自然光解读 www.cgeggs.com
“光”生性自由却又富有内涵，以至于每一位它的膜拜者——科学家亦或艺术家，都难 以抵抗它强大的魅力。 它的魅力来源于它的变化多端， 而这样的变化多端更让它显得神秘莫 测，难以捉摸。也许对于很多人来说，“光”就是一个“黑盒子”，我们欣赏、赞美它美丽 的外表，但却对它的本质不甚了解，这样的困惑伴随了笔者很久，并将长期萦绕笔者心头。 许多理论上的知识仿佛揭开了它神秘的面纱，但是实际观察中的迷惑仿佛告诉我：“嘿！小 子，那才是冰山一角。”困惑永远存在，但这并不阻碍所有膜拜者前进的脚步，对未知和神 秘的“光”的探索是很多人孜孜不倦的追求!
也许看过我另一篇文章《风格化的灯光》的朋友对“灯光语法”的概念颇感兴趣。何 为灯光语法？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，笔者把这三者组织起来的方法称为“视效语法”，而把如何组织 光的方法称为“灯光语法”。今天，我们要讨论的是如何组织自然光，相对于笔者以前对于 CG 灯光的解释，此文将更深入探讨光的本质以及实际在 CG 创作中的运用：为何每一天不 同时段的光线呈现出不同的色彩？这样的色彩的特征又是怎样的？如何运用这样的不同来 表达自己的想法？
CG 灯光的技术不应该是少数人手中的法宝，但国内深入对其描述的著作又十分罕见， 这就使得大部分灯光师对于光线的理解来源于自己的观察和项目积累。 此文行文目的并非只 为传道解惑，而希望更多的人加入光线的讨论和经验的分享的行列中。
1.光与自然光 www.cgeggs.com
首先，我们来了解一下什么是光。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），科学上定义在 390nm - 780nm，但是人 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，其中以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。
declare.image1
从波的理论来理解光， 并非是想把它从艺术性中抽离出来， 而是要靠以上的光波理论来 解释许多现象，好比蓝天为什么是蓝色，而朝霞为什么是红色，这对于 CG 的运用与实践是 相当有帮助的，稍后会有详细的说明。不仅如此，它还能帮助我们解决其他问题。在 Maya 默认渲染器中，有三个参数叫 Contract Threshold R/Contract Threshold G/Contract Threshold B (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 3:4:1.5(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。由于此文着重探讨自然光，所以光波理 论在渲染中的理论在此只是一笔带过。 这里只是让读者有一个印象， 光波理论能帮助我们解 决 CG 灯光及其他方面的一系列问题。
declare.image2
接下来，我们得聊聊主角——自然光。为读者理解本文内容方便，笔者把它定义为太 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 环境中的反射和折射， 可能这样的定义有一点绕口， 总而言之本文中所指的自然光都的最终 来源都是太阳。(declare.image3)
“日出江花红胜火”是白居易描写日出江面的一句词，这句词中的“江花”的解释一直 都有争议。 大部分人支持“江边的花”这一解释， 但是我认为“江花”应该解释为“浪花”， 且看下图(dawn.image1)。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比江边的小花泛红更能体现出日出的意境， 所以我支持后一种观 点。
dawn.image1
注 菲涅尔效应：根据菲涅尔公式，光的反射率可以用以下两个公式计算
(1)
(2)
当一束自然光照射到两种介质的界面上时，可分解为光矢量在入射面内的偏振光（P 光）和 光矢量与入射面垂直的偏振光（S 光）。Rp 、Rs 分别表示两种偏振光的反射率； 如图 dawn.image2 所示，n1 表示外介质的折射率，n2 表示内介质的折射率； i1 表示入射角，i2 表示折射角，i2 折射角可以通过以下折射定律得到；
(3)
最终反射率是 Rp 、Rs 的平均值，通过以上公式的代换可知 Rp 、Rs 只和入射角 i1 有关。 （如果读者朋友对偏振光感兴趣，可以查阅相关资料。） 乍看之下，很难找出 Rp 、Rs 和 i1 的变化规律，笔者是 maya 用户，为描述这个规律完成 了一个 mel 脚本( fresnelTest.mel )，
在 maya 中输入 fresnelTest [index]就能得到入射角 i1 从 1 变化到 90 所产生的结果。 ([index]是 n2 与 n1 的比值，水/空气的[index]大约是 1.33，玻璃/空气的[index]大约是 1.55，eg. 输入 fresnelTest 1.55) 结果，随着 i1 的增加，Rp 先变小再变大，i1 = arctg(n2/n1)时，Rp=0，达到最小值。 i1 = arctg(n2/n1)这个角被称做布儒斯特角，它在物理上有重要的意义，当光以布儒斯特 角入射时反射光为线偏振光，折射光为部分偏振光，这里不再赘述。 另一方面，随着 i1 的增加，Rs 单调增加，而 Rp 、Rs 的平均值也是单调增加的。 所以我们得出了最后的结论，随着入射光的入射角的增加，入射光的反射率也增加！
dawn.image2
那么， 为何日出时东方会呈现出红色呢？包括笔者在内的许多人都会脱口而出： “色温 低！”但是从更理性一些的角度思考，色温并不能从根本上解释这个问题。(色温概念并非 本文重点，不做详细描述。)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。通过上一节的介绍，我们已经知道，蓝光的波长比红光短，所以 蓝光在特定环境下的散射能力比红光强。 如图 dawn.image3， 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。
注:
光在传播过程中，会不断遇到障碍物，当障碍物比可见光的波长大很多时并且不均匀
时，光就被弹向四方，就像雨滴打在地面上一样，这个现象叫光的漫射；但当障碍物的大小 和波长差不多的时候， 障碍物会有选择性得透光光线， 而使得另一些光的传播方向发生偏转， 就好像三棱镜能让光散开一样，这个现象叫光的散射。
dawn.image3
2.破 晓 www.cgeggs.com
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。图 dawn.image4 是 笔者对这个时段光线的演示。
由于，“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。
3. 早晨和午后 www.cgeggs.com
当太阳升起以后，我们便进入了白天。当然，“白天”并不“白”，我们仍然能发现 丰富的色彩。请看下图 daylight.image1，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，但是自然光之所以给我们这样的视觉感受，不是因为它深谙美学原理，而是因为那深藏 在它背后的自然规律。
daylight.image1
天空为什么是蓝色的？这并不是一个充满童稚的问题， 直到 1871 年， （Lord John 瑞利 William Strutt Rayleigh 1842~1919,1904 年获得诺贝尔物理学奖）提出的瑞利散射理论 才圆满得解释了这个问题。白天得时候太阳照射地球表面，太阳光在穿过大气层时，各种波 长的光都要受到空气的散射，其中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，就如图 daylight.image2 所描述的那样。平日里，我
们看到大海所呈现出的蓝色也是因为散射造成的，但曾经在很长一段时间里，包括瑞利在内的许多人都认为大海的蓝色是因为反射了天空的散射光所造成的。 1921年，拉曼（Sir Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970,1930年获得诺贝尔物理学奖）在海上旅途中的发现让我们了解了真相，它从前文提到过的布儒斯特角观察海面并用尼科尔棱镜过滤掉了S光 ，从而看到不受蓝天影响的大海，这样的大海呈现出一种与平日相比更深沉的蓝色，
这就是光在水中散射的结果。
daylight.image2
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。(daylight.image3)
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。图daylight.image4是笔者对这个时段光线
的演示。
如图daylight.image5，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。
注： 太阳高度角具体的计算公式如下：
H为正午太阳高度，w为当地的地理纬度，S
为太阳直射点的地理纬度。
daylight.image5
当然，灯光师很少被指定设计某一天某个时间点在某个纬度的灯光，更多是被要求泛设计早晨/下午的灯光。这个时候，我们根据剧本和画面的要求来具体设计灯光的位置，正
如前面所述，这段时间的阳光几乎可以在任何位置出现。
那么，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。但是，我们经常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，这些艺术风格上的要求不一而足。
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。
(daylight.image6)
4.早晨和午后
相对于早晨/午后的自然光来说，正午的灯光并没有奇特之处。这个时段的主光仍然是黄色，补光仍然是蓝色，原理同早晨/午后。但是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，就像图midday.image1中的石膏像那样，会产生另人不愉快的投影。对于女性角色而言，这样的投影几乎是致命，很容易暴露不美之处。如果我们不得不处理正午的灯光，应尽量把灯光倾斜一些。上一节已经讲到，北回归线以北地区、南回归线以南地区，全年中太阳都不可能出现在正上方，即使在南北回归线之间的地区，全年太阳也只有两次直射地面的机会。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。
midday.image2
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。
5.黄昏和薄暮www.cgeggs.com
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别无二致，在接近天顶方向，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。
sunset.image1
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(sunset.image2)。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。
sunset.image2
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。图sunset.image4
是笔者对这个时段光线的演示。
sunset.image3
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。图sunset.image4
是笔者对这个时段光线的演示。
sunset.image4
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。可见，黄昏/薄暮时段的光线可以提供给灯光师很多选择，也让灯光师有额外的发挥余地。如果考虑到这个时段光线塑造力很强，情节的转折、冲突、推进都适合在这个时候来表现；如果考虑到这个时段光线具有冷、暖双重特性，各种阴暗或是隆重的场面在这个时段都有表现的余地；如果考虑黄昏是一天中能看到阳光的最后时段，那么灯光师便能使之表现一种落寞的气氛等等。可以说，只要我们考察黄昏/薄暮的角度不同，就能表达出不同的情绪，这个时段的内涵不是笔者用寥寥文字能尽述的。(sunset.image5)
sunset.image5
6.夜 晚www.cgeggs.com
黄昏和薄暮转瞬即逝，随之而来的便是漫长的夜晚。尽管目前3＋1种猜测说仍然不能完美地解释月球的起源，但是，我们还是要感激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。这个过程和原理已经在前文花大笔墨阐述。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，图night.image1所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。这样的原理前文也已经提到，这里是同样的道理。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。
night.image1
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。图night.image4是
笔者对这个时段光线的演示。
注：月亮在天空中出现是有规律的。和太阳一样，它也是东升西落，但是周期和太阳的不同。有时它会和太阳同时挂在天上，但是白天的天空太亮，我们便感觉不到它的存在。农历上半月，月亮从朔到望（即由亏到盈、由缺到圆），月亮位于太阳的东边，在日落以前已从地平线上升起，出现在天空。新生的蛾眉月，常在太阳升起后不久就升起，黄昏后已出现在西方天空，月牙的弓弧向西，但不久即消失在西方上的天空。弦时，月亮在正午升起，18点左右出现在南方天空，弓弧向西。满月时，太阳从西方地平线上落下时，月亮正好从东方地平线上升起。农历下半月，月亮从望到朔、即由盈到亏（由圆到缺）的月相称为残月，残月位于太阳的西边，在日出以后月亮才从地平线上落下。下弦时，月亮在半夜0点左右出现在东方的地平线上，弓弧朝东。蛾眉月（残月）出现在黎明前的东方天空，月牙弓弧向东，但不久即消失在东方天空中。夜晚看到月亮时间的长短可根据月亮圆缺的情况推测出来，月亮
愈圆，夜晚看到月亮时间愈长；月牙愈窄，夜晚看到月亮时间愈短。如新月（朔）整夜不见，
上弦月上半夜能看到，满月整夜可见，下弦月下半夜能看到。下表归纳了这些现象。
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。光比大约8:2。图night.image4是笔者对这个联立光线的演示。
night.image4
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。(night.image5)
总 结：www.cgeggs.com
关于自然光的解读，行文至此差不多该收笔了。此文有别于平时比较多见两类文章，一类是关于灯光与渲染的技术文章，另一类关于色彩、色温理论的应用。目的旨在让读者从光线性质以及更微观的角度来理解CG中的灯光。相信细心的读者能察觉到，文中虽有多处花了浓重的笔墨解释光线，但远未为到淋漓尽致的程度。一者因为在某些现象上，笔者自身未能寻求到一个满意的答案，再者因为篇幅关系，很难面面俱到，譬如色温等一系列概念都
未作深入探讨。相信读者心中自有一番独到的见解。最后，将此文献给所有读者，让那些对于自然光不可捉摸的困惑一散而尽吧
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灯光理论
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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（film noir ）。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）。
图1 灰色电影类型的电影中的刻板光照。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
经典的灰色电影有The Maltese Falcon （马尔他雄鹰，1941）、Double Indemnity （双重保险，1944）和Touch of Evil（历劫佳人，1958）。
更多最近的例子有Blade Runner （银翼杀手，1982 ）和Sin City（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，The Cabinet of Dr.Caligari（卡里加利博士的小屋），1919）。
图2 Emil Nolde（埃米尔·诺尔德）（1876-1956）作。先知，1912年。木刻画印刷版。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图3 Rembrandt作。The Supper at Emmaus（以玛的晚餐），1648年。木制油画（木油画）。Louvre ，Paris 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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Anthony Van Dyck（1599-1641），是一个很有影响的巴洛克式的肖像画家。
图4 Van Dyck作。Portrait of Cornelis van der Geest.c ，1620年。橡木油画。National Gallery ，London 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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）。
图5 时尚照片中的1点光照
现代画家也使用1点光照。例如，在图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。
图6 Bellows作。Club Night ，1907年。帆布油画National Gallery of Art Washington，D.C 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图7 （左）灰色电影照片；（右）Maya 中重建1点光照。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation。人体模特为Kristen Scallion
1.2 使用2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Frans Hals（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。
图8 （左） Hals作。The Laughing Cavalier ，1624年。帆布油画。The Wallace Collection ， London ；（右）Maya 中重建2点光照。这个场景在本书配套光盘的2_point.mb文件中。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图9 为Hals的油画重建而架起的2点光照
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。
图10 Harry Leith-Ross （1886-1973 ）作。Untitled.c ，1945年。纸上水彩画。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图11 标准的3点光照应用于人体模型。
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。
图12 标准的3点光照应用于原始球体。
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Rembrandt patch（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。
图13 两个物体的左脸颊上出现了“伦布兰特修补”效果
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Sergei Eisenstein（谢尔盖·爱森斯坦）导演的Old and New（1929 ）和20世纪20年代的卓别林（Charles Chaplian）喜剧（包括A Woman of Paris 、Gold Rush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Ingrid Bergman 、Gilda（1946）里的Rita Hayworth和Rear Window （1954）里的Grace Kelly。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，光（因
此在鼻子它直接在物体前面放置高的主体光和与眼睛齐平的补的下面生产蝴蝶形状的阴影）。
图14 如照片中所示，魅力灯光的3种变化，3张照片分别为Jane Wyman （左），Ida Lupino （中），Mary Pickford （右）。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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1
2.15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。
图15 Giovanni Battista Moroni（1520-1578 ）作。The Tailor.c ，1565年。帆布油画。National Gallery ，London 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图16 Rim （背景光）光照的自然事件举例。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
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The Band Wagon（1953 ）和Silk Stockings （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（如图17所示）。
图17 广告照片使用高调光照。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图18 一盏灯不现实地对自己投了3个明显的阴影（正如从20世纪50年代的电影中的画面中看到的）
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Stanley Kubrick（1928 －1999 ）导演的Barry Lyndon（1975）和Ridley Scott（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A Clockwork Orange（1971）和 The Shining（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，Jan van Eyck（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。Van Eyck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。
图19 Van Eyck作。The Virgin and Chancellor Rollin.c ，1436。木制油画。Louvre ，Paris 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation 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Jan Vermeer（1632 －1675）和Pieter de Hooch（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。
图20 Pieter de Hooch作。A Woman Drinking with Tow Men.c.1658 。帆布油画。National Galley ， London 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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George Caleb Bingham（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Edg
ar Degas（1834 －1917）、Claude Monet（1840 －1926）、Pierre-Auguste Renoir （1841 －1919）和édouard Manet（1832 －1883）。
图21 Manet作。A Bar at the-Foiles-Bergére, 1882 。帆布油画。Courtauld Institute Galleries，London 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图22 （左）Vermeer作。A Lady Standing at a Virginal ，1673。National Gallery ，London ；（右）在Maya 中重建自然光照。这个场景在本书配套光盘的naturalistic.mb文件中。照片 (C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图23 没有光照信息的岩画艺术和象形文字
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。
图24 Vincent Willem Van Gogh（1853－1890）作。Portrait of Dr.Gachet ，1890。帆布油画。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation 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 www.cgeggs.com
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自然光解读 www.cgeggs.com
“光”生性自由却又富有内涵，以至于每一位它的膜拜者——科学家亦或艺术家，都难 以抵抗它强大的魅力。 它的魅力来源于它的变化多端， 而这样的变化多端更让它显得神秘莫 测，难以捉摸。也许对于很多人来说，“光”就是一个“黑盒子”，我们欣赏、赞美它美丽 的外表，但却对它的本质不甚了解，这样的困惑伴随了笔者很久，并将长期萦绕笔者心头。 许多理论上的知识仿佛揭开了它神秘的面纱，但是实际观察中的迷惑仿佛告诉我：“嘿！小 子，那才是冰山一角。”困惑永远存在，但这并不阻碍所有膜拜者前进的脚步，对未知和神 秘的“光”的探索是很多人孜孜不倦的追求!
也许看过我另一篇文章《风格化的灯光》的朋友对“灯光语法”的概念颇感兴趣。何 为灯光语法？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，笔者把这三者组织起来的方法称为“视效语法”，而把如何组织 光的方法称为“灯光语法”。今天，我们要讨论的是如何组织自然光，相对于笔者以前对于 CG 灯光的解释，此文将更深入探讨光的本质以及实际在 CG 创作中的运用：为何每一天不 同时段的光线呈现出不同的色彩？这样的色彩的特征又是怎样的？如何运用这样的不同来 表达自己的想法？
CG 灯光的技术不应该是少数人手中的法宝，但国内深入对其描述的著作又十分罕见， 这就使得大部分灯光师对于光线的理解来源于自己的观察和项目积累。 此文行文目的并非只 为传道解惑，而希望更多的人加入光线的讨论和经验的分享的行列中。
1.光与自然光 www.cgeggs.com
首先，我们来了解一下什么是光。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），科学上定义在 390nm - 780nm，但是人 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，其中以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。
declare.image1
从波的理论来理解光， 并非是想把它从艺术性中抽离出来， 而是要靠以上的光波理论来 解释许多现象，好比蓝天为什么是蓝色，而朝霞为什么是红色，这对于 CG 的运用与实践是 相当有帮助的，稍后会有详细的说明。不仅如此，它还能帮助我们解决其他问题。在 Maya 默认渲染器中，有三个参数叫 Contract Threshold R/Contract Threshold G/Contract Threshold B (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 3:4:1.5(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。由于此文着重探讨自然光，所以光波理 论在渲染中的理论在此只是一笔带过。 这里只是让读者有一个印象， 光波理论能帮助我们解 决 CG 灯光及其他方面的一系列问题。
declare.image2
接下来，我们得聊聊主角——自然光。为读者理解本文内容方便，笔者把它定义为太 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 环境中的反射和折射， 可能这样的定义有一点绕口， 总而言之本文中所指的自然光都的最终 来源都是太阳。(declare.image3)
“日出江花红胜火”是白居易描写日出江面的一句词，这句词中的“江花”的解释一直 都有争议。 大部分人支持“江边的花”这一解释， 但是我认为“江花”应该解释为“浪花”， 且看下图(dawn.image1)。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比江边的小花泛红更能体现出日出的意境， 所以我支持后一种观 点。
dawn.image1
注 菲涅尔效应：根据菲涅尔公式，光的反射率可以用以下两个公式计算
(1)
(2)
当一束自然光照射到两种介质的界面上时，可分解为光矢量在入射面内的偏振光（P 光）和 光矢量与入射面垂直的偏振光（S 光）。Rp 、Rs 分别表示两种偏振光的反射率； 如图 dawn.image2 所示，n1 表示外介质的折射率，n2 表示内介质的折射率； i1 表示入射角，i2 表示折射角，i2 折射角可以通过以下折射定律得到；
(3)
最终反射率是 Rp 、Rs 的平均值，通过以上公式的代换可知 Rp 、Rs 只和入射角 i1 有关。 （如果读者朋友对偏振光感兴趣，可以查阅相关资料。） 乍看之下，很难找出 Rp 、Rs 和 i1 的变化规律，笔者是 maya 用户，为描述这个规律完成 了一个 mel 脚本( fresnelTest.mel )，
在 maya 中输入 fresnelTest [index]就能得到入射角 i1 从 1 变化到 90 所产生的结果。 ([index]是 n2 与 n1 的比值，水/空气的[index]大约是 1.33，玻璃/空气的[index]大约是 1.55，eg. 输入 fresnelTest 1.55) 结果，随着 i1 的增加，Rp 先变小再变大，i1 = arctg(n2/n1)时，Rp=0，达到最小值。 i1 = arctg(n2/n1)这个角被称做布儒斯特角，它在物理上有重要的意义，当光以布儒斯特 角入射时反射光为线偏振光，折射光为部分偏振光，这里不再赘述。 另一方面，随着 i1 的增加，Rs 单调增加，而 Rp 、Rs 的平均值也是单调增加的。 所以我们得出了最后的结论，随着入射光的入射角的增加，入射光的反射率也增加！
dawn.image2
那么， 为何日出时东方会呈现出红色呢？包括笔者在内的许多人都会脱口而出： “色温 低！”但是从更理性一些的角度思考，色温并不能从根本上解释这个问题。(色温概念并非 本文重点，不做详细描述。)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。通过上一节的介绍，我们已经知道，蓝光的波长比红光短，所以 蓝光在特定环境下的散射能力比红光强。 如图 dawn.image3， 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。
注:
光在传播过程中，会不断遇到障碍物，当障碍物比可见光的波长大很多时并且不均匀
时，光就被弹向四方，就像雨滴打在地面上一样，这个现象叫光的漫射；但当障碍物的大小 和波长差不多的时候， 障碍物会有选择性得透光光线， 而使得另一些光的传播方向发生偏转， 就好像三棱镜能让光散开一样，这个现象叫光的散射。
dawn.image3
2.破 晓 www.cgeggs.com
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。图 dawn.image4 是 笔者对这个时段光线的演示。
由于，“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。
3. 早晨和午后 www.cgeggs.com
当太阳升起以后，我们便进入了白天。当然，“白天”并不“白”，我们仍然能发现 丰富的色彩。请看下图 daylight.image1，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，但是自然光之所以给我们这样的视觉感受，不是因为它深谙美学原理，而是因为那深藏 在它背后的自然规律。
daylight.image1
天空为什么是蓝色的？这并不是一个充满童稚的问题， 直到 1871 年， （Lord John 瑞利 William Strutt Rayleigh 1842~1919,1904 年获得诺贝尔物理学奖）提出的瑞利散射理论 才圆满得解释了这个问题。白天得时候太阳照射地球表面，太阳光在穿过大气层时，各种波 长的光都要受到空气的散射，其中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，就如图 daylight.image2 所描述的那样。平日里，我
们看到大海所呈现出的蓝色也是因为散射造成的，但曾经在很长一段时间里，包括瑞利在内的许多人都认为大海的蓝色是因为反射了天空的散射光所造成的。 1921年，拉曼（Sir Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970,1930年获得诺贝尔物理学奖）在海上旅途中的发现让我们了解了真相，它从前文提到过的布儒斯特角观察海面并用尼科尔棱镜过滤掉了S光 ，从而看到不受蓝天影响的大海，这样的大海呈现出一种与平日相比更深沉的蓝色，
这就是光在水中散射的结果。
daylight.image2
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。(daylight.image3)
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。图daylight.image4是笔者对这个时段光线
的演示。
如图daylight.image5，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。
注： 太阳高度角具体的计算公式如下：
H为正午太阳高度，w为当地的地理纬度，S
为太阳直射点的地理纬度。
daylight.image5
当然，灯光师很少被指定设计某一天某个时间点在某个纬度的灯光，更多是被要求泛设计早晨/下午的灯光。这个时候，我们根据剧本和画面的要求来具体设计灯光的位置，正
如前面所述，这段时间的阳光几乎可以在任何位置出现。
那么，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。但是，我们经常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，这些艺术风格上的要求不一而足。
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。
(daylight.image6)
4.早晨和午后
相对于早晨/午后的自然光来说，正午的灯光并没有奇特之处。这个时段的主光仍然是黄色，补光仍然是蓝色，原理同早晨/午后。但是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，就像图midday.image1中的石膏像那样，会产生另人不愉快的投影。对于女性角色而言，这样的投影几乎是致命，很容易暴露不美之处。如果我们不得不处理正午的灯光，应尽量把灯光倾斜一些。上一节已经讲到，北回归线以北地区、南回归线以南地区，全年中太阳都不可能出现在正上方，即使在南北回归线之间的地区，全年太阳也只有两次直射地面的机会。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。
midday.image2
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。
5.黄昏和薄暮www.cgeggs.com
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别无二致，在接近天顶方向，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。
sunset.image1
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(sunset.image2)。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。
sunset.image2
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。图sunset.image4
是笔者对这个时段光线的演示。
sunset.image3
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。图sunset.image4
是笔者对这个时段光线的演示。
sunset.image4
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。可见，黄昏/薄暮时段的光线可以提供给灯光师很多选择，也让灯光师有额外的发挥余地。如果考虑到这个时段光线塑造力很强，情节的转折、冲突、推进都适合在这个时候来表现；如果考虑到这个时段光线具有冷、暖双重特性，各种阴暗或是隆重的场面在这个时段都有表现的余地；如果考虑黄昏是一天中能看到阳光的最后时段，那么灯光师便能使之表现一种落寞的气氛等等。可以说，只要我们考察黄昏/薄暮的角度不同，就能表达出不同的情绪，这个时段的内涵不是笔者用寥寥文字能尽述的。(sunset.image5)
sunset.image5
6.夜 晚www.cgeggs.com
黄昏和薄暮转瞬即逝，随之而来的便是漫长的夜晚。尽管目前3＋1种猜测说仍然不能完美地解释月球的起源，但是，我们还是要感激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。这个过程和原理已经在前文花大笔墨阐述。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，图night.image1所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。这样的原理前文也已经提到，这里是同样的道理。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。
night.image1
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。图night.image4是
笔者对这个时段光线的演示。
注：月亮在天空中出现是有规律的。和太阳一样，它也是东升西落，但是周期和太阳的不同。有时它会和太阳同时挂在天上，但是白天的天空太亮，我们便感觉不到它的存在。农历上半月，月亮从朔到望（即由亏到盈、由缺到圆），月亮位于太阳的东边，在日落以前已从地平线上升起，出现在天空。新生的蛾眉月，常在太阳升起后不久就升起，黄昏后已出现在西方天空，月牙的弓弧向西，但不久即消失在西方上的天空。弦时，月亮在正午升起，18点左右出现在南方天空，弓弧向西。满月时，太阳从西方地平线上落下时，月亮正好从东方地平线上升起。农历下半月，月亮从望到朔、即由盈到亏（由圆到缺）的月相称为残月，残月位于太阳的西边，在日出以后月亮才从地平线上落下。下弦时，月亮在半夜0点左右出现在东方的地平线上，弓弧朝东。蛾眉月（残月）出现在黎明前的东方天空，月牙弓弧向东，但不久即消失在东方天空中。夜晚看到月亮时间的长短可根据月亮圆缺的情况推测出来，月亮
愈圆，夜晚看到月亮时间愈长；月牙愈窄，夜晚看到月亮时间愈短。如新月（朔）整夜不见，
上弦月上半夜能看到，满月整夜可见，下弦月下半夜能看到。下表归纳了这些现象。
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。光比大约8:2。图night.image4是笔者对这个联立光线的演示。
night.image4
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。(night.image5)
总 结：www.cgeggs.com
关于自然光的解读，行文至此差不多该收笔了。此文有别于平时比较多见两类文章，一类是关于灯光与渲染的技术文章，另一类关于色彩、色温理论的应用。目的旨在让读者从光线性质以及更微观的角度来理解CG中的灯光。相信细心的读者能察觉到，文中虽有多处花了浓重的笔墨解释光线，但远未为到淋漓尽致的程度。一者因为在某些现象上，笔者自身未能寻求到一个满意的答案，再者因为篇幅关系，很难面面俱到，譬如色温等一系列概念都
未作深入探讨。相信读者心中自有一番独到的见解。最后，将此文献给所有读者，让那些对于自然光不可捉摸的困惑一散而尽吧
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灯光理论
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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（film noir ）。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）。
图1 灰色电影类型的电影中的刻板光照。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
经典的灰色电影有The Maltese Falcon （马尔他雄鹰，1941）、Double Indemnity （双重保险，1944）和Touch of Evil（历劫佳人，1958）。
更多最近的例子有Blade Runner （银翼杀手，1982 ）和Sin City（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，The Cabinet of Dr.Caligari（卡里加利博士的小屋），1919）。
图2 Emil Nolde（埃米尔·诺尔德）（1876-1956）作。先知，1912年。木刻画印刷版。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图3 Rembrandt作。The Supper at Emmaus（以玛的晚餐），1648年。木制油画（木油画）。Louvre ，Paris 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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Anthony Van Dyck（1599-1641），是一个很有影响的巴洛克式的肖像画家。
图4 Van Dyck作。Portrait of Cornelis van der Geest.c ，1620年。橡木油画。National Gallery ，London 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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）。
图5 时尚照片中的1点光照
现代画家也使用1点光照。例如，在图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。
图6 Bellows作。Club Night ，1907年。帆布油画National Gallery of Art Washington，D.C 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图7 （左）灰色电影照片；（右）Maya 中重建1点光照。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation。人体模特为Kristen Scallion
1.2 使用2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Frans Hals（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。
图8 （左） Hals作。The Laughing Cavalier ，1624年。帆布油画。The Wallace Collection ， London ；（右）Maya 中重建2点光照。这个场景在本书配套光盘的2_point.mb文件中。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图9 为Hals的油画重建而架起的2点光照
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。
图10 Harry Leith-Ross （1886-1973 ）作。Untitled.c ，1945年。纸上水彩画。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图11 标准的3点光照应用于人体模型。
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。
图12 标准的3点光照应用于原始球体。
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Rembrandt patch（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。
图13 两个物体的左脸颊上出现了“伦布兰特修补”效果
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Sergei Eisenstein（谢尔盖·爱森斯坦）导演的Old and New（1929 ）和20世纪20年代的卓别林（Charles Chaplian）喜剧（包括A Woman of Paris 、Gold Rush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Ingrid Bergman 、Gilda（1946）里的Rita Hayworth和Rear Window （1954）里的Grace Kelly。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，光（因
此在鼻子它直接在物体前面放置高的主体光和与眼睛齐平的补的下面生产蝴蝶形状的阴影）。
图14 如照片中所示，魅力灯光的3种变化，3张照片分别为Jane Wyman （左），Ida Lupino （中），Mary Pickford （右）。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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1
2.15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。
图15 Giovanni Battista Moroni（1520-1578 ）作。The Tailor.c ，1565年。帆布油画。National Gallery ，London 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图16 Rim （背景光）光照的自然事件举例。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
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The Band Wagon（1953 ）和Silk Stockings （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（如图17所示）。
图17 广告照片使用高调光照。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图18 一盏灯不现实地对自己投了3个明显的阴影（正如从20世纪50年代的电影中的画面中看到的）
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Stanley Kubrick（1928 －1999 ）导演的Barry Lyndon（1975）和Ridley Scott（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A Clockwork Orange（1971）和 The Shining（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，Jan van Eyck（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。Van Eyck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。
图19 Van Eyck作。The Virgin and Chancellor Rollin.c ，1436。木制油画。Louvre ，Paris 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation 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Jan Vermeer（1632 －1675）和Pieter de Hooch（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。
图20 Pieter de Hooch作。A Woman Drinking with Tow Men.c.1658 。帆布油画。National Galley ， London 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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George Caleb Bingham（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Edg
ar Degas（1834 －1917）、Claude Monet（1840 －1926）、Pierre-Auguste Renoir （1841 －1919）和édouard Manet（1832 －1883）。
图21 Manet作。A Bar at the-Foiles-Bergére, 1882 。帆布油画。Courtauld Institute Galleries，London 。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图22 （左）Vermeer作。A Lady Standing at a Virginal ，1673。National Gallery ，London ；（右）在Maya 中重建自然光照。这个场景在本书配套光盘的naturalistic.mb文件中。照片 (C) 2006 Jupiterimages Corporation
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。
图23 没有光照信息的岩画艺术和象形文字
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。
图24 Vincent Willem Van Gogh（1853－1890）作。Portrait of Dr.Gachet ，1890。帆布油画。照片(C) 2006 Jupiterimages Corporation 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 www.cgeggs.com
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