布均匀性的衡量，亦称光照的各向异性，若空间中的光完全是由某一个点光源出射，那么我们称之为单一方向的光，如沙滩上的日光，这种光照往往会在物体上形成厚重的阴影和强烈的明暗对比；随着光源面积增大，散度水平增大，光照会变得更加均匀更加柔和，被照射的物体的轮廓感会逐渐减弱，极限情况为光在空间分布达到完全均匀时，即使很立体的物体都会显得扁平（如图 1 （e），（f）和（g）所示）。光照的“密度”，“方向”和“柔和度” 的变化影响着空间中物体的外观以及整个空间的视觉体验。 现代照明设计之父Richard Kelly 把“焦点光（focal glow）”，“环境光（ambient luminance）”和“闪耀的光辉（brilliants）”奉为光效三要素，并指出光效的产生过程就像作画一样是由三要素相互叠加产生的。而光照的“方向”和“柔和度”决定了“焦点光”的强弱以及方向，“密度”决定了“环境光”的大小（Kelly， Neumann et al. 2010）。
然而，如何有效测量人眼对光源中光学参数变化的主观反应却面临以下两大难题（1）普通光源所提供的光学参数固定，若要调整光学参数需要更换不同种类的光源，在一般的实验环境中很难实现，因为设备要求高，而且频繁更换耗时耗力。（2）由于人眼对光具有自适应性，故考察人眼对光学参数的敏感度最有效和直接的方法是对比法。这在真实环境中很难实现，因为很难做到两种光环境在空间上独立却在时间上同时被观测到。因此，若能发明一个既可以方便调节光学参数，又可以把两种光学环境在空间上独立开来又能同时被观察者观测到的装置，将会给人眼对光学参数主观敏感度的测试带来很大的便利。
2.光学参数敏感度测量装置
检测照明中人眼对光学参数敏感度的装置，其特征在于，包括（1）敏感度测试装置主体结构，（2）光学参数调节方法以及（3）控制系统。
2.1主体结构。
照明中光学参数敏感度测试装置主体结构由三个相互贯通的立方体以及一面半透明的玻璃组成。如图 2所示，三个立方体A、B、C呈“L”形排布，位于转角位置的立方体C对角线上装有一面半透明玻璃，由此，若从视窗里往内部看，位于立方体A和立方体B内部的物体各贡献50%的视觉影像。当检测人眼对光学参数敏感度时，被照射场景分别设置于“L”两端的两个立方体A和B内部，通过视窗观察，两个独立的场景合二为一。为了避免光线在立方体内部和腔壁发生反射作用，所有立方体内部贴有防反射作用的黑色绒纸。两套独立光源分别覆盖于两立方体A和B顶部，故观察者可以通过调整光源光学参数使两套照射场景的光照情况在视觉上统一，已达到检测人眼对照明中光学参数敏感度的目的。
2.2光学参数调节方法。
光学参数调节包含对光源亮度、柔和度以及入射角度的调节。首先光源由两块LED显示屏提供，它们覆盖于两设定场景的立方体A和B顶部。 光源亮度的調节通过改变显示器上显示白色光斑的像素值达到。图 3 给出了光源亮度变化的示例。
光源入射角度的调节通过改变显示器上光斑显示的位置达到。图 4 为光源从不同角度入射的示例。
光源柔和度的调节通过改变显示器上光斑的大小达到，光斑越大，出射光越均匀越柔和；光斑越小，光线越集中越刺目，越容易产生阴影。图 5 为光源不同柔和度的示例。当光斑尺寸变大时，我们在其内部随机位置填充黑色像素以保证出射光总量相同。
2.3实验控制系统。
控制系统界面位于另一台显示屏上，与提供光源的两台LED显示屏由一个三个接口的分屏器相连于同一主机。控制系统含有光源校准模块，测试光学参数设定模块以及光学参数调整模块，如图 6 所示。
控制系统中的光源校准主要实现对立方体A和B顶部的两块显示屏的亮度进行调节的作用。尽管两块LED显示屏为同一型号同一批次生产， 但实际中同一灰度值下亮度会有所偏差，分别设为I1和I2。同理，半透明玻璃理论上透过的光和反射的光各占一半，但是实际上会有所偏差，设反射率为α，透射率为β。故，两个立方体中的场景在视窗中观察时地位对等必须使校准时，把标准白板垂直45°放置于立方体A（立方体B）内，在控制面板上设置立方体A（立方体B）顶部LED灰度值从0到255（如图 7所示），通过视窗，用亮度计测量出对应标准白板的亮度，故可以得到场景A中可见亮度和屏幕灰度值的关系以及场景B中可见亮度和屏幕灰度值的关系。由于在测量光学敏感度时被试调整的是屏幕灰度值，故通过以上的校准步骤，可以转换到场景A和场景B中可见亮度之间的关系。
控制系统的第二大任务是实现对光学参数的设定功能。在进行敏感度测试时，实验管理员会设置不同的光学参数场景，包含不同的光源亮度、柔和度以及入射角度的组合场景。我们把这些不同的组合参数都记录于一个文档中，实验时直接调用这个文档，读出参数，对电脑屏幕上的光斑进行设置，如图 7所示。
进行实验时，被试参考已设光学场景（譬如立方体A中的光学设定），对另一个立方体（譬如立方体B）中的光学参数进行调整。调整的过程通过键盘控制，譬如，被试按上下左右四个方向箭头对光源的位置进行调整，设定键盘上另一个键和上下方向箭头组合对亮度或光源大小进行调整。调整时，步长又可有小步长和大步长之分。当被试按下“Enter”键确定自己所调参数之后，控制系统自动读取下一个场景的参数并设定，被试开始下一轮光参的调节。
3.总结
基于对半透镜的巧妙应用，本研究提出了一种检测照明中人眼对光学参数敏感度的装置。该测试装置把位于两个单独空间中具有不同照明参数的场景合二为一，从而使观测者能够同时观测到位于不同空间中的照明场景。 此外，本文还提出了一种便于调节光线入射方向、密度和柔和度的光源供给方法。该装置将会给检测实际照明中人眼对光学参数微小变化敏感度研究带来很大的便利。
4.致谢
本研究由国家自然科学基金青年项目No.61703140，No.61603123，江苏省自然科学基金青年项目BK20170304，江苏省自然科学基金重点项目257 （BE2017071， BE2017647），以及中央高校基金项目No.2017B02814，No.2016B03014，No.2018B47114和常州国际交流项目258（CZ20170018）提供资金支持。
参考文献
[1] Basri， R. and D. W. Jacobs （2003）. "Lambertian reflectance and linear subspaces." Pattern Analysis and Machine Intelligence， IEEE Transactions on 25（2）： 218-233.
[2] Epstein， R.， et al. （June 1995）. 5/spl plusmn/2 eigenimages suffice： an empirical investigation of low-dimensional lighting models. Physics-Based Modeling in Computer Vision， 1995.， Proceedings of the Workshop on Cambridge， MA， USA， IEEE.
[3] Gershun， A. （1939）. "The light field （translated by Moon， Parry Hiram and Timoshenko， Gregory）." Journal of Mathematics and Physics 18： 51-151.
[4] Kelly， R.， et al. （2010）. The Structure of Light： Richard Kelly and the Illumination of Modern Architecture， Yale University Press.
[5] Koenderink， J. J.， et al. （2007）. "The visual light field." Perception 36（11）： 1595-1610.
[6] Mury， A. A.， et al. （2009）. "The structure of light fields in natural scenes." Appl. Opt. 48（28）： 5386-5395.
[7] Schirillo， J. A. （2013）. "We infer light in space." Psychonomic bulletin & review 20（5）： 905-915.
[8] Te Pas， S. F. and S. C. Pont （August 2005）. A comparison of material and illumination discrimination performance for real rough， real smooth and computer generated smooth spheres. Proceedings of the 2nd symposium on Applied perception in graphics and visualization， Spain， ACM.