Qual é a diferença entre luminância e iluminação?

Quanto mais leio sobre isso, mais confuso fico. A iluminação , como eu a entendo, medida em lux , é o brilho percebido da luz em uma superfície. É o que você mede com um sensor de luz incidente. Luminância , então, é a quantidade de luz refletida que você perceberia olhando para aquela superfície. É isso que o medidor de luz na câmera mede. Estou correto até agora?

Nos dois casos, a palavra "percebido" é importante, porque as escalas são ponderadas usando uma função de luminosidade para mapear comprimentos de onda para as sensibilidades particulares do olho humano . No entanto, no caso da iluminação, só há percepção real se o seu olho for a superfície em questão.

Basicamente, eu posso entender isso, mas então me deparo com gráficos dizendo coisas como "sala de estar da família: 50 lux". Espere, aguarde! Que isso realmente significa que as luzes típicas em uma casa são tão brilhante, ou é apenas confuso e errado, ou sou eu confuso e errado?

Se você não está tirando fotos de fontes de luz diretamente, por que uma leitura incidente de um medidor de luz seria útil na fotografia? A luz refletida gravada no filme ou por um sensor é geralmente o que faz uma fotografia. Portanto, se eu tenho um medidor de luz incidente, como essa leitura se relaciona significativamente às configurações da minha câmera?

Como os medidores de luz incidente são vendidos e usados, isso implica que deve haver alguma conversão útil. Mas é aqui que meu cérebro explode. O Google me diz que 1 lúmen é igual a 1 candela; portanto, 1 lúmen / m² (ou seja, 1 lux) deve ser igual a 1 candela / m2 (ou seja, 1 nit). Mas claramente algo está faltando nisso. Há algo chamado "esteradiano". Cones estão envolvidos. Eu nunca tinha ouvido falar disso antes; como isso se encaixa? Eu posso ver como isso pode ser determinado ao calcular a utilidade da iluminação doméstica LED, mas para uma foto, eu estou perdida.

Alguma parte do meu cérebro (explodido, do último parágrafo) está tentando relacionar isso com a diferença entre a medição de flash com TTL e com um medidor de incidentes. Mas como o medidor de incidentes pode funcionar sem conhecer as propriedades de refletância dos objetos na cena? É para isso que serve o "C" no medidor de luz incidente lux → EV padrão ? É apenas um valor médio, provavelmente isso funcionará, ou existe mais do que isso? E se for apenas uma média, que conhecimento é necessário para compensar cenas fora da média? (Assim como a constante K e 18% de cinza na medição reflexiva , onde o fotógrafo simplesmente julga se a cena deve ficar mais clara ou mais escura do que a média fornecida pelo medidor.)

Então, sim, muita confusão. Em resumo:

• Qual é a diferença?
• Alguém pode converter significativamente entre os dois?
• Quando e como as medidas de iluminação / luz incidente são úteis para a fotografia?

Atualização: Agradeço a resposta de Stan, que cobre o terceiro ponto de quando e quão bem. E acho que basicamente entendi o primeiro ponto, como descrito acima. Mas eu aprecio algumas respostas que abrangem também a questão da conversão, tanto no resumo matemático quanto no prático para a fotografia. E também não me importaria mais com o porquê e como.

A resposta de Stan é excelente para explicar a medição do ponto de vista prático. Você também parece estar se perguntando quais são os detalhes, principalmente em relação aos estereótipos e à conversão de Lux para EV. Usando os artigos da Wikipedia que você vinculou e alguns links filhos de lá, acredito que posso explicar algumas coisas e deixar o resto para extrapolação.

Primeiro, esteradianos . Termo estranho e conceito estranho, no entanto, uma vez que você entende o que realmente é, as coisas começam a fazer mais sentido. Para dar um passo atrás, vamos falar primeiro sobre radianos . Um radiano é uma medida angular, que simplesmente coloca significa o seguinte:

Um radiano é um arco de comprimento igual ao raio de um círculo.

Um radiano é medido no plano bidimensional. Um esteradiano é semelhante a um radiano, medido apenas em três dimensões. A definição de um esteradiano é a seguinte:

Um steradian é um remendo circular na superfície de uma esfera cuja área é igual ao quadrado do raio da esfera.

Um steradian é uma "projeção" ímpar de um ângulo subtendido 2D no espaço tridimensional, ou o que é chamado de ângulo sólido . A interseção do ângulo 2D com a superfície da esfera intercepta um remendo circular (que é ele próprio dividido por um arco radiano). Outro termo para ele é radiano quadrado . O ângulo sólido que representa um steradian é calculado como:

θ = A/r^2

Que, intrigantemente, é simplesmente r ² / r ² , ou possui as unidades m ² * m ^-2 , o que torna um estério, como o radiano, uma especificação sem unidade que descreve uma área fixa na superfície de uma esfera em relação ao raio da esfera .

Para concluir a definição de um esteradiano em relação a uma esfera:

O ângulo sólido de uma esfera inteira é equivalente a 4π sr.

Pode-se olhar para isso de outra maneira:

A área da superfície de uma esfera possui a unidade 4π sr.

Agora que a definição de estereólogo está fora do caminho, podemos chegar a um entendimento mais claro da relação entre um lúmen e uma candela . De acordo com o artigo da Wikipedia:

1 lm = 1 cd sr

Ou, um lúmen é igual a um candela esteradiano . Candela steradian é o poder luminoso da luz emitida por um steradian, que, como sabemos agora na discussão acima, é a área de uma mancha circular em uma esfera igual ao quadrado do raio dessa esfera.

Se trouxermos uma fonte de luz para a discussão, para tornar as coisas mais reais, isso se traduziria no seguinte. Supondo que tenhamos uma lâmpada com um raio de 1,5 ", que mede 1 lúmen, poderia ser descrita como emitindo 1 cd de qualquer área na superfície dessa lâmpada medindo 1,5" ² (área total de 2,25 ").

A lâmpada completa está emitindo um total de 1 cd 4π sr, ou um total de 12,57 lm de todos os ângulos. O medidor de luz não mede 12,57 lm, porque ele mede apenas de um ângulo para a lâmpada, nem todos os ângulos para a lâmpada. Se assumirmos que nosso medidor de luz é efetivamente sensível a aproximadamente um esteradiano, ele medirá 1 lúmen.

Mais perguntas?

P: Pode-se perguntar, por que igualar 1 lúmen a 1 candela esteradiana, em vez de apenas 1 candela?

A: A resposta é geometria . A descrição de uma candela é útil para nos dizer uma quantidade de luz, mas não necessariamente sua concentração ou a forma e o tamanho da emissão. O objetivo de trazer esteradianos para a mistura é que ela envolve uma forma e área geométricas específicas da fonte de luz que emite um lúmen de luz.

Torna-se mais importante quando você tem uma fonte de luz de alta densidade. Por exemplo, um ponteiro laser de baixa potência (miliwatts) poderia equivaler a 250.000 w / sr. Agora, quando você considera as capacidades de densidade de um olho a 120.000 w / sr, isso se torna mais do que trivial - entende? Oh espere, você não verá!

Segundo a wikipedia, um lux é a medida de lúmens por metro quadrado. Em termos de unidade, como um lm é igual a um cd sr , então:

1 lux = 1 cd sr/m^2

Se bem entendi, isso poderia ser lido como 1 lux, equivalente à quantidade de luz recebida em uma superfície iluminada por uma fonte de luz com um raio de um metro que emite 1 cd sr de potência luminosa em direção à superfície medida.

A conversão de lux em EV é bastante simples que envolve uma constante C. Não posso dizer especificamente como C é derivado, no entanto, se assumirmos que o valor "comum" de 250 é preciso, uma fórmula simples para converter de lux para EV seria:

EV = logaritmo ₂ (E * S) / C

Onde S é o sensor ISO e E é a iluminação em lux. Se assumirmos que uma cena é iluminada com 1 lux e nosso ISO é 100, então (mão longa, traduzida no logaritmo de base dez para computação em uma calculadora comum):

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

Um valor de exposição bastante baixo, no entanto, seria esperado para a iluminação fraca fornecida por 1 lux. Para seguir o caminho inverso e descobrir quanta iluminação você precisa para suportar um EV específico, podemos reorganizar a conversão entre EV e E (ponte longa):

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

Isso nos leva a uma fórmula simples e agradável para calcular lux a partir de EV (quando ISO é 100):

E = 2 ^EV * 2,5

Se o nosso EV alvo for 1, calcularemos lux da seguinte forma:

E = 2 ¹ * 2,5
E = 2 * 2,5
E = 5

Para uma exposição de um EV, precisamos exatamente de 5 lux de iluminação, ou 5 cd sr / m ^ 2 ou 5 lm / m ^ 2.

Mais perguntas?

P: Pode-se perguntar, por que medir lux, que é lm / m ^ 2, em vez de simplesmente medir lúmens?

R: A resposta seria unidades , ou mais especificamente, unidades de área que um ser humano pode reconhecer prontamente. Um candelabro esteradiano é útil para nos dizer quantidade e geometria; no entanto, um esteradiano não possui unidades. Ele define puramente a geometria, mas não especifica nenhuma área específica. Um esteradiano é um esteradiano, independentemente do raio real da esfera. Um candela esteradiano por metro quadrado , no entanto, traz especificidade de unidade suficiente para que possamos entender com mais clareza exatamente quanto de luz 1 lux realmente é (o que, francamente, não é muito).

Você tem o espaço do problema praticamente atrelado. A medição de luz incidente mede o que está caindo sobre o assunto, independentemente de sua refletividade característica, etc., enquanto a medição de luz refletida mede o que está sendo refletido a partir do assunto, independentemente das características da luz incidente. O meio de gravação da câmera, como você apontou, grava o que é refletido (ou, se uma fonte de luz é incluída na imagem, o que ela é transmitida) pelo sujeito. Independentemente do tipo de medição usado, o objetivo do jogo é registrar a luz proveniente do objeto adequadamente para a imagem.

É fácil imaginar o que está acontecendo com um medidor de luz refletida, seja o medidor na câmera ou um ponto portátil separado ou medidor médio. A medição de luz de incidentes é apenas um pouco mais difícil de visualizar.

A maioria das medições de luz incidentes é feita com um invercone do tipo dome . Essencialmente, você tem um difusor hemisférico sobre o elemento sensível à luz que aceita luz a 180 graus (90 graus fora do eixo em todas as direções) e transmite 18% dessa luz ao elemento sensível à luz. (Normalmente, o elemento também pode ser usado como um medidor de luz refletida, exigindo acessórios para o medidor.) Você pode medir as fontes de luz separadamente, protegendo o domo de fontes individuais ou ativando e desativando seletivamente as fontes (como com iluminação de estúdio) para determinar as proporções de iluminação (a diferença de iluminação entre as áreas que serão destaques e sombras sobre o assunto).

Embora o método de trabalho seja diferente, o que você está realizando é quase idêntico a colocar um cartão cinza na posição do sujeito, inclinado para ser tangente ao assunto e falar uma leitura pontual desse cartão cinza. Não diz nada sobre o assunto - mas isso pode ser uma coisa boa. Se a sua medição depende do assunto, você precisa saber qual é a refletividade do sujeito (ou, na terminologia do Zone System, onde colocar o sujeito na escala de exposição). Sem esse conhecimento, você não poderá dizer a verdade sobre o assunto usando apenas a leitura do medidor - poderá capturar toda a gama de tonalidades perfeitamente, mas isso pode significar, digamos, severamente expor demais a única coisa que você realmente estava tentando capturar.

É por isso que existe uma divisão entre o incidente e a medição da luz refletida. Você verá a medição de luz incidente usada com mais frequência no estúdio, mas também em retratos de locais ou em moda / produto. Geralmente, há algo na imagem que precisa ser absolutamente destacado, e isso é melhor conseguido deixando-a totalmente fora da equação durante a medição, deixando suas características reais de refletância e cor caírem onde elas podem no sensor. O restante da cena é atmosférico - você pode brincar com eles de acordo com o conteúdo do seu coração e, desde que o assunto seja iluminado e exposto corretamente, a imagem será como você deseja.

Trabalhando em ambientes menos controlados, especialmente ao fotografar coisas como paisagens, geralmente você quer incluir tudo (por assim dizer) sem se preocupar muito com a "verdade". Nesses casos, a "verdade" é mais subjetiva e você deseja coletar os dados que suportam sua versão da verdade. Isso pode significar tornar esse dolorosamente brilhante destacar um cidadão da Zona VII ou forçar a escuridão escura até um meio-tom baixo quase escuro, a fim de preservar os detalhes que são importantes para você. Mas você precisa saber para onde as coisas vão na sua versão do mundo. Ou você pode deixar que os algoritmos de reconhecimento de cena da câmera façam essa determinação para você.

Em ambos os casos, porém, o medidor é apenas o ponto de partida. Ele leva você para o estádio, então sua experiência e visão permitem ajustar a realidade objetiva para atender às suas exigências subjetivas.