数码摄影摄像七 光线与照明1-自然光扩展知识――光的本质以及实际在CG创作中的运用1-2

讲授：徐晓燕副教授自然光解读光的本质以及实际在CG创作中的运用首先我们先要了解，我们的CG作品的视觉效果是由光、物体的性质和观察者（摄像机）所共同决定的，1.什么是光。光其实是电磁波中的很小一部分，一般意义上就是我们肉眼能看到的电磁波的波段（也称可见光），人眼能看到的范围在312nm-1050nm甚至更广。在这个范围内，人们依次能看到紫、蓝、青、绿、黄、红等颜色。这些颜色的分布是不均匀的，红、绿、蓝所占有的波段范围比较大；相反，黄、青、紫所占有的波段范围就比较小，但是黄色的所占有的波段范围又比青、紫略大。不仅如此，人眼对各个颜色的敏感程度也不一样，拿颜色的三原色来说，人眼对绿色的光最为敏感，这也是绿色被做为信号灯标准色的原因，当人在千米之外已经看不到红灯和蓝灯时依然能辨别出绿灯。图declare.image1比较直观地概括了这些现象。在Maya默认渲染器中，有三个参数叫ContractThresholdR/ContractThresholdG/ContractThresholdB(declare.image2)，这三个值的优化比例应该为2:1.5:4，因为人眼对红/绿/蓝的敏感程度大致为2:4:1.5(1/2:1/1.5:1/4)，所以我们渲染出的图象的蓝色通道质量不必像绿色通道质量那么高，人眼很难发觉其中的差别。2.自然光：定义为太阳光及其衍生光，太阳光的衍生光包括天空对太阳光的散射（漫反射），月亮光以及三者的在环境中的反射和直射，可能这样的定义有一点绕口，总而言之自然光最终来源都是太阳。3.破晓：日出时，太阳“染红”了整个东方，太阳光斜射到海面，由于菲涅尔(Fresnel)效应造成强烈的反射，致使海面也呈现出热烈的红色。从某种意义上说，整个环境呈现出壮丽的红色。为何日出时东方会呈现出红色呢？许多人都会脱口而出：“色温低！”其实，光的散色能力因光的波长不同而不同，波长越短，散射能力越强，越容易被散开。日出的时候，阳光斜射地面，阳光需要穿过很厚的大气层，蓝光由于散射能力很强，所以在到达地面之前就已经被散射光了，我们只能看到蓝光在天顶和西方的散射。CG中，破晓场景灯光，主光一般设置为红色，补光选择深蓝色，光比大约8:2，灯光与地面夹角5-25度。其实此时阳光与地夹角并没有这么大，但是CG画面中如果角色或物体投影过长会让画面很堵，所以此时灯光与地面夹角的宽容度比较大。“日出”积极的寓意十分明显，我们一般在这个时候表现一些积极和有朝气的气氛，也可表现一些浩大的场面，但总体来说都是很轻快的。同时，日出前的昏暗也可以用来表现一些阴暗的东西，利用日出这一时刻来表现从阴暗到光面的过渡会有戏剧性的效果。4.早晨/午后：当太阳升起以后，我们便进入了白天。太阳光经过大气，射到地面后呈现出黄色，而一些背对着太阳的地方呈现出很深的蓝色。黄蓝——暖色冷色的对比体现着一种色彩上的美感。天空为什么是蓝色的？波长较长的波散射较小，大部分传播到地面上，这些光综合起来呈现出黄色。而波长较短的蓝、绿光，受到空气散射较强，天空中的蓝色正是这些散射光的颜色，因此天空会呈现蓝色。同样是白天，阴天和晴天又有所不同。阴天的云层很厚，而且大颗粒物较多，少量阳光照射到云层上发生丁达尔散射（白光散射后仍然是白光），大量阳光遇到云层后直接漫射开来，整个天空就像是一块大的柔光布，所以阴天的自然光很少有颜色上的倾向而显现出灰白色。CG中，早晨/午后场景灯光，主光一般设置为黄色，补光选择蓝色，光比大约7:3。因为灯光与地面的夹角与一天中不同的时段有关，另一方面也与地球在公转轨道上的位置有关系，所以灯光与地面夹角几乎可以是任意的。太阳照射方向在东西方向分量与地面的夹角叫晨昏角，这个角度与一天中不同的时段有关，一般太阳在正午升到最高；太阳照射方向在南北方向分量与地面的夹角叫太阳高度角，这个角度与地球在公转轨道上的位置有关。在中国，北回归线以北地区，每年6月22日前后太阳高度角达到最大值。早晨和午后的又有多大的区别呢？其实，两者并无实质上的区别，只是在晨昏角上存在互补的关系。在一些动画电影中感到早晨和午后的灯光的不同，这仅仅是出于动画艺术风格的需要，为了把两个时段区分开，我们有时故意把早晨的主光设置成冷色，补光设置成暖色；或是让早晨冷色的成分多一些，下午暖色的成分多一些等等正因为早晨/午后的自然光有了这些特性，它们便成了我们叙事与表达画面的强有力要素。首先这个时段的主光方向的选择比较多；其次这个时段的光比为7：3，稍微改变一下这个比例就能很轻易得达到，4：1的高比调或2：1的低比调；再次这个时段的光所产生的明暗关系中有丰富的冷暖变化。这样的可调性使得灯光师的想法表达更为灵活。这个时候的灯光适合用来叙事，早晨的自然光更多给人轻快的感觉，有时也用来表现盛大的或喜悦的场面，下午光线的感情倾向相对弱一些，用以表现一些严酷的环境是一个不错的选择。5.正午：这个时段的主光仍然是黄色，补光仍然是蓝色，因为正午是一天中阳光照射最强烈的时候，所以自然光中的很多要素都被极端化了。首先是主光方向，太阳达到了一天中的最高点，从早晨的侧光变成了中午的顶光。一般而言，生硬的顶光效果不甚理想，很容易投下很浓重的投影。人若处在这样的光线之中，由于眉弓、颧骨等处的凸起，会产生另人不愉快的投影。我们不得不处理正午的灯光，应尽量把灯光倾斜一些。当然，直射的光线并非总是那么可恶。由于光线垂至于地面，当它照射到水面上时，菲涅尔效应很小，所以这个时候水看上去是很清澈的。另一方面，由于正午时段的自然光很强烈，再加上人眼自动调节的缘故，我们看到的环境对比也十分强烈，这时如果灯光设置对比不强烈的话，感觉就像是早晨或者下午。这样的效果在CG中是一柄双刃剑，对比强的画面自然能刺激视神经，但也会让画面的暗部死黑一片。6.黄昏/薄暮：接下来，我们要聊的是黄昏/薄暮，关于这个时段，人们总是津津乐道。这个时段美轮美奂、变化无常的光线是摄影师的首选，也成了几乎所有CG灯光师的用光首选。尽管黄昏/薄暮时段光线的变化很多，但是从总体上说，可以分为两类，一类光线出现在太阳落下地平线以前，我们称之为黄昏，另一类光线出现在太阳落下地平线以后，我们称之为薄暮，其它各个时段的光线更多的是在这两种光线基础上的过渡和变化。在黄昏的阶段，太阳呈现出橙红色，而且越接近地平线时越红。这个现象和日出时的一样，在接近天空方向，阳光穿过低层大气较少，呈现出蓝散射光与低层大气散射的红光“重叠”进入人的眼睛，就会看到显示紫色的天空。此刻地表和大气经过了一整天阳光的照射，温度都相对较高，由于布朗运动的缘故，大气中小分子漂浮物比较多，所以天空的散射和漫反射都比较强。我们可以参考图sunset.image1，处在这样光线下的物体的暗部很透，这也是昏黄光线和破晓光线的最大的区别。薄暮是黄昏的一种延续，我们有时也称这个时候的光线为染山霞，我们所熟悉的《指环王》中有许多镜头为我们演绎了这个时候的光线。太阳已经下了地平线，不存在阳光对地面的直射，但是阳光仍然能照射到西方的天空，形成红色的散射光，但由于强度小了很多，和高层大气产生的蓝散射光“混合”，便产生了十分美丽的品红色的霞光。但是，这种现象也不是绝对的，只有当空气中水分含量比较少时，才能产生染山霞。如果空气中水分含量比较多时，光线会在其中各种难以预测的散射，有时甚至会得到绿色的散射光。不仅如此，由于薄暮时的光线不再含有太阳的直射光，所以此时的光线在物体表面多次反射或折射后，人眼便不一定再能感觉到。一个直观的现象是，这是时段中，高级写字楼上的玻璃对环境仍然较强的反射，但是树木（表面粗糙）的光感便不再那么强烈了。CG中，黄昏场景灯光，主光一般设置为橙色，补光选择篮紫色，光比大约6:4，灯光与地面夹角10-30度。此时的灯光应该着力刻画画面暗部，一方面暗部比较透，另一方面，阴影比较长。薄暮场景灯光，主光一般设置为品红色（可以考虑用灯光阵列），补光选择紫色，光比大约6:4，灯光与地面夹角5-20度。此时，物体的投影都是比较柔和的。黄昏/薄暮的光线拥有诸多个性，首先这个时段光线角度较低，投影面积比较大，所以能很好得塑造形象；其次这个时段光线对比不强，画面中的物体不会产生死黑的部分，都能表现出较多细节；再次，橙－紫光亦或粉－紫光都是和谐的光线组合，也是使光线出彩的组合；最后，合理运用摄影中的一些手法，亦能获得十分有个性的画面效果，比如人物在逆光效果下的剪影效果。7.夜晚：黄昏和薄暮转瞬即逝，随之而来的便是漫长的夜晚。我们要感激月亮这颗地球卫星的存在，它使得地球的夜晚不再彻底地黑暗。太阳光在月球上经过漫反射后到达地球，期间经过大气形成散射光。但是和白天不同的是，晚上的光线十分微弱，一些暖色光和散色光混合以后，显现出银白色甚至于宝石篮的颜色，上图展示的是一幅十分美丽的桂林夜景。值得注意的是，尽管晚上的光线十分昏暗，但是，在这昏暗中仍然充满了变化。这些变化与月亮的位置、月相、云层厚度都存在各自的关系。变化归变化，但有一点是始终不变的：在夜晚，除了被人工光源照亮的地方，地面的光线总间接来自于天空，所以地面总是比天空要暗。有时，我们不经意就把地面的颜色调得比天空亮，可能一时间反应不过来哪里出了问题，但总是会觉得画面很奇怪。CG中，夜晚场景灯光，主光一般设置为藏青色，补光选择篮色，光比大约6:4，灯光与地面夹角可以为任何角度。一般情况下，灯光师不会被要求设计特定日期的月光。所以满月便是最好的选择，当月相为满月时，我们整晚都能看到最亮的月亮。如果按照上述灯光设置的方法，藏青－篮属于相邻的色系。这样的补光方法会显得比较单调。但索性，晚间我们可以通过人工光源来补充自然光的这一不足。由于色温的关系，人工光源呈现出暖色或是中性的绿色（一些荧光的物体），这和夜晚的自然光正好形成一种有益的互补。如果夜晚场景含有人工光源，人工光源将成为主光，它的形式是点光源。主光选择暖色，补光选择冷色。纯粹的夜晚光线适合用来表现一种宁静的气氛。这种宁静可以视为可怕、紧张，也可视为安详，表达的内容始终比较有限。而此时段的光线一旦和人光光源联合作用，便产生了新的语境。人光光源可以出现在任何位置，顶光、底光、侧光、逆光甚至正面光都成了灯光师表达画面的语句。可以说，只要通过灯光师的加工，这时的光线除了含有它“黑暗的”、“冲突的”、“神秘的”的本意外，还能拥有其他任意的气氛和情绪。