Измерение светового потока по фотографии

никак.

Привет! Это очень интересный и сложный вопрос, который находится на стыке физики (оптики, фотометрии) и фотографии.

Оценка сложности: Высокая. Для точного решения требуется глубокое понимание фотометрии, калибровки камеры, а также знание характеристик сенсора и объектива.

Предполагаемый уровень пользователя: Продвинутый студент или специалист, интересующийся прикладной фотометрией или метрологией в фотографии.

Определение светового потока или интенсивности протяженного источника по фотографии

Определить абсолютный световой поток (люмены) или интенсивность (канделы) протяженного источника света по одной фотографии, снятой на обычную цифровую камеру, крайне сложно и, как правило, невозможно без предварительной калибровки и использования эталонных источников.

Однако, можно оценить относительную яркость или, при определенных условиях, светимость (яркость, кд/м²) поверхности источника, если у вас есть контрольные точки или эталонные источники в кадре, или если вы провели тщательную калибровку камеры.

Давайте разберем, почему это так сложно и что можно сделать.

Почему это сложно?

1. Нелинейность и калибровка камеры:

   • Сенсор: Цифровые сенсоры (CMOS, CCD) преобразуют свет в электрический сигнал, но этот процесс не всегда идеально линеен, особенно на краях динамического диапазона.

   • Обработка изображения: Камеры применяют множество внутренних алгоритмов обработки (шумоподавление, тональные кривые, повышение резкости, коррекция виньетирования и хроматических аберраций), которые изменяют исходные данные с сенсора. RAW-файлы содержат более "сырые" данные, но даже они не являются прямым линейным отображением интенсивности света.

   • Цветовое пространство: Изображения сохраняются в цветовых пространствах (sRGB, Adobe RGB), которые не являются линейными по отношению к интенсивности света.

   • Баланс белого: Изменяет относительные уровни красного, зеленого и синего каналов.

2. Фотометрические единицы и их связь с пикселями:

   • Световой поток (люмены, лм): Общая мощность видимого света, излучаемая источником во всех направлениях. Это интегральная величина.

   • Сила света (кандела, кд): Световой поток, излучаемый источником в определенном телесном угле. Это угловая плотность светового потока.

   • Светимость (яркость, кд/м²): Сила света, излучаемая единицей площади светящейся поверхности в определенном направлении. Это то, что мы воспринимаем как "яркость" поверхности.

   • Освещенность (люкс, лк): Световой поток, падающий на единицу площади поверхности.

   • Пиксельные значения: Значения пикселей в изображении (например, 0-255 для 8-битного изображения) пропорциональны не напрямую интенсивности света, а скорее яркости сцены, как её "видит" камера после всех преобразований.

3. Параметры съемки:

   • Выдержка (T): Время, в течение которого сенсор собирает свет. Линейно влияет на количество собранного света.

   • Диафрагма (f-число, N): Определяет размер отверстия объектива. Количество света, проходящего через объектив, обратно пропорционально квадрату f-числа (1/N21/N2).

   • ISO (S): Усиливает сигнал с сенсора. Увеличение ISO в 2 раза (например, со 100 до 200) теоретически удваивает сигнал, но также увеличивает шум. Это не увеличение реального светового потока, а усиление сигнала.

   • Объектив: Пропускание света объективом (трансмиссия), виньетирование, аберрации, блики – все это влияет на распределение света на сенсоре. T-стопы более точны, чем f-стопы, для измерения пропускания света.

Что можно сделать?

Для получения хоть сколько-нибудь осмысленных фотометрических данных по фотографии, вам потребуется калибровка системы "камера + объектив".

Метод 1: Относительная оценка яркости

Если у вас нет эталонных источников, вы можете сравнивать яркость разных частей одного и того же протяженного источника или разных источников на одной фотографии, при условии, что они были сняты в одинаковых условиях и не выходят за пределы динамического диапазона камеры (нет пересветов или провалов в тенях).

1. Снимайте в RAW: RAW-файлы содержат больше информации и меньше подвержены внутрикамерной обработке.

2. Используйте линейное цветовое пространство: При обработке RAW-файлов старайтесь работать в линейном цветовом пространстве (например, ProPhoto RGB с линейной гаммой 1.0) или напрямую с данными сенсора, если это возможно.

3. Измеряйте средние значения пикселей: В графическом редакторе (например, Photoshop, GIMP, ImageJ) выберите область интересующего протяженного источника и измерьте средние значения яркости (или отдельных каналов R, G, B) пикселей в этой области.

4. Учитывайте параметры экспозиции:

   • Нормализуйте значения пикселей по выдержке и диафрагме. Например, если PP - измеренное значение пикселя, то Pnorm=P×N2TPnorm​=P×TN2​.

   • ISO также является множителем, но его влияние на сигнал не всегда идеально линейно и может вносить больше шума. Лучше стараться снимать на одном и том же ISO.

   Это даст вам относительную меру "яркости", которая будет пропорциональна светимости (яркости) поверхности источника.

Метод 2: Калибровка для оценки светимости (яркости, кд/м²)

Это более сложный, но и более точный подход.

1. Эталонный источник яркости: Вам понадобится калиброванный источник света с известной светимостью (например, калиброванная матовая панель с подсветкой или эталонный источник яркости).

2. Съемка эталона: Снимите этот эталонный источник при тех же параметрах камеры (объектив, фокусное расстояние, выдержка, диафрагма, ISO, баланс белого) и в тех же условиях освещения, что и ваш исследуемый протяженный источник.

3. Построение калибровочной кривой:

   • Снимите эталонный источник при нескольких известных значениях яркости (если это возможно) или при разных экспозициях, чтобы получить диапазон пиксельных значений.

   • Измерьте средние пиксельные значения (например, в RAW-файле) для каждой съемки эталона.

   • Постройте график зависимости измеренных пиксельных значений от известной светимости эталона. В идеале, эта зависимость должна быть близка к линейной в пределах динамического диапазона камеры.

   • Учтите, что для каждого цветового канала (R, G, B) может быть своя кривая. Для монохромной яркости можно использовать взвешенную сумму каналов.

4. Измерение исследуемого источника:

   • Измерьте средние пиксельные значения для интересующей области вашего протяженного источника на фотографии.

   • Используйте калибровочную кривую, чтобы преобразовать эти пиксельные значения в абсолютные единицы светимости (кд/м²).

Формула для светимости (яркости) поверхности (при условии калибровки):

Если у вас есть калибровочная функция L=f(P)L=f(P), где LL - светимость (кд/м²), а PP - пиксельное значение, то вы можете напрямую получить светимость.

В простейшем линейном случае:
L=k×PnormL=k×Pnorm​
где Pnorm=P×N2×SrefT×SactualPnorm​=P×T×Sactual​N2×Sref​​ (нормализация по экспозиции и ISO, где SrefSref​ - эталонное ISO, на котором проводилась калибровка). Коэффициент kk определяется из калибровки.

Важные нюансы:

• Равномерность источника: Для протяженного источника важно, чтобы его яркость была равномерной, или чтобы вы могли измерять яркость в конкретных точках/областях.

• Угол съемки: Светимость может зависеть от угла, под которым вы смотрите на источник (например, для светодиодных панелей).

• Спектральная чувствительность: Чувствительность сенсора камеры отличается от чувствительности человеческого глаза (которая используется для определения люменов и кандел). Для точных фотометрических измерений нужна камера, спектральная чувствительность которой соответствует кривой видности человеческого глаза (V-лямбда кривая). Это редкость для обычных камер.

• Окружающее освещение: Убедитесь, что окружающее освещение не влияет на измерения (снимайте в контролируемых условиях).

• Блики и отражения: Могут искажать измерения.

Определение светового потока (люмены)

Определить общий световой поток протяженного источника по фотографии практически невозможно, так как фотография является 2D-проекцией 3D-сцены и не дает информации о свете, излучаемом в других направлениях, не попадающих в объектив. Для этого нужны специальные приборы (например, интегрирующая сфера) или очень сложные моделирование и измерения.

Определение силы света (канделы)

Силу света можно оценить, если источник можно считать точечным (или если вы измеряете силу света в определенном направлении от протяженного источника) и вы знаете расстояние до него.
I=L×AprojI=L×Aproj​
где II - сила света (кд), LL - светимость (кд/м²), AprojAproj​ - проекционная площадь источника, видимая с камеры (м²).
Но это все равно требует калибровки для получения LL.

Резюме:

• Прямое определение абсолютного светового потока или интенсивности по фотографии обычной камерой невозможно.

• Можно оценить относительную яркость (светимость) поверхности протяженного источника.

• Для получения абсолютных значений светимости (кд/м²) требуется тщательная калибровка камеры с использованием эталонных источников яркости.

• Снимайте в RAW, работайте в линейном пространстве и учитывайте параметры экспозиции (выдержка, диафрагма, ISO).

Это задача для специализированных фотометрических систем, а не для обычных фотокамер без серьезной метрологической подготовки.