光影的基本原理范文篇1

关键词动画电影色彩匹配数字电影

中图分类号：J9文献标识码：A

“数字影视特效”本身是基于计算机的软硬件环境，运用计算机图形图像学原理和方法，将多种源素材（包括实拍的画面和计算机生成的画面）混合成单一复合图像的处理过程。多种源素材能否在色彩、运动、透视、素材锐度等方面达到真实统一将直接影响到影视作品的可信性，尤其对于影视艺术的最重要表现元素――色彩――的处理，更加直接关乎影视艺术表现的艺术性。因此对于任何一位数字影视特效制作者，无不深知色彩在整个影视特效制作环节中的重要作用。

1动画电影与数字影视特效中的色彩匹配与校正

数字影视特效中的色彩调整主要分为色彩匹配和色彩校正，两者既有区别又有联系，在制作中有时又是相互叠合。因此对色彩匹配和色彩校正的探究，不仅对数字影视特效制作具有指导作用，还将对影视艺术提供一种新的创作可能。

数字影视制作中，相当多的问题需要数据化、需要量化，需要有明确的制作目的性，如果仍旧单纯套用经验进行制作，不仅很难达到作品的预期艺术性，同时还消耗了大量的时间和金钱。

数字影像的另一主要表现形式数字动画电影的色彩匹配与校正与数字影视特效又有很大的不同，动画电影的色彩处理更为突出色彩夸张及色彩造型。因此，本文在进行数字色彩匹配和校正方法研究的同时，更是想激发影视色彩处理的更多可能。

2计算机中的色彩处理原理及色彩检测

人们对色彩是如此地敏感，计算机的色彩处理能力也越来越强，并早已实现了千万色的色彩再现，那么在影视创作中，如何在人眼的色彩感知范围内使计算机处理的色彩得到最大程度的艺术表现，对数字色彩处理有极其重要的指导意义。因此在探讨数字色彩匹配和色彩校正之前，我们先来了解一下人眼识别色彩的基本规律，以及计算机对色彩处理及检验的基本原理。

2.1人眼对色彩识别的一般规律

从原理上讲，单一波长的电磁辐射所发出的可见光称为谱色光或单色光。人眼对此感觉到的是一种单纯、鲜艳的颜色，可称为谱色或单色。但在自然界中，人眼所看到的各种光源发射出的可见光都不是谱色光，他们是由连续光谱或是线状光谱构成的，它们所发出的光线称为复合光。

无论谱色光（单色光）或复合光，都基于亮度、色调、饱和度三个参量得以描述。

亮度表示彩色光对人眼刺激的强弱，与进入人眼的色光所包含的能量有关。光源的发光强度越高和彩色物体表面的光谱反射率越高，物体的亮度越高。

色调是彩色之间相互差异的重要特征所在。可见光谱中不同波长的谱色光有不同的色调。人眼大体能分辨出200多种不同的的色调。

2.2计算机中的色彩处理原理与监测

前面谈论了人眼对色彩识别规律，接下来我们探讨计算机中的色彩处理和监测的一些概念和方法，这将加深我们对数字色彩的认识。

计算机是通过数学的方式，经过程序计算形成图像。任何图像，不管它如何复杂，在计算机中都是像素的集合。

每一个像素的颜色都能单独设定。现行通用的PC对图像的设定是通过24位真彩色或更高位数来进行描述的。在表达彩色图像或黑白图像时，采用的是颜色通道（channel）的管理方式。

3数字色彩处理对影视创作的影响

无论是电影之前的美术，舞台美术，还是现代的影视美术，造型、色彩、质感都是众多导演和艺术家孜孜以求，期望完美的。本系列论文分别从各个角度对现代数字工业下的动画电影和数字影视所苛求的各方面元素进行了详细阐述。

色彩匹配与校正是基于宏观几何模型造型基础上的艺术性表达。色彩在电影创作中的运用起到了跨时空进行空间色彩再创作的作用。

所谓电影的色彩基调，是指为影视片的整体风格、类型建构，而在色彩造型与表现方面所作的基本调子配置的色彩。它是导演前期创意构思和后期视听语言合成时总体把握的产物。影视色彩创建应使影视色彩造形既有丰富而深刻的内涵意蕴，又有鲜明的视觉语言特征。

现代数字技术背景下，色彩再创作已经成为众多导演的必然选择。后期数字色彩匹配和校正不但降低了对传统诸如色片控制，色温控制的依赖，更是赋予导演更宽泛的创作空间。

4结语

本文限于篇幅，仅就动画电影与数字电影中的色彩匹配与校正一项环节的基础知识，制作要素，评价要素进行了分析与阐述。作为《数字影视特效中的综合匹配系列论文》中的第二篇，本文上承造型与模型匹配，下接后期流程中的材质灯光匹配，以及更后续的色彩管理，灯光渲染匹配等内容，以介绍基础知识细节和制作要点，以数字影视特效中的综合匹配为线索，穿起整条综合匹配的大龙，为中国的后期特效制作行业添砖加瓦。

参考文献

光影的基本原理范文

关键词：几何光学；教学内容；现代化；实践应用

前言：随着几何光学的教学内容的现代化实践应用越来越广泛，相关的科员人员对于几何光学的现代化应用的研究也越来越关注，几何光学作为物理学科中的重要组成部分，它是以光线为基础，研究光线在各种介质中的传播规律与现象，从而制造出各种具有实用价值的光学仪器，为我国的光学现代化应用提供了重要的前提，奠定了坚实的基础。而在几何光学现代化的环境下，要不断的对几何光学的教学内容进行改进，从而制定出更加科学合理的教学大纲，让学生对于几何光学的知识掌握的更加全面具体，从而提高学的创新能力与科学素养。

一、几何光学教学内容概述

（一）几何光学的定义

几何光学是光学学科中的分支学科，它是以光线为基础，研究光的传播和成像规律的实用性学科。在几何光学中，把物体看做是几何点，将它所发出的光束看作是几何光线的集合，而光线的方向就代表光的传播方向。以此为基本条件，根据光线的传播规律，研究物体被透镜或其他光学元件所能成像的过程，将其应用到光学仪器的设计方面具有很高的实用价值。

（二）几何光学的教学内容

我国目前对于几何光学的教学内容主要包括：（1）几何光学的基本定律；（2）费马原理；（3）成像的基本概念；（4）光在平面上的反射和折射；（5）光导纤维；（6）棱镜；（7）光在单球面上的折射和反射；（8）薄透镜；（9）共轴球面系统的逐次成像法；（10）共轴球面系统旁轴成像的矩阵方法；（11）光学仪器的应用；（12）现代光学的介绍及应用；（13）光的衍射；（14）光的干涉；等有关几何光学的主要内容。几何光学作为普通物理的基础学科，无论是教学模式还是教程都主要是以几何光学为主，这就导致了我国物理专业的本科毕业生对几何光学的知识方法与应用掌握不全，要加强对于几何光学的知识补给，以满足我国对于光学领域人才的需求。教师要注重几何光学教学的内容与实践的结合，让我国的几何光学应用领域得到全面的发展。

二、几何光学教学内容现代化应用实践

在几何光学中最基础的就是反射、折射的原理，在现代的技术中对于这两个原理的应用也是最广泛的，而其中的利用全反射原理主要的一个应用就是光纤通信，目前光纤通讯可以说是互联网通讯中最重要的通讯方式之一，所涉及到的应用也是最广泛的。利用几何光学教学内容的反射原理制造的光学投影仪，利用光的成像原理所制造出的数码相机，利用光的反射原理制作的哈文望远镜等，我国目前已经对于几何光学在现代化的应用中做出了一定的成就，在此基础之上，还要对几何光学的教学内容进一步的拓展，进而使学生对于几何光学的知识储备更加具体全面，将有助于对学生科学素质的培养。

（一）光纤通讯

通过发射端将所要传输的光线转化成信号，然后再将其调制到激光器发出的激光束上面，让光线的强度因为信号的幅度而具有不同的变化，之后再通过光纤将其发送出去；而在接收端检测器将收到光信号变换为电信号，经解调后恢复成为原来由信息，以此就形成了光纤通讯。

（二）自聚焦透镜

当光线在空气中传播遇到不同介质时，会使其原有的传播方向发生改变。传统透镜是通过控制透镜表面的曲率的改变，来使其产生的光程差将光线汇聚成一点。对于1/4节距的自聚焦透镜来说，当从一端射入一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线会汇聚在另一面上。而这种端面聚焦的功能就是传统曲面透镜所无法达到的。自聚焦透镜是光纤通讯中的无源器件中不可或缺的基础光学器件，自聚焦透镜也在现代的光学仪器中得到了广泛的引用，例如：枪的瞄准器、耦合器、光开关、光隔离器以及波分复用器。

（三）光学投影仪

将资料放在工作台上，在经过光线的照明之后，让其由物镜经过光镜，从而反射到投影屏上，就形成了一个与原有资料完全相反的影像。或是完全相同的影像。资料就通过了放大，成像在投影屏上，之后再利用工作_上的数位测量系统，对投影屏上的资料轮廓进行座标测量，也可利用投影屏旋转角度数显系统对工件轮廓的角度进行测量。光学投影仪成像分为正像和反像两种。

（四）数码相机

光线通过镜头进入相机内部，再通过数码相机具有的成像元件的转化，最终将光线形成具体的影像。数码相机的主要的成像元件包括CCD和CMOS，其特点是在光线通过的时候，根据光线的不同组成从而转化为不同的电子信号，进而形成完整的光学成像。

（五）哈文望远镜

光影的基本原理范文

关键词：三维激光描仪；点坐标；数据拓扑管理；色彩修正

1三维激光点坐标计算方法

三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统，如图1.1，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。由此可得三维扫描点P坐标的计算公式（1-1）：

图1.1三维激光扫描仪的内部坐标系

（1-1）

2三维激光数据拓扑管理

通过三维激光扫描仪可获得点云的空间坐标和激光强度。根据三维激光的基本原理，可以将三维激光数据映射到、面（取值范围为、取值范围为），如式（2-1）所示。沿、面以、等角展开，如式（2-2）所示，生成行列的二维矩阵，建立矩阵与点云的对应索引矩阵。由于三维激光扫描过程中存在点云丢失、系统误差和计算误差，使得有些栅格里面有多个点，有些栅格中无点（栅格中存放对应点的下标）。

(2-1)

(2-2)

其中：为二维矩阵的行数，为二维矩阵的列数。

三维激光数据无法得到、，可以通过三维激光扫描设置参数中的扫描分辨率（水平分辨率和垂直分辨率）和设置扫描时测距点到激光头距离（）得到，如式（2-3）所示。

(2-3)

三维激光扫描仪扫描文件是经过加密的，无法直接读取操作，只能通过配套软件导出ASCII码，但导出的三维激光数据中无水平分辨率和垂直分辨率及扫描设置时测距点和激光头之间的距离。本系统采用、自适应判断算法：假设不存在点云丢失和点云误差以及扫描设置水平间隔和垂直间隔相等，三维激光数据在展示球面上分布均匀；每个点占面积为，总面积为，因此可得式（2-4）。

(2-4)

3三维激光数据的可视化索引管理

人眼看到的任何自然界的图像都是连续的模拟图像，其形状和形态表现由图像各位置的颜色所决定。色度理论认为，任何颜色都可以由红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）三种基本颜色按不同的比例混合得到，红、绿、蓝被称为三原色，简称RGB三原色，因此，自然界的图像可用基于位置坐标的三维函数来表示，即：

(3-1)

其中表示空间坐标为位置点的颜色，、、分别表示该位置点的红、绿、蓝三种原色的颜色分量。它们都是空间的连续函数，即连续空间的每一点都有一个精确的值与之相对应。

为了研究方便，我们主要考虑平面图像，平面上每一点仅包含两个坐标值，因此，平面图像函数是连续的二维函数，即：

(3-2)

图像可以分为黑白图像和颜色图像，所谓黑白图像，就是图像中每一点都不是彩色的，即每一点的红、绿、蓝颜色分量值都相等，即：

(3-3)

对于黑白图像，其表示位置处的灰度值。

由于计算机仅能处理离散的数据，所以如要用计算机来处理图像，连续的图像函数必需转换为离散的数据，这一过程叫图像采集。图像采集由图像采集系统完成。图像采集系统包括三个基本单元，即成像系统、采样系统和量化器。

数字图像是连续图像的一种近似表示，通常用采样点的值所组成的矩阵来表示：

(3-4)

每一个采样点叫做一个像素（pixel）。上式中,分别为数字图像在横、纵方向的像素数。在计算机内通常采用二维数组来表示数字图像的矩阵。

把像素以不同的方式进行组织或存储，就得到不同的图像格式，把图像数据存成文件就得到图像文件。常见的图像文件格式有位图文件（*.BMP）、TGA文件（*.TGA）、GIF文件（*.GIF）、TIFF文件（*.TIFF）等。在Windows系统中，最常用的图像格式是位图格式。

DIB（与设备无关位图）位图可以在不同的机器或系统中显示位图影像，经常存储为以BMP为后缀的位图文件。

DIB位图文件的结构包含位图文件头结构BITMAPFILEHEARDER、位图文件信息头结构BITMAPINFOHEARDER、位图颜色表RGBQUAD和位图像素数据四部分。

三维激光数据的管理可视化显示是将生成的三维激光数据二维下标索引矩阵以图像形式显示。每个扫描点在二维影像中都有其对应的行列号，而每个栅格对应多个扫描点或无扫描点。若栅格中含有多个扫描点时，则该点的灰度值为包含在该栅格内的所有扫描点的激光强度平均值；若栅格无扫描点，则该点的灰度值为零。从而生成二维激光强度图像矩阵。

(3-5)

其中：为二维数组的行，为二维数组的列，为、数组中第u个三维激光点的激光强度。

如果把每个点的激光强度值设为相应的栅格的像素值，得到激光强度图像（图3.1）；把每个点的距离值设为相应的像素值，得到相应的距离图像；把点云的色彩设置为相应栅格的像素值，得到相应的激光色彩图像(图3.2)。

显示图像矩阵可以用StretchBlts函数实现也可以用MFC中CDC类的BitBlt或StretchBlt函数。StretchBlts既可以实现图像矩阵的显示，还可以实现漫游和缩放功能。本系统通过StretchBlts函数实现。

图3.1激光强度图像图3.2激光色彩图像

4三维激光点云着色

通过三维激光扫描仪自带软件导出数据是可选色彩，但是点云彩色图像颜色失真、分辨率低，空间几何精度差，主要表现为明显的彩色纹理欠清晰、色彩偏移、接边间具有明显的拼接痕迹。

如图4.1所示，左侧为激光强度图像，右侧为激光色彩图像（色彩是三维激光扫描仪获得），窗体列表中显示的为同名点在两幅影像中相应像平面位置。由于激光强度和激光色彩图像是通过同一个点云生成的，所有同名点的坐标应该相等。通过图4.1右侧激光色彩图像可看出点云色彩具有明显的拼接痕迹；通过表4.1，分析可得激光内置相机得到的色彩具有偏移痕迹。主要原因可以归纳如下：扫描仪内置数码相机的分辨率太低；内置数码相机为定焦相机；内置相机与激光非同轴；取色的方式为仿射变换。

图4.1激光数据色彩影像

表4.1平面位置偏移分析

LxLyRxRy距离偏移

105.59210.92110.56208.785.41

23.14337.9525.31339.622.74

258.07402.86255.20406.674.78

265.03396.53271.00398.776.38

326.76454.54329.49459.385.55

403.51370.68407.03372.433.93

397.34336.70398.26332.973.85

346.29208.16348.55204.594.23

353.21198.77358.09195.056.14

416.83101.77422.4196.687.55

433.6062.77437.4855.588.17

346.18208.48348.04205.903.18

5激光扫描坐标系与摄影测量坐标系的变换

三维激光扫描仪基础坐标系为仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。近景摄影测量的像空间辅助坐标系通常以摄影中心S为坐标原点，x，y轴与像平面坐标系的x，y轴平行，z轴与主光轴重合。因此三维激光坐标系的Z轴和近景摄影坐标系z轴基本上是垂直的，无法直接解算相机的内外方位元素，需要进行坐标变换，使三维激光坐标系和近景摄影测量坐标系大致相同，即三维激光扫描仪的Z轴和摄影测量坐标系的z轴基本平行。

近景摄影测量坐标系只与摄影场景和摄影点相关；而三维激光内部坐标系与架设方向相关。假设摄影的场景和三维激光扫描场景基本相同，变换过程如下：首先沿三维激光坐标系Z轴旋转使得三维激光坐标系统X轴和摄影测量坐标系x轴大致平行，然后沿三维激光坐标系X轴逆时针旋转90度，如式（5-1）所示。

(5-1)

其中：。

6高分辨率数码影像的激光点云着色

要实现三维激光扫描数据着色，首先必须获取普通数码相片上任何像元的色彩信息，也就是获取普通数码相机的图像矩阵。普通数码影像文件一般是jpg或jepg格式。本系统主要通过VC6.0调用WindowsGDIAPI函数实现。主要思路及过程如下：

（1）将影像文件读入内存变量hMem；

（2）通过内存变量hMem创建图像流接口；

（3）通过图像接口实现Bitmap对象创建；

（4）通过Bitmap类GetHBITMAP方法获取HBitmap句柄；

（5）通过GetDIBits（hdc,bitmap,0,m_Height,picData,&BMPInfo,DIB_RGB_COLORS）函数获取图像矩阵picData数组；

其次，计算普通数码影像的内外方位元素。上一节介绍了内外方位元素联合解算的方法。要实现数码影像的内外方位元素的解算，就要获取数码像点和空间点的对应关系。本系统借鉴了摄影测量系统中的立体量测处理方法，如图6.1，通过在普通数码影像和激光强度图像中选择同名点，利用激光数据索引矩阵确定数码影像和空间点的坐标对应关系，进一步实现数码影像的内外方位元素的解算（表6.1）。

最后，为三维激光数据着色。数码影像的内外方位元素确定后，我们可以将三维激光点云根据式（6-1）投影到普通数码影像中，将对应像素的色彩（R,G,B）信息赋值给点云，实现了三维激光扫描点云数据的着色。

图6.1通过激光强度图像选择同名点

表6.1内外方位元素解算结果

内方位元素fx0y0

825.0041918.236840.073

角外方位元素

-0.105710.618200.03929

摄影中心位置外方位元素（mm）XsYsZx

-645.313-365.662-3625.514

中误差（mm）1.457119

7结束语

三维激光扫描仪自带的点云色彩存在着色彩失真、色彩分辨率低、空间几何精度低（色彩和点云非同名点），将点云色彩直接应用到边坡地质编录，将导致编录精度降低。本文根据三维激光测量原理，将单测站三维激光数据展成激光强度图像；并通过激光强度图像结合摄影测量理论及技术实现了三维激光数据色彩修正。

参考文献:

[1]刘正军,钱建国,张正鹏,王坚.三维激光扫描数据获取高分辨率DTM试验研究.测绘科学,2006,31(4):72-73.

[2]董秀军.三维激光扫描技术及其工程应用研究[D].成都理工大学.2007.