深入理解光照 色彩 构图.docx
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深入理解光照色彩构图
深入理解光照色彩构图
（一）
光照是所有3D项目的基础。
尽管在场景中创建和放置灯光很容易，但理解灯光理论，将会有助于做出更好的选择，使作品更具美感。
虽然3点（3-point）光照是3D的中流砥柱，但是1点（1-point）、2点（2-point）和自然光照也提供了另一种光照方法，更符合现实世界和过去的艺术传统。
另一方面，风格化（stylistic）灯光使得艺术家不受传统限制的约束，因此可以进行自由地表达。
1理解光照的艺术
就像3D的每个方面一样，光照必须从零开始创建。
遗憾的是，仿效现实世界的技术并不容易。
幸运的是，我们可以参照艺术品、摄影作品以及电影里的光照运用方法。
为了清晰起见，将光照理论的讨论分为以下5类：
1点、2点、3点、自然和风格化。
前3类与灯光的数量有关，后两类涉及的是灯光类型。
不过，在研究1点光照之前，要先来了解一下常用光照术语。
1.Key（主体光）
场景中亮度最强的灯光。
主体光的光源一般都是可确定的（如太阳、灯等）。
2.Fill（补光）
比Key（主体光）强度稍弱的第二种灯光。
这种灯光填充（fill）在物体的暗区。
补光经常代表反射光（bounce），例如，在明亮的阳光照耀的日子，水泥的人行道的反射光和填充在人物角色的下巴和眼睛里的光线。
3.Rim（背景光）
放置在物体后面，穿透物体边缘的强光源。
Rim（背景光）灯光经常用作头发灯光。
这些灯光一般作为背后照明（backlight）或反射（kicker）使用。
1.1使用1点光照
1点光照方案是生动的，但略显单调。
这种光照包含单一的可简单确定的光源，它没有重要的补充光源。
以下几种情况会用到1点光照：
*一个男人在别样黑暗的小巷点燃一支烟；
*阳光光束透过一个无光的大房间的窗户；
*一个女人开车走在乡间路上，只靠汽车仪表盘照明。
最接近仿效1点光照的电影类型是灰色电影（filmnoir）。
灰色电影在历史上是与20世纪40年代和50年代的犯罪剧情有关的电影类型。
这种类型通常是黑白胶片、人物的光照不够和画面暗淡。
从审美角度讲，这种光照具有愤世嫉俗的、虚无情节的表现。
从技术上说，稀疏的光线是由于仅在布景里放置很少的灯光，在有些例子中这是因为预算的限制。
虽然为了合理展示，每个给定的拍摄一般都需要多重灯光，但结果却表现得好像只存在单一的光源（如图1所示）。
经典的灰色电影有TheMalteseFalcon（马尔他雄鹰，1941）、DoubleIndemnity（双重保险，1944）和TouchofEvil（历劫佳人，1958）。
更多最近的例子有BladeRunner（银翼杀手，1982）和SinCity（罪恶之城，2005）。
灰色电影应用的光照类型经常被称作低调光照，在此它减少了补光灯光的量。
灰色电影接近于德国的表现主义，它是1905年到1925年间德国流行的文艺运动。
德国表现主义的主流是人类灵魂的黑暗险恶，这个运动以它大胆而简单的木刻画（如图2所示）和超现实主义的恐怖电影为人们所知（例如，TheCabinetofDr.Caligari（卡里加利博士的小屋），1919）。
表现主义的根源可以追溯到15世纪和16世纪意大利和佛兰德斯的明暗对照法绘画风格。
明暗对照法在明暗间具有大胆的对比度（在意大利语中这个词为light-dark）。
它往往以明亮光线里的人物深入到黑暗阴影里为特征。
表现主义在巴罗克式的文艺运动时达到顶峰（1600-1675），而且以成名画家Caravaggio（1573-1610）和Rembrandt（1606-1669）为例。
尤其是Rembrandt，他的画主要推行明暗间的对比度。
例如，在图3中，照亮耶稣和他的门徒们的是从画面左侧穿过的一扇高窗的光线。
画家很少将画中的黑色涂成漆黑。
在图3的画中，桌子下的腿和后壁只有微量的补充光线，因此，这种画用的是介于1点和2点光照间的过渡。
在第二个例子中（如图4所示），1点光照方案更明显。
图中，人物前面只有一束光源，并且光源的位置比他高，这个男人的鼻子和耳朵下的阴影非常暗，而且没有第二个光源的迹象。
这个画家叫AnthonyVanDyck（1599-1641），是一个很有影响的巴洛克式的肖像画家。
在现代的摄影和摄像中经常能见到1点光照。
此技术主要用于时尚工业、商业广告和音乐节目等。
此例中，照相机的上边或旁边放置了一个强烈的散开的主体光，有时是以闪光或多重闪光伞状的形式。
这个设置创建了均匀变亮的脸部，稍有附加光照的感觉（如图5所示）。
现代画家也使用1点光照。
例如，在图12.6中，一束强光源从画面左侧照亮了一场拳击比赛。
就如Rembrandt的作品一样，出现了非常柔和的补光；这个补光照亮了右边拳师的后背。
在3D中设置1点光照很容易。
这个方案中最困难的是要调整亮和暗的格调。
例如，在图7中，在Maya中重建了一张灰色电影形式的照片。
该照片必须经过一系列反复试验的渲染，才能将平行光设置为符合要求的方式。
主体光的强度应该足够高，以照亮不在阴影内的部分，但也不能过高，以至于在某些区域爆裂或感光过度。
1.2使用1点光照
2点光照方案与我们日常生活中的遇到的许多光照场景都相称。
这个方案常包含一个很强的主体光和一个非常分散的补光。
以下是2点光照的几个实例：
*阳光从窗户照进里面是白墙的小屋。
墙的反射光作为有相同强度的多方向的补光；
*上班族坐在由头顶的荧光灯照亮的无窗的屋子里。
墙、桌子、地板的反射光作为有相同强度的多方向的补光。
在肖像画中经常可以见到使用2点光照。
例如，在图8中，从屏幕左侧射来的强烈的主体光照亮了男人，第二个光源将补光传送到他的右侧，这样，这个人被照亮了。
这幅画是由巴洛克式的画家FransHals（1582-1666）所作，他将印象派运动的灵感当作自由有力的绘画技巧。
这种类型的光照在工作室摄影中被称作短期光照，头背向照相机的那边用的是主体光。
这种光照的对应类型称作宽位照明，用这种光照时，头面向照相机的那面用的是主体光。
主体光与补光强度的比（即比率）应随着物体和位置改变，场景中所有灯光最适宜的强度取决于它们的位置和应用材质的质量。
不过，根据初期光照过程的粗略计算，至少要将补光灯光的强度设置为主体光强度的一半。
对于图9中的3D复制品，将主体光放置在屏幕的左侧，并将它的Intensity（强度）值设置为1.75；环境灯光放置在屏幕的右侧，将它的Intensity（强度）值设置为0.6。
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2点光照方案并不仅限于肖像画的使用，很多户外的场景也都用到两种截然不同的光源。
例如，在图10中，水彩画街道场景以阳光的形式描绘了强烈的主体光，房子和其他建筑后面均匀的补光作为第二个光源了代表阳光的反射光。
1.3使用3点光照
最常讨论和应用的光照技术大概就是3点光照了。
许多3D、电影和录像教育材料中都有它的描述。
虽然3点光照是一种照亮场景的可靠方法，但它仍然有内在的缺陷。
在标准的3点光照方案中，将强烈的主体光放置在物体的一边（大约在偏离照相机轴的15度~45度）。
将补光放置在相反的一边，而且它的强度至少为主体光的强度的一半（如图11所示）。
将Rim（背景光）灯光放置在物体的后面以便它照射物体的边缘。
注意：
4点光照仅仅添加第4个灯光来照亮背景或物体后面的场景。
3点光照方案在3D领域非常流行，因为它为平淡的物体提供了深度感。
例如，在图12中，用3个灯光给球体增加圆度。
在屏幕左侧放置一个主体光，在屏幕右侧放置一个补光，在球体后面放置一个背景光。
主体光和补光之间的平衡在球体中心的下面产生轻微的阴影中心（core）。
由背景光灯光产生的明亮边缘有助于分开球体和黑暗的背景。
3点光照方案诞生于好莱坞的黄金时代，它是指电影声音出现到20世纪40年代末这段时间。
这个技术由工作室的电影摄影技师发明，当时间很紧和产品进度快到期时，经常将它作为照亮场景的高效方法。
当照亮演员时，电影摄影技师经常想获得Rembrandtpatch（伦布兰特修补）效果，它是光源背面脸颊上的三角区的灯光（如图13所示）。
这块区域是以这个画家命名的，他的肖像画中以此样式为特色。
背景光是为了分离演员和黑暗或混乱的背景的。
背景光（和光照设计的其他基本方面）的根源可以追溯到早期戏剧的舞台布光。
它们在早期电影也有应用，比如SergeiEisenstein（谢尔盖·爱森斯坦）导演的OldandNew（1929）和20世纪20年代的卓别林（CharlesChaplian）喜剧（包括AWomanofParis、GoldRush等），但不仅限于这些。
最后背景光被用来使得女主人公的头发现出不可思议的光彩，比如Casablanca（卡萨布兰卡，1942）里的IngridBergman、Gilda（1946）里的RitaHayworth和RearWindow（1954）里的GraceKelly。
使用背景光不必须使用确定的补光。
20世纪20年代到20世纪40年代美国电影工作室的广告摄影的光照形式一般被称作glamour（魅力）灯光，它常常仅用主体光和背景光（如图14所示）。
这种技术变更后通常称为butterfly（蝴蝶）灯光或Paramount（派拉蒙）灯光，它直接在物体前面放置高的主体光和与眼睛齐平的补光（因此在鼻子的下面生产蝴蝶形状的阴影）。
绘画领域中很难找到合适的3点光照，清楚定义的背景光一般不是画上去的。
在很多例子中，物体暗的部分可以与黑暗的背景融为一体。
例如，在图12.15中，这个男人的裤子与背景融为一体，几乎无法辨认布料和墙的分界线。
在其他情况下，选择的背景都足够明亮而可以描绘物体的轮廓。
在图15中，后墙上的灯光弥补了这个男人的黑色头发和他左肩上的阴影。
另一方面，自然界中常可以发现背景光。
例如，图16中，一片云挡住了太阳但能看到明亮的边缘。
强烈的阳光从后面照射一株仙人掌，因此照亮了它的刺。
然而这些自然发现不符合标准的3点光照系统。
云和仙人掌都不是用两种以上截然不同的光源模仿的。
很多当代的电影摄影技师和电视录像制作人认为3点光照对于很多光照情况既过时还艺不能满足要求。
主体光、补光和背景光必须放在特定位置，使3点光照与很多现实世界的情形不匹配。
因此，3点光照的替代品是自然光照。
深入理解光照色彩构图
（二）
1.4使用自然光照
自然光照是符合物体定位的自然光照方案，可修改。
理论上来说，所有的可见灯光都是由可辨认的光源驱动的。
自然光照有时被称为透明的（transparent），因为不能探测到模拟光照方法。
另一个定义自然光照的方法是列出它不具有的属性：
*没有明确的阴影；
*没有明显的背景光；
*完美地放置灯光，不会使角色在阴影里，或者单调的照亮角色。
在电影领域有很多非自然光照的例子。
很多电影以风格独特的或夸张的光照为特色，这在梦幻音乐剧中特别明显。
这类电影如TheBandWagon（1953）和SilkStockings（1957）应用了高调光照，其中补光很强，而且主体光与补光比率（主光以及补光之间光强度的差异）很低，所以这些电影中的角色都被均匀照亮，而且具有最少的深的、黑暗的阴影。
高调光照在很多电视连续剧中也很明显，电视连续剧中的角色在剧中的任何位置都必须保持良好的光照。
相似的光照方法也应用于广告和目录册
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其他情况下，用非自然光照是因为技术上的不足和预算的限制。
老电影常见的问题是无意识地产生了多重阴影，例如代表太阳的灯光照射角色，在地板上投下多重阴影。
更常见的是，一盏亮着的台灯投下多重明显的阴影（如图18所示）。
造成这个结果的原因是，需要用多重灯光照亮场景以获得正确的展示，即使根据情景只需要一个光源。
相对而言，自然光照常在20世纪50年代后的历史剧中出现，尤其是那些在灯泡出现之前的戏剧中。
主要有StanleyKubrick（1928－1999）导演的BarryLyndon（1975）和RidleyScott（1937－）导演的1492（1992）。
在这些作品中，光照是有根据的，它由日光、月光、烛光和火光构成，主体光、补光以及它们造成的阴影经常都是非常柔和的。
但是，自然光照方法并不仅限于历史剧。
Kubrick还将自然光照应用于像AClockworkOrange（1971）和TheShining（1980）这样的电影中。
在艺术领域中，所有的油画流派都会用到很精确自然光照，例如，JanvanEyck（1385－1440）是精确人体画的早期采纳者。
在图19中，多个窗口的光线在屋子中混合，因此产生了分散的不明显的阴影。
VanEyck帮助建立了早期文艺复兴风格，这对自然世界的研究非常重要。
除了明暗对比的作品外，巴洛克式艺术运动（是一种绘画风格）期间还诞生了很多自然的画作。
这个绘画风格把重点放在了主体的情绪和身体的精确描绘上。
两个荷兰画家JanVermeer（1632－1675）和PieterdeHooch（1629－1684）在渲染柔和的自然照亮的室内布景方面尤其成功。
例如，在图20中，很多窗子照亮了一个大屋子，不同阴影的黑暗度随着它们的位置和投影表面而改变。
现实主义作为艺术的一种形式，出现在18世纪中期，它带来了没有理想主义或浪漫主义痕迹的精确描绘的世界。
现实主义画家有GeorgeCalebBingham（1811－1879）和Jules
Breton（1827－1906），这两人都因他们准确描绘的户外场景而著名。
印象主义出现在19世纪80年代，起源于法国，它基于现实主义哲学，试图真实地描绘光线和色彩。
图21说明了灯光的作用。
一个女人站在酒吧的大镜子前面，尽管场景的细节很混乱，却没有把这个女人和她周围的事物分割开。
也就是说，没有模拟的背景光或者特殊光照方案的人工假象。
左下角的香槟酒瓶也是这样，它们和环境融为一体。
这幅画有意识地画出现实世界的场景，就如它实际上看起来那样。
著名的印象主义画家有EdgarDegas（1834－1917）、ClaudeMonet（1840－1926）、Pierre-AugusteRenoir（1841－1919）和édouardManet（1832－1883）。
自然光照本身不能控制固定量的灯光或特殊灯光的定位或强度，但可以根据下面两点进行调整：
*决定最强的光是什么，从哪个方向射来。
可见光源是在画面中或是画面外。
在合适的位置设置一个或多个主体光，使灯光类型与光源类型相匹配。
（更多有关Maya灯光类型的信息，请参见第1章。
）在加进补光之前渲染测试帧，决定主体光的适当强度；
*决定需要什么类型的第二光源。
需要的是自然光源（即灯、蜡烛等）或是实际上是最强的光源的反射光。
将补光灯光放置在适当的位置。
如果拷贝已经存在的位置，则要复制主体光和补光比率。
如果创建的场景在现实世界不存在，则要应用的主体光和补光比率与现实世界里相当位置的主体光和补光比率相似。
可以重建已存在的图像进行练习。
例如，在图22中，将Vermeer的油画中的光照复制到3D中。
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1.5使用风格化的光照
风格化的（Stylized）光照不需留意现实世界，而是制造虚幻的光源，或完全忽略光照信息。
风格化光照最老的形式可以可称为0点光照。
在这种情况下，光照在艺术表现上不起任何作用。
史前的艺术作品中可以看到0点光照，古代的艺术作品或原始文化中也一样（如图23所示）。
到了今天，0点光照以线条艺术卡通的形式存在。
现代艺术的很多作品中用到了风格化的光照。
很多时候，这种类型都非常明显，即使给予物体截然不同的造型（即将物体画成三维的形式）。
例如，24中的男人与他周围的环境完全分离。
虽然可以假定这是晚上，但没办法确认。
没有光照阴影的线索，所以不能建立现实世界的光照方案。
风格化的光照非常适合3D动画，因为媒体对此类光照的应用没有限制。
本文结尾的第3节“分步操作：
3D光照实例”中有此类型的3D例子。
理解色彩和构图
成功的光照取决于场景中其他的美学元素，在这些元素中，色彩是至关重要的成分。
遗憾的是，本书未能大篇幅介绍色彩理论。
然而，色彩空间和色温的讨论值得一看，因为它应用了色彩校准和明亮的色彩。
同时，构图是所有渲染的动画中最重要的成分。
构图即画面中物体的排列，可以简单地归结为黄金分割和三分法。
2.1检查色彩校准
Maya使用RGB色彩空间。
色彩空间代表所有的像计算机显示器这样的设备可以产生的色彩。
各种产品的色彩空间差异很大，例如，电视可显示的色彩空间与纯平显示器可显示的色彩空间就不同。
特别地，RGB色彩空间是加色模型，也就是说，必须加入红色、绿色和蓝色才能生成白色。
对比而言，印刷用的是减色模型，添加青色、绛红和黄色才能生成黑色，而且如果色彩不足允许纸提供白色。
千万别假定计算机显示器可以正确地显示渲染。
如果为录像创建动画，最好在专业的广播监视器上检查编辑结果。
如果为照片创建渲染，将渲染导入Photoshop或类似的程序中，将RGB色彩空间转换为CYMK色彩空间，并选择正确的色彩配置文件。
如果为电影创建动画，要根据将画面转换为电影的服务的建议校正显示器。
较大的动画剧场常用自己的转换设备。
很多情况下，开发lookuptable（LUT，查找表）是为了适应映射动画片绘制者使用的计算机显示器的灰度系数。
便携的校准硬件也用来检查校准结果。
（显示器显示的色彩随时间改变。
）虽然这个过程对于独立动画片绘制者来说太昂贵了，但还可以使用快捷校准。
很多数字成像程序与校准软件打包在一起，AdobeGamma可能是最常见的，启动程序将会步入交互式的校准过程。
AdobeGamma虽然有用，但设计它是用来打印项目，所以它不大可能为一些动画项目提供精确的设置。
另外，Photoshop和其他的数字成像程序，基于InternationalColorConsortium（ICC，国际色彩合作组织）的色彩标准，都提供多种色彩特性（色彩特性即设备的色彩复制能力），因此，在Photoshop中时，应在特定打印机的色彩限制内工作。
遗憾的是标准特性不适用于电影和录像。
检查显示器色彩校准，有一个简单的方法，就是使用卡图。
例如，在图25中，图表经过11种不同的颜色，由黑变白，而且有连续的渐变变化。
当在显示器上显示时，图表的一部分可能会变皱（crushed）。
（某些颜色可能看不到了，而且渐变可能不再平滑了。
）如果显示器发生了这样的情况，可能是无意识地将场景的现实色彩空间的错误视图上的场景光照作为基础了。
最后的结果可能是在录像上显示的图案会太暗或不清楚，或者在电影中理显示得太亮。
调整显示器的亮度、对比度、灰度系数和色温可以缓解这个问题。
虽然通过显示器的外部面板可以调整亮度和对比度，但灰度系数和色温一般是由校准软件控制的（比如，AdobeGamma）。
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2.2色温注解
色温是以材料被加热时发出的光的波长为基础定义的，用K（Kelvin，开尔文）值表示。
从技术上来讲，如果光源的温度为5500K，那么它发出的光与将黑体辐射源加热到绝对零度（－273℃）以上5500K时发出的光的波长和颜色都相同。
黑体辐射源是一种理想材料，它可以吸收射向它的100%的辐射，而且当温度升高时它可以放射出100%热能。
虽然现实世界里没有黑体，但石墨和各种各样的金属都很接近它。
在WilliamKelvin（威廉姆·开尔文）（1824－1907）的原始实验中，就用到了一块加热的碳。
上面说过，Kelvin（开尔文）是温度的度量单位，在摄氏温度的基础上加上273。
开尔文度量制度仅涉及黑体辐射源的热量的温度，而不是光源的现实温度。
例如，为了与黑体辐射源在4000K时产生相同颜色的灯光，荧光灯泡并不需要到达现实世界的4000K；当然灯泡的颜色与加热的黑体的颜色有关。
当材料加热至大于650K时，它就发出可见光。
当温度接近650K时，光的波长很长，看到的光是红色的。
当温度大于6000K时，光的波长开始变短，颜色转为蓝色。
图26为光源色温的变化和相应的颜色，这里的颜色仅是粗略的近似值。
另外，为每个光源列出的色温都是平均的。
依据制造的环境和方法不同，色温很容易改变几百K。
校准显示器时，色温（或色平衡）可以设置显示器的白点。
白点是在色彩空间中定义什么是白色的标准。
如果给显示器设置高色温，白点则发蓝；如果设置低色温，白点则发黄。
白点的浮动必须与可能的输出格式相匹配。
例如，使用平版印刷的图像设计人员经常把他们显示器的色温设置在5000K。
虽然动画工作室都有自己的显示器校准标准，但是3D动画使用的色温一般为6500K。
在Maya中用光照时，不必知道光源的色温。
但是，光的颜色理论上要符合光源的类型。
例如，太阳光从白色变为蓝色；火光从红色变为橙色；白炽光是淡黄色的。
如果灯光的颜色不合适，场景看起来就会不正确。
这不能与胶片记录色彩的方法搞混，电影中经常夸大色彩。
例如，日光型彩色胶片（平衡设为5500K）会使白炽灯的黄色变得微红；钨薄膜（平衡设为3200K）会使阳光变得非常蓝。
专业的摄影师和电影摄影技师用色彩校正滤光片来减少这个问题，但最后的结果很少能与人眼最初感知到的相同。
显然，如果将3D匹配到拍摄真人表演或大自然的底片，应该复制色彩不管它们可能变成什么样。
然而，如果3D只意味着看起来真实，那么颜色应该相配，就像人眼感知到的那样。
除非选择非常风格化的光照方法，否则Maya灯光的色彩不会变成纯色。
现实世界的灯光很少有稳定连续的无杂质的波长。
综合的物理领域里光的折射、反射和吸收导致波长改变和混合。
仅仅减少颜色饱和度就可以避免这个潜在的问题（例如，RGB中1,0.9,0.9与1,0,0相对）。
2.3应用黄金分割
黄金分割得到了Pythagoras（毕达哥拉斯，c.580-500BC）和他的希腊同胞的大加赞赏。
它是一个无理数，即1.618…，不能转换成分数。
黄金分割定义了一个黄金矩形，这个矩形的长宽之比大约是1.618∶1。
从数学角度看，黄金矩形可以分割成一个正方形和一个小的矩形，小矩形的长宽比与原矩形的长宽比相同（如图27所示）。
用希腊字母phi描述黄金分割，而且它还常被称为黄金比率、黄金切割或者黄金比例。
虽然一向认为是希腊人发现了黄金分割，但一些历史学家认为在更早的文明社会已经使用了黄金分割（比如古巴比伦和古埃及）。
希腊建筑师觉得黄金分割在审美学上比其他比率的效果好，所以在很多建筑物设计中使用了这种形状，并且黄金分割在西方文明的建筑学过去的两千年也一直延用。
作为美术品，文艺复兴时期的艺术家们再次发现了黄金分割，这些艺术家包括LeonardodaVinci（1452－1519）和Raphael（1483－1520）。
在中世纪的伊斯兰教建筑和瓦片艺术品中也可找到黄金分割的变化。
很多19世纪和20世纪的艺术家，包括Seurat（1859－1891）、PietMondrian（1872－1944）和SalvadorDali（1904－1989），都应用了这种构图方法（如图28所示）。
今天，信用卡和金融卡的长宽比也使用了近似黄金比率（1.6∶1）。
1.66∶1的电影长宽比在除了北美洲的地方广泛使用，它也接近黄金矩形。
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黄金分割有很多自然实例。
例如，斐波纳契数列，在这个数列中，任何两个相邻的数、照字相除结果都是近似的黄金分割。
它可以精确地用来预测花朵的花瓣和种子、海贝壳、松果和各种植物叶子的生长。
19世纪后期以来，人们做了很多心理学的研究，以确定人们是否生来就偏爱黄金矩形，其结论是各式各样的。
一般来说，他们都意识到了这个比
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