¿Cuál es la diferencia entre luminancia e iluminancia?

Cuanto más leo sobre esto, más me confundo. La iluminancia , según tengo entendido, medida en lux , es el brillo percibido de la luz en una superficie. Es lo que medirías con un sensor de luz incidente. La luminancia , entonces, es la cantidad de luz reflejada que percibirías al mirar esa superficie. Esto es lo que mide el medidor de luz en una cámara. ¿Estoy en lo cierto hasta ahora?

En ambos casos, la palabra "percibido" es importante, porque las escalas se ponderan usando una función de luminosidad para mapear las longitudes de onda a las sensibilidades particulares del ojo humano . Sin embargo, en el caso de la iluminación, solo hay una percepción real si su ojo es la superficie en cuestión.

Básicamente puedo entender esto, pero luego encuentro cuadros que dicen cosas como "sala de estar familiar: 50 lux". ¡Espera! Significa eso realmente que las luces típicas en una casa que son brillantes, o es sólo confundidos y mal, o soy yo confundido y mal?

Si no está tomando fotos de fuentes de luz directamente, ¿por qué una lectura de medidor de luz incidente sería útil en la fotografía? La luz reflejada grabada en una película o por un sensor suele ser lo que hace una fotografía. Entonces, si tengo un medidor de luz incidente, ¿cómo se relaciona esa lectura de manera significativa con la configuración de mi cámara?

Dado que los medidores de luz incidente se venden y usan, esto implica que debe haber alguna conversión útil. Pero aquí es donde explota mi cerebro. Google me dice que 1 lumen es igual a 1 candela, por lo tanto, 1 lumen / m² (es decir, 1 lux) debe ser igual a 1 candela / m2 (es decir, 1 nit). Pero claramente algo falta en esto. Hay algo llamado "steradian". Los conos están involucrados. Nunca había oído hablar de esto antes; ¿Cómo encaja? Puedo ver cómo se puede determinar al calcular la utilidad de la iluminación LED para el hogar, pero para una foto, estoy perdido.

Una parte de mi cerebro (explotado, del último párrafo) está tratando de relacionar esto con la diferencia entre la medición de flash con TTL y con un medidor de incidentes. Pero, ¿cómo puede funcionar el medidor de incidentes sin conocer las propiedades de reflectancia de los objetos en la escena? ¿De esto se trata la "C" en el medidor de luz incidente lux → EV estándar ? ¿Es solo un valor promedio, esto probablemente funcionará, o hay algo más que eso? Y si es solo un promedio, ¿qué conocimiento es necesario para compensar las escenas fuera de los promedios? (Al igual que con la constante K y el 18% de gris con medición reflectante , donde el fotógrafo simplemente juzga si la escena debe hacerse más brillante o más oscura que el promedio dado por el medidor).

Entonces sí, mucha confusión. En breve:

• ¿Cual es la diferencia?
• ¿Se puede convertir significativamente entre los dos?
• ¿Cuándo y cómo son útiles las mediciones de iluminancia / luz incidente para la fotografía?

Actualización: agradezco la respuesta de Stan, que cubre el tercer punto de cuándo y qué tan bien. Y creo que básicamente tengo el primer punto resuelto, como se describió anteriormente. Pero agradecería algunas respuestas que también cubran el tema de la conversión, tanto en el resumen matemático como en la práctica para la fotografía. Y tampoco me importaría más por qué y cómo.

La respuesta de Stan es excelente para explicar la medición desde un punto de vista práctico. También parece estar preguntando cuáles son los detalles, en particular en torno a los esteradianos y la conversión de Lux a EV. Usando los artículos de Wikipedia que ha vinculado, y algunos enlaces secundarios a partir de ahí, creo que puedo explicar algunas cosas y dejar el resto a la extrapolación.

En primer lugar, los esteradianos . Término extraño y concepto extraño, sin embargo, una vez que entiendes lo que realmente es, las cosas comienzan a tener más sentido. Para dar un paso atrás, hablemos primero de radianes . Un radián es una medida angular, que simplemente significa lo siguiente:

Un radián es un arco que tiene la misma longitud que el radio de un círculo.

Un radián se mide en el plano bidimensional. Un steradian es similar a un radian, solo medido en tres dimensiones. La definición de un steradian es la siguiente:

Un steradian es un parche circular en la superficie de una esfera cuyo área es igual al cuadrado del radio de la esfera.

Un steradian es una extraña "proyección" de un ángulo subtendido 2D en un espacio tridimensional, o lo que se llama un ángulo sólido . La intersección del ángulo 2D con la superficie de la esfera se cruza con un parche circular (que en sí mismo está dividido en dos por el arco de radianes). Otro término para ello es cuadrado de radianes . El ángulo sólido que representa un esteradiano se calcula como:

θ = A/r^2

Lo cual, intrigantemente, es simplemente r ² / r ² , o tiene las unidades m ² * m ^-2 , lo que hace que un steradian, como el radian, sea una especificación sin unidades que describe un área fija en la superficie de una esfera con respecto al radio de la esfera. .

Para completar la definición de un steradian en relación con una esfera:

El ángulo sólido de una esfera completa es equivalente a 4π sr.

Uno podría mirar eso de otra manera:

El área de superficie de una esfera tiene la unidad 4π sr.

Ahora que la definición de un esteradiano está fuera del camino, podemos llegar a una comprensión más clara de la relación de una luz con una candela . Según el artículo vinculado de Wikipedia:

1 lm = 1 cd sr

O, un lumen es igual a una candela esteradiana . Un candela steradian es el poder luminoso de la luz emitida por un steradian, que como sabemos por la discusión anterior, es el área de un parche circular en una esfera igual al cuadrado del radio de esa esfera.

Si traemos una fuente de luz a la discusión, para hacer las cosas más reales, eso se traduciría en lo siguiente. Suponiendo que tenemos una bombilla con un radio de 1.5 ", que mide a 1 lumen, podría describirse como emitiendo 1 cd desde cualquier área en la superficie de esa bombilla que mide 1.5" ² (área total de 2.25 ").

La bombilla llena está emitiendo un total de 1 cd 4π sr, o un total de 12.57 lm desde todos los ángulos. Sin embargo, el medidor de luz no medirá 12.57 lm, ya que solo mide desde un ángulo a la bombilla, no todos los ángulos a la bombilla. Si asumimos que nuestro medidor de luz es efectivamente sensible a aproximadamente un esteradiano, entonces medirá 1 lumen.

¿Mas preguntas?

P: Uno puede preguntarse, ¿por qué equiparar 1 lumen con 1 candela esteradiana, en lugar de solo 1 candela?

A: La respuesta es geometría . Describir una candela es útil para indicarnos una cantidad de luz, pero no necesariamente su concentración o la forma y el tamaño de la emisión. El propósito de incorporar esteradios a la mezcla es que involucra una forma y área geométrica específica a la fuente de luz que emite un lumen de luz.

Se vuelve más importante cuando tiene una fuente de luz de alta densidad. Por ejemplo, un puntero láser de baja potencia (milivatios) podría equivaler a 250,000 w / sr. Ahora, cuando considera las capacidades de densidad de decir un ojo a 120,000 w / sr, se vuelve más que trivial, ¿lo ve? ¡Oh espera, no lo verás!

Según Wikipedia, un lux es la medida de lúmenes por metro cuadrado. En términos unitarios, dado que un lm es igual a un cd sr , entonces:

1 lux = 1 cd sr/m^2

Si entiendo correctamente, eso podría leerse ya que 1 lux es equivalente a la cantidad de luz recibida en una superficie iluminada por una fuente de luz con un radio de un metro que emite 1 cd sr de potencia luminosa hacia la superficie medida.

La conversión de lux a EV es bastante simple e implica una constante C. No puedo decir específicamente cómo se deriva C, sin embargo, si asumimos que el valor "común" de 250 es exacto, una fórmula simple para convertir de lux a EV sería:

EV = log ₂ (E * S) / C

Donde S es el sensor ISO y E es la iluminancia en lux. Si suponemos que una escena está iluminada con 1 lux, y nuestro ISO es 100, entonces (mano larga, traducida a logaritmo de base diez para el cálculo en una calculadora común):

EV = log ₂ (1 * 100) / 250
EV = log ₂ 100/250
EV = log ₂ 0.4
EV = log ₁₀ 0.4 / log ₁₀ 2
EV = -0.398 / 0.301
EV = -1.322

Un valor de exposición bastante bajo, sin embargo, eso se esperaría para la iluminación miserable proporcionada por 1 lux. Para ir hacia el otro lado y descubrir cuánta iluminación necesita para soportar un EV específico, podemos reorganizar la conversión entre EV y E (mano larga):

EV = log ₂ (E S) / C
2 ^EV = 2 ^{log ₂ (E} S) / C
2 ^EV = E * S / C
2 ^EV * C / S = E * S / C * C / S
2 ^EV * C / S = E
E = 2 ^EV * 250/100

Eso nos lleva a una fórmula simple y agradable para calcular lux desde EV (cuando ISO es 100):

E = 2 ^EV * 2.5

Si nuestro objetivo EV es 1, entonces calculamos lux así:

E = 2 ¹ * 2.5
E = 2 * 2.5
E = 5

Para una exposición de un EV, necesitamos exactamente 5 lux de iluminación, o 5 cd sr / m ^ 2, o 5 lm / m ^ 2.

¿Mas preguntas?

P: Uno puede preguntarse, ¿por qué medir lux, que son lm / m ^ 2, en lugar de simplemente medir lúmenes?

R: La respuesta sería unidades , o más específicamente, unidades de área que un humano puede reconocer fácilmente. Un candela steradian es útil para decirnos la cantidad y la geometría, sin embargo, un steradian no tiene unidades. Define puramente la geometría, pero no especifica ningún área específica. Un steradian es un steradian, independientemente del radio real de la esfera. Sin embargo, una candela esteradiana por metro cuadrado aporta suficiente especificidad de unidad para que podamos comprender con mayor claridad exactamente cuánta luz es realmente 1 lux (que, francamente, no es mucha).

Tienes el espacio del problema bastante vinculado. La medición de luz incidente mide lo que cae sobre el sujeto independientemente de su reflectividad característica, etc., mientras que la medición de luz reflejada mide lo que se refleja del sujeto, independientemente de las características de la luz incidente. El medio de grabación en la cámara, como usted señaló, graba lo que se refleja (o, si se incluye una fuente de luz en la imagen, lo que transmite) el sujeto. No importa qué tipo de medición se use, el objetivo del juego es registrar la luz que proviene del sujeto de manera apropiada para la imagen.

Es fácil imaginar lo que está sucediendo con un medidor de luz reflejada, ya sea el medidor en la cámara o un punto portátil separado o un medidor promedio. La medición de la luz incidente es un poco más difícil de imaginar.

La mayor parte de la medición de la luz incidente se realiza con una invercone tipo domo . Esencialmente, tiene un difusor hemisférico sobre el elemento sensible a la luz que acepta luz desde 180 grados (90 grados fuera del eje en todas las direcciones) y transmite el 18 por ciento de esa luz al elemento sensible a la luz. (Por lo general, el elemento también se puede usar como un medidor de luz reflejada, a veces requiere accesorios para el medidor). Puede medir las fuentes de luz por separado, ya sea sombreando el domo de fuentes individuales o activando y desactivando selectivamente las fuentes (como con iluminación de estudio) para determinar las relaciones de iluminación (la diferencia en la iluminación entre áreas que serán reflejos y sombras en el sujeto).

Si bien el método de trabajo es diferente, lo que está logrando es casi idéntico a colocar una tarjeta gris en la posición del sujeto, en ángulo para ser tangente al sujeto, y hablar una lectura del medidor de esa tarjeta gris. No le dice nada sobre el tema, pero eso puede ser algo bueno. Si su medición depende del sujeto, entonces necesita saber cuál es la reflectividad del sujeto (o, en la terminología del Sistema de Zona, dónde colocar al sujeto en la escala de exposición). Sin ese poco de conocimiento, no podrá decir la verdad sobre el tema utilizando solo la lectura del medidor; puede capturar todo el rango de tonalidades perfectamente, pero eso puede significar, por ejemplo, muy poco o nada sobreexponer la única cosa que realmente estaba tratando de capturar.

Es por eso que existe una división entre la medición de la luz reflejada y la incidente. Verá que la medición de la luz incidente se usa con mayor frecuencia en el estudio, pero a menudo también en el retrato de ubicación o en el trabajo de moda / producto. Por lo general, hay algo en la imagen que debe ser absolutamente explícito, y eso se logra mejor al dejarlo fuera de la ecuación por completo cuando se realiza la medición, y luego dejar que sus características de reflectancia y color reales caigan donde pueden estar en el sensor. El resto de la escena es atmosférica: puedes jugar con ellos a tu gusto, y siempre que el sujeto esté correctamente iluminado y expuesto, la imagen será lo que quieres que sea.

Al trabajar en entornos menos controlados, especialmente cuando se filman cosas como paisajes, generalmente desea obtener todo (por así decirlo) sin preocuparse demasiado por la "verdad". En estos casos, la "verdad" es más subjetiva, y usted está buscando recopilar los datos que respaldan su versión de la verdad. Eso puede significar hacer que ese resplandor dolorosamente brillante destaque a un ciudadano de la Zona VII o forzar la negrura oscura a un tono medio inferior apenas oscuro para preservar los detalles que son importantes para usted. Pero tienes que saber a dónde van las cosas en tu versión del mundo. O puede dejar que los algoritmos de reconocimiento de escena de la cámara hagan esa determinación por usted.

En cualquier caso, sin embargo, el medidor es solo el punto de partida. Te lleva al estadio, luego tu experiencia y visión te permitirán ajustar la realidad objetiva para cumplir con tus requisitos subjetivos.