【问题标题】：Raytracing and Computer Graphics. Color perception functions光线追踪和计算机图形学。颜色感知功能
【发布时间】：2021-05-30 14:01:47
【问题描述】：

总结

这是一个关于如何将光线追踪模型中计算的光强度值映射到人类感知的颜色值的问题。我建立了一个光线追踪模型，发现包括反平方定律来计算光强度会产生我认为不直观的图形结果。我认为这部分与 8 位彩色图像可用的亮度值范围有限有关，但我更可能不使用光强度和像素颜色之间的线性映射。

背景

我最近对使用光线追踪技术创建计算机图形产生了兴趣。

一个基本的光线追踪模型可能会像这样工作

即使在计算中包含表面法线时，这也会创建合理但外观平坦的图像。

我的兴趣是尝试通过将距离纳入光照计算来扩展此模型。

如果物体在距离d 处被一盏灯照亮，那么如果物体从光源移动一段距离2d，则照明强度会降低 4 倍。这就是平方反比定律。

它不适用于所有灯光模型。（例如，来自无限远距离的光的强度与物体的位置无关。）

通过玩弄我的代码，我发现这个平方反比定律并不能产生我所希望的真实光照。

例如，我为房间/场景模型构建了一些初始对象，以进行测试。

我发现的是这个

这与我的直觉预期不符。这在数学上是有意义的，因为我使用线性函数在颜色强度和 RGB 像素值之间进行转换。

将对象从距离 10 移动到距离 100 会降低颜色强度 (100/10)^2 = 100。由于像素 RGB 颜色在 0 - 255 的范围内，显然 100 的系数很重要，这可以解释为什么距离 10 处的物体移动到距离 100 处变得完全不可见。

但是，我怀疑人类对颜色的感知在某种程度上是非线性的，我认为这是一个已经在计算机图形学中解决的问题。（否则光线追踪引擎将无法工作。）

我的猜测是存在某种颜色感知函数，它描述了绝对光强度应如何映射到人类对光强度/颜色的感知。

有没有人知道这个问题或者可以指出我正确的方向？

【问题讨论】：

这是我找到的一个资源：Realistic Raytracing。亚马逊有几本涵盖光线追踪主题的书籍。
如果一个房间的墙壁距离所有的灯100m，那么你看不到它们是有道理的。与相机的距离无关。
@MattTimmermans 这没有任何意义。现实是这样运作的吗？
是的！关于与相机的距离：如果物体距离相机的距离是相机的两倍，那么它的每平方英寸向相机发送 1/4 的光，但每个像素的大小是它的 4 倍平方英寸，所以表面的感知亮度没有变化。
@MattTimmermans 我得出了同样的结论，在代码中实现了这个更改之后，我可以看到墙壁，正如我所期望的那样......所以你之前的评论没有任何意义对我来说。我们似乎仍然同意物理学。

【解决方案1】：

如果物体被距离为 d 的光照亮，那么如果物体从光源移动 2d 距离，则照明强度会降低 4 倍。这就是平方反比定律。

你在这里描述的物理量不是强度，而是radiant flux。有关光线追踪背景下辐射测量概念的讨论，请参阅Chapter 5.4 of Physically Based Rendering。

如果房间的边界与相机的距离超过 10，则颜色值会非常暗淡。如果房间的边界距离相机 100 距离，则它是完全不可见的。

平方反比定律可能是光线追踪器中点光源的一个有用的初步近似（在实现更精确的光照模型之前）。关键点是定律——辐射通量按距离的平方下降——只适用于从点光源到表面的光，不适用于从表面反射到表面的光相机。

换句话说，将相机从场景中移回不应降低渲染图像中对象的亮度；它应该只减小它们的大小。

【讨论】：

我想我的问题不是很清楚 - 最后我实际上解决了这个问题，但解决方案与你描述的相反。我最初还假设应该在我的照明计算中使用平方反比定律。它应该，但只在一个地方，而不是两个地方。为什么不那么明显 - 如果不发布大量代码，很难解释。