概述

　　“光”生性自由卻又富有內涵，以至于每一位它的膜拜者——科學家亦或藝術家，都難以抵抗它強大的魅力。它的魅力來源于它的變化多端，而這樣的變化多端更讓它顯得神秘莫測，難以捉摸。也許對于很多人來說，“光”就是一個“黑盒子”，我們欣賞、贊美它美麗的外表，但卻對它的本質不甚了解，這樣的困惑伴隨了筆者很久，并將長期縈繞筆者心頭。許多理論上的知識仿佛揭開了它神秘的面紗，但是實際觀察中的迷惑仿佛告訴我：“嘿!小子，那才是冰山一角。”困惑永遠存在，但這并不阻礙所有膜拜者前進的腳步，對未知和神秘的“光”的探索是很多人孜孜不倦的追求!

圖1

　　也許看過我另一篇文章《風格化的燈光》的朋友對“燈光語法”的概念頗感興趣。何為燈光語法?首先我們先要了解，我們的CG作品的視覺效果是由光、物體的性質和觀察者(攝像機)所共同決定的，筆者把這三者組織起來的方法稱為“視效語法”，而把如何組織光的方法稱為“燈光語法”。今天，我們要討論的是如何組織自然光，相對于筆者以前對于CG燈光的解釋，此文將更深入探討光的本質以及實際在CG創作中的運用：為何每一天不同時段的光線呈現出不同的色彩?這樣的色彩的特征又是怎樣的?如何運用這樣的不同來表達自己的想法?

　　CG燈光的技術不應該是少數人手中的法寶，但國內深入對其描述的著作又十分罕見，這就使得大部分燈光師對于光線的理解來源于自己的觀察和項目積累。此文行文目的并非只為傳道解惑，而希望更多的人加入光線的討論和經驗的分享的行列中。

　　光與自然光

　　首先，我們來了解一下什么是光。光其實是電磁波中的很小一部分，一般意義上就是我們肉眼能看到的電磁波的波段(也稱可見光)，科學上定義在390nm - 780nm，但是人眼能看到的范圍在312nm - 1050nm甚至更廣。在這個范圍內，人們依次能看到紫、藍、青、綠、黃、紅等顏色。這些顏色的分布是不均勻的，紅、綠、藍所占有的波段范圍比較大;相反，黃、青、紫所占有的波段范圍就比較小，但是黃色的所占有的波段范圍又比青、紫略大。

　　不僅如此，人眼對各個顏色的敏感程度也不一樣，其中以對綠色的光最為敏感，這也是綠色被做為信號燈標準色的原因，當人在千米之外已經看不到紅燈和藍燈時依然能辨別出綠燈。圖2比較直觀地概括了這些現象。

圖2

　　從波的理論來理解光，并非是想把它從藝術性中抽離出來，而是要靠以上的光波理論來解釋許多現象，好比藍天為什么是藍色，而朝霞為什么是紅色，這對于CG的運用與實踐是相當有幫助的，稍后會有詳細的說明。不僅如此，它還能幫助我們解決其他問題。在Maya默認渲染器中，有三個參數叫Contract Threshold R/Contract Threshold G/Contract Threshold B (圖3)，這三個值的優化比例應該為2:1.5:4，因為人眼對紅/綠/藍的敏感程度大致為3:4:1.5(1/2:1/1.5:1/4)，所以我們渲染出的圖象的藍色通道質量不必像綠色通道質量那么高，人眼很難發覺其中的差別。由于此文著重探討自然光，所以光波理論在渲染中的理論在此只是一筆帶過。這里只是讓讀者有一個印象，光波理論能幫助我們解決CG燈光及其他方面的一系列問題。

圖3

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　　接下來，我們得聊聊主角——自然光。為讀者理解本文內容方便，筆者把它定義為太陽光及其衍生光，太陽光的衍生光包括天空對太陽光的散射、漫反射，月亮光以及三者的在環境中的反射和折射，可能這樣的定義有一點繞口，總而言之本文中所指的自然光都的最終來源都是太陽。(圖4)

圖4

　　破曉

　　“日出江花紅勝火”是白居易描寫日出江面的一句詞，這句詞中的“江花”的解釋一直都有爭議。大部分人支持“江邊的花”這一解釋，但是我認為“江花”應該解釋為“浪花”，且看下圖(圖5)。日出時，太陽“染紅”了整個東方，太陽光斜射到海面，由于菲涅爾(Fresnel)效應造成強烈的反射，致使海面也呈現出熱烈的紅色。從某種意義上說，整個環境呈現出壯麗的紅色比江邊的小花泛紅更能體現出日出的意境，所以我支持后一種觀點。

圖5

　　: : 注 : :

　　菲涅爾效應：根據菲涅爾公式，光的反射率可以用以下兩個公式計算

　　當一束自然光照射到兩種介質的界面上時，可分解為光矢量在入射面內的偏振光(P光)和光矢量與入射面垂直的偏振光(S光)。Rp 、Rs分別表示兩種偏振光的反射率;

　　如圖6所示，n1表示外介質的折射率，n2表示內介質的折射率;

　　i1表示入射角，i2表示折射角，i2折射角可以通過以下折射定律得到;

　　最終反射率是Rp 、Rs的平均值，通過以上公式的代換可知Rp 、Rs只和入射角i1有關。

　　(如果讀者朋友對偏振光感興趣，可以查閱相關資料。)

　　結果，隨著i1的增加，Rp先變小再變大，i1 = arctg(n2/n1)時，Rp=0，達到最小值。

　　i1 = arctg(n2/n1)這個角被稱做布儒斯特角，它在物理上有重要的意義，當光以布儒斯特角入射時反射光為線偏振光，折射光為部分偏振光，這里不再贅述。

　　另一方面，隨著i1的增加，Rs單調增加，而Rp 、Rs的平均值也是單調增加的。

　　所以我們得出了最后的結論，隨著入射光的入射角的增加，入射光的反射率也增加![NT:PAGE]

圖6

　　那么，為何日出時東方會呈現出紅色呢?包括筆者在內的許多人都會脫口而出：“色溫低!”但是從更理性一些的角度思考，色溫并不能從根本上解釋這個問題。(色溫概念并非本文重點，不做詳細描述。)其實，光的散色能力因光的波長不同而不同，波長越短，散射能力越強，越容易被散開。通過上一節的介紹，我們已經知道，藍光的波長比紅光短，所以藍光在特定環境下的散射能力比紅光強。如圖7，日出的時候，陽光斜射地面，陽光需要穿過很厚的大氣層，藍光由于散射能力很強，所以在到達地面之前就已經被散射光了，我們只能看到藍光在天頂和西方的散射。

　　注：

　　光在傳播過程中，會不斷遇到障礙物，當障礙物比可見光的波長大很多時并且不均勻時，光就被彈向四方，就像雨滴打在地面上一樣，這個現象叫光的漫射;但當障礙物的大小和波長差不多的時候，障礙物會有選擇性得透光光線，而使得另一些光的傳播方向發生偏轉，就好像三棱鏡能讓光散開一樣，這個現象叫光的散射。

圖7

　　CG中，破曉場景燈光，主光一般設置為紅色，補光選擇深藍色，光比大約8:2，燈光與地面夾角5-25度。其實此時陽光與地夾角并沒有這么大，但是CG畫面中如果角色或物體投影過長會讓畫面很堵，所以此時燈光與地面夾角的寬容度比較大。圖8是筆者對這個時段光線的演示。

圖8

　　由于，“日出”積極的寓意十分明顯，我們一般在這個時候表現一些積極和有朝氣的氣氛，也可表現一些浩大的場面，但總體來說都是很輕快的。同時，日出前的昏暗也可以用來表現一些陰暗的東西，利用日出這一時刻來表現從陰暗到光面的過渡會有戲劇性的效果。(圖9)

圖9

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　　早晨/午后

　　當太陽升起以后，我們便進入了白天。當然，“白天”并不“白”，我們仍然能發現豐富的色彩。請看下圖10，太陽光經過大氣，射到地面后呈現出黃色，而一些背對著太陽的地方呈現出很深的藍色。黃藍——暖色冷色的對比體現著一種色彩上的美感，但是自然光之所以給我們這樣的視覺感受，不是因為它深諳美學原理，而是因為那深藏在它背后的自然規律。

圖10

　　天空為什么是藍色的?這并不是一個充滿童稚的問題，直到1871年，瑞利(Lord John William Strutt Rayleigh 1842~1919,1904年獲得諾貝爾物理學獎)提出的瑞利散射理論才圓滿得解釋了這個問題。白天得時候太陽照射地球表面，太陽光在穿過大氣層時，各種波長的光都要受到空氣的散射，其中波長較長的波散射較小，大部分傳播到地面上，這些光綜合起來呈現出黃色。而波長較短的藍、綠光，受到空氣散射較強，天空中的藍色正是這些散射光的顏色，因此天空會呈現藍色，就如圖11所描述的那樣。平日里，我們看到大海所呈現出的藍色也是因為散射造成的，但曾經在很長一段時間里，包括瑞利在內的許多人都認為大海的藍色是因為反射了天空的散射光所造成的。 1921年，拉曼(Sir Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970,1930年獲得諾貝爾物理學獎)在海上旅途中的發現讓我們了解了真相，它從前文提到過的布儒斯特角觀察海面并用尼科爾棱鏡過濾掉了S光 ，從而看到不受藍天影響的大海，這樣的大海呈現出一種與平日相比更深沉的藍色，這就是光在水中散射的結果。

圖11

　　同樣是白天，陰天和晴天又有所不同。陰天的云層很厚，而且大顆粒物較多，少量陽光照射到云層上發生丁達爾散射(白光散射后仍然是白光)，大量陽光遇到云層后直接漫射開來，整個天空就像是一塊大的柔光布，所以陰天的自然光很少有顏色上的傾向而顯現出灰白色。(圖12)

圖12

　　CG中，早晨/午后場景燈光，主光一般設置為黃色，補光選擇藍色，光比大約7:3。因為燈光與地面的夾角與一天中不同的時段有關，另一方面也與地球在公轉軌道上的位置有關系，所以燈光與地面夾角幾乎可以是任意的。圖13是筆者對這個時段光線的演示。

圖12

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　　如圖13，太陽照射方向在東西方向分量與地面的夾角叫晨昏角，這個角度與一天中不同的時段有關，一般太陽在正午升到最高;太陽照射方向在南北方向分量與地面的夾角叫太陽高度角，這個角度與地球在公轉軌道上的位置有關。在中國，北回歸線以北地區，每年6月22日前后太陽高度角達到最大值。

　　: : 注 : :

　　太陽高度角具體的計算公式如下：

　　H為正午太陽高度，w為當地的地理緯度，S為太陽直射點的地理緯度。

圖13

　　當然，燈光師很少被指定設計某一天某個時間點在某個緯度的燈光，更多是被要求泛設計早晨/下午的燈光。這個時候，我們根據劇本和畫面的要求來具體設計燈光的位置，正如前面所述，這段時間的陽光幾乎可以在任何位置出現。

　　那么，早晨和午后的又有多大的區別呢?其實，兩者并無實質上的區別，只是在晨昏角上存在互補的關系。但是，我們經常在一些動畫電影中感到早晨和午后的燈光的不同，這僅僅是出于動畫藝術風格的需要，為了把兩個時段區分開，我們有時故意把早晨的主光設置成冷色，補光設置成暖色;或是讓早晨冷色的成分多一些，下午暖色的成分多一些等等，這些藝術風格上的要求不一而足。

　　正因為早晨/午后的自然光有了這些特性，它們便成了我們敘事與表達畫面的強有力要素。首先這個時段的主光方向的選擇比較多;其次這個時段的光比為7：3，稍微改變一下這個比例就能很輕易得達到，4：1的高比調或2：1的低比調;再次這個時段的光所產生的明暗關系中有豐富的冷暖變化。這樣的可調性使得燈光師的想法表達更為靈活。這個時候的燈光適合用來敘事，早晨的自然光更多給人輕快的感覺，有時也用來表現盛大的或喜悅的場面，下午光線的感情傾向相對弱一些，用以表現一些嚴酷的環境是一個不錯的選擇。(圖14)

圖14

　　正午

　　相對于早晨/午后的自然光來說，正午的燈光并沒有奇特之處。這個時段的主光仍然是黃色，補光仍然是藍色，原理同早晨/午后。但是因為正午是一天中陽光照射最強烈的時候，所以自然光中的很多要素都被極端化了。

　　首先是主光方向，太陽達到了一天中的最高點，從早晨的側光變成了中午的頂光。一般而言，生硬的頂光效果不甚理想，很容易投下很濃重的投影。人若處在這樣的光線之中，由于眉弓、顴骨等處的凸起，就像圖midday.image1中的石膏像那樣，會產生另人不愉快的投影。對于女性角色而言，這樣的投影幾乎是致命，很容易暴露不美之處。如果我們不得不處理正午的燈光，應盡量把燈光傾斜一些。上一節已經講到，北回歸線以北地區、南回歸線以南地區，全年中太陽都不可能出現在正上方，即使在南北回歸線之間的地區，全年太陽也只有兩次直射地面的機會。當然，直射的光線并非總是那么可惡。由于光線垂至于地面，當它照射到水面上時，菲涅爾效應很小，所以這個時候水看上去是很清澈的。(圖16)

圖15

圖16

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　　另一方面，由于正午時段的自然光很強烈，再加上人眼自動調節的緣故，我們看到的環境對比也十分強烈，這時如果燈光設置對比不強烈的話，感覺就像是早晨或者下午。這樣的效果在CG中是一柄雙刃劍，對比強的畫面自然能刺激視神經，但也會讓畫面的暗部死黑一片。

　　黃昏/薄暮

　　接下來，我們要聊的是黃昏/薄暮，關于這個時段，人們總是津津樂道。這個時段美輪美奐、變化無常的光線是攝影師的首選，也成了幾乎所有CG燈光師的用光首選。盡管黃昏/薄暮時段光線的變化很多，但是從總體上說，可以分為兩類，一類光線出現在太陽落下地平線以前，我們稱之為黃昏，另一類光線出現在太陽落下地平線以后，我們稱之為薄暮，其它各個時段的光線更多的是在這兩種光線基礎上的過渡和變化。

　　在黃昏的階段，太陽呈現出橙紅色，而且越接近地平線時越紅。這個現象和日出時的別無二致，在接近天頂方向，陽光穿過低層大氣較少，呈現出藍散射光與低層大氣散射的紅光“重疊”進入人的眼睛，就會看到顯示紫色的天空。 此刻地表和大氣經過了一整天陽光的照射，溫度都相對較高，由于布朗運動的緣故，大氣中小分子漂浮物比較多，所以天空的散射和漫反射都比較強。我們可以參考圖17，處在這樣光線下的物體的暗部很透，這也是昏黃光線和破曉光線的最大的區別。

圖17

　　薄暮是黃昏的一種延續，我們有時也稱這個時候的光線為染山霞，我們所熟悉的《指環王》中有許多鏡頭為我們演繹了這個時候的光線(圖18)。太陽已經下了地平線，不存在陽光對地面的直射，但是陽光仍然能照射到西方的天空，形成紅色的散射光，但由于強度小了很多，和高層大氣產生的藍散射光“混合”，便產生了十分美麗的品紅色的霞光。但是，這種現象也不是絕對的，只有當空氣中水分含量比較少時，才能產生染山霞。如果空氣中水分含量比較多時，光線會在其中各種難以預測的散射，有時甚至會得到綠色的散射光。不僅如此，由于薄暮時的光線不再含有太陽的直射光，所以此時的光線在物體表面多次反射或折射后，人眼便不一定再能感覺到。一個直觀的現象是，這是時段中，高級寫字樓上的玻璃對環境仍然較強的反射，但是樹木(表面粗糙)的光感便不再那么強烈了。

圖18

　　CG中，黃昏場景燈光，主光一般設置為橙色，補光選擇籃紫色，光比大約6:4，燈光與地面夾角10-30度。此時的燈光應該著力刻畫畫面暗部，一方面暗部比較透，另一方面，陰影比較長。圖20是筆者對這個時段光線的演示。

圖19

　　薄暮場景燈光，主光一般設置為品紅色(可以考慮用燈光陣列)，補光選擇紫色，光比大約6:4，燈光與地面夾角5-20度。此時，物體的投影都是比較柔和的。圖20是筆者對這個時段光線的演示。

圖20

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　　黃昏/薄暮的光線擁有諸多個性，首先這個時段光線角度較低，投影面積比較大，所以能很好得塑造形象;其次這個時段光線對比不強，畫面中的物體不會產生死黑的部分，都能表現出較多細節;再次，橙-紫光亦或粉-紫光都是和諧的光線組合，也是使光線出彩的組合;最后，合理運用攝影中的一些手法，亦能獲得十分有個性的畫面效果，比如人物在逆光效果下的剪影效果。可見，黃昏/薄暮時段的光線可以提供給燈光師很多選擇，也讓燈光師有額外的發揮余地。如果考慮到這個時段光線塑造力很強，情節的轉折、沖突、推進都適合在這個時候來表現;如果考慮到這個時段光線具有冷、暖雙重特性，各種陰暗或是隆重的場面在這個時段都有表現的余地;如果考慮黃昏是一天中能看到陽光的最后時段，那么燈光師便能使之表現一種落寞的氣氛等等。可以說，只要我們考察黃昏/薄暮的角度不同，就能表達出不同的情緒，這個時段的內涵不是筆者用寥寥文字能盡述的。(圖21)

圖21

　　夜晚

　　黃昏和薄暮轉瞬即逝，隨之而來的便是漫長的夜晚。盡管目前3+1種猜測說仍然不能完美地解釋月球的起源，但是，我們還是要感激這顆地球衛星的存在，它使得地球的夜晚不再徹底地黑暗。

　　太陽光在月球上經過漫反射后到達地球，期間經過大氣形成散射光。這個過程和原理已經在前文花大筆墨闡述。但是和白天不同的是，晚上的光線十分微弱，一些暖色光和散色光混合以后，顯現出銀白色甚至于寶石籃的顏色，圖22所展示的是一幅十分美麗的桂林夜景。值得注意的是，盡管晚上的光線十分昏暗，但是，在這昏暗中仍然充滿了變化。這些變化與月亮的位置、月相、云層厚度都存在各自的關系。這樣的原理前文也已經提到，這里是同樣的道理。變化歸變化，但有一點是始終不變的：在夜晚，除了被人工光源照亮的地方，地面的光線總間接來自于天空，所以地面總是比天空要暗。有時，我們不經意就把地面的顏色調得比天空亮，可能一時間反應不過來哪里出了問題，但總是會覺得畫面很奇怪。

圖22

　　CG中，夜晚場景燈光，主光一般設置為藏青色，補光選擇籃色，光比大約6:4，燈光與地面夾角可以為任何角度。一般情況下，燈光師不會被要求設計特定日期的月光。所以滿月便是最好的選擇，當月相為滿月時，我們整晚都能看到最亮的月亮。圖24是筆者對這個時段光線的演示。

圖23

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　　: : 注 : :

　　月亮在天空中出現是有規律的。和太陽一樣，它也是東升西落，但是周期和太陽的不同。有時它會和太陽同時掛在天上，但是白天的天空太亮，我們便感覺不到它的存在。農歷上半月，月亮從朔到望(即由虧到盈、由缺到圓)，月亮位于太陽的東邊，在日落以前已從地平線上升起，出現在天空。新生的蛾眉月，常在太陽升起后不久就升起，黃昏后已出現在西方天空，月牙的弓弧向西，但不久即消失在西方上的天空。弦時，月亮在正午升起，18點左右出現在南方天空，弓弧向西。滿月時，太陽從西方地平線上落下時，月亮正好從東方地平線上升起。農歷下半月，月亮從望到朔、即由盈到虧(由圓到缺)的月相稱為殘月，殘月位于太陽的西邊，在日出以后月亮才從地平線上落下。下弦時，月亮在半夜0點左右出現在東方的地平線上，弓弧朝東。蛾眉月(殘月)出現在黎明前的東方天空，月牙弓弧向東，但不久即消失在東方天空中。夜晚看到月亮時間的長短可根據月亮圓缺的情況推測出來，月亮愈圓，夜晚看到月亮時間愈長;月牙愈窄，夜晚看到月亮時間愈短。如新月(朔)整夜不見，上弦月上半夜能看到，滿月整夜可見，下弦月下半夜能看到。下表歸納了這些現象。(下表)

　　如果按照上述燈光設置的方法，藏青-籃屬于相鄰的色系。這樣的補光方法會顯得比較單調。但索性，晚間我們可以通過人工光源來補充自然光的這一不足。由于色溫的關系，人工光源呈現出暖色或是中性的綠色(一些熒光的物體)，這和夜晚的自然光正好形成一種有益的互補。如果夜晚場景含有人工光源，人工光源將成為主光，它的形式是點光源。主光選擇暖色，補光選擇冷色。光比大約8:2。圖24是筆者對這個聯立光線的演示。

圖24

　　純粹的夜晚光線適合用來表現一種寧靜的氣氛。這種寧靜可以視為可怕、緊張，也可視為安詳，表達的內容始終比較有限。而此時段的光線一旦和人光光源聯合作用，便產生了新的語境。人光光源可以出現在任何位置，頂光、底光、側光、逆光甚至正面光都成了燈光師表達畫面的語句。可以說，只要通過燈光師的加工，這時的光線除了含有它“黑暗的”、“沖突的”、“神秘的”的本意外，還能擁有其他任意的氣氛和情緒。(圖25)

圖25

　　總結

　　關于自然光的解讀，行文至此差不多該收筆了。此文有別于平時比較多見兩類文章，一類是關于燈光與渲染的技術文章，另一類關于色彩、色溫理論的應用。目的旨在讓讀者從光線性質以及更微觀的角度來理解CG中的燈光。相信細心的讀者能察覺到，文中雖有多處花了濃重的筆墨解釋光線，但遠未為到淋漓盡致的程度。一者因為在某些現象上，筆者自身未能尋求到一個滿意的答案，再者因為篇幅關系，很難面面俱到，譬如色溫等一系列概念都未作深入探討。相信讀者心中自有一番獨到的見解。