1.3.3 解读自然光

本节通过灯光中级应用，解读自然光，理解现实世界中光的原理，学习渲染器间接照明的应用，制作模拟真实的照片级渲染光效。

本节主要涉及以下知识要点：

● 理解光与自然光的概念

● 室外白天灯光制作

● FG全局照明的理解与应用

1. 光与自然光

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，但是黄色所占有的波段范围又比青、紫略大。如图1-93所示。

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，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，这也是绿色被作为信号灯标准色的原因。

自然光——自然光的最终来源是太阳，太阳光的衍生光包括天空对太阳光的散射、漫反射和月亮光，以及三者在环境中的反射和折射。

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长很多并且不均匀时，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，障碍物会有选择性的透光，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。

自然界中的光会受到各种不同情况的影响，并且之间的区别可能是非常大的。自然界中的光源是太阳，然而它会在一天不同的时间中和不同的天气下呈现不同的特征，例如光源可能会从硬光和温暖的变为柔光和清凉的光线。

如图1-94所示的是上午或午后的阳光，太阳直接的光线给予了颜色和外表。然而有两个因素影响着阳光的特征——散射和云层。

地球大气层可使较短的光波散射，从而产生天空的蓝色。日光光线穿过较多的云层，就会有较多的散射产生。

云也会对日光的颜色产生影响。云是半透明的，意味着光线会穿过它们，但是以漫射的形式。当光线穿过一个透明的表面例如玻璃时，光线依然会保持平行；然而当光线穿过一个半透明的表面时，光线就会在物体内部散射到不同的方向。这与在大气层散射的蓝色光线类似。

漫射会使阳光变得柔和，而一个小的硬光源（来自太阳）和一个大的柔光源（来自天空），颜色也会受到云层的影响，因为云层会遮蔽来自蓝天的光线。

2. 常见自然光分析

下面我们来分析几种常见的自然光。

（1）正午的阳光（Midday sunshine），如图1-95所示。

当太阳在天空的最高点的时候，它的光是最白和最强烈的，有着非常高的对比和很黑的阴影。在影像作品中我们之所以会感到阴影很黑，其实是电影胶片感光所造成的。事实上我们用肉眼实地观察还是会在阴影中发现一些细节。至于高对比这一点，是可信的。

强烈的光线有使颜色增白或者加强饱和度的效果。对比太过强烈的图像一般会很难吸引人，但是也有一些例外。例如，波光粼粼的水面就非常适合于这种强光，或者一些热带海洋的图片也应采用正午的阳光。在其他情况下高对比也具有创造性的效果。

在作品中强光和浓密的阴影不可单独出现，过低对比也是一个缺点。一般大多数的摄影师避免使用正午的强光，然而也并不意味不能使用。改变传统的习惯通常会产生不寻常和创造性的结果。

图1-96所示的图片就是一个典型的正午的光照，注意前景的沙子完全是白色的，阴影是黑色的。

正午拍摄下的水面效果非常得好，这是因为阳光的角度避免了反射。如图1-97所示。

图1-98所示的这张照片利用正午的阳光来强调对比。

（2）傍晚的阳光（Late afternoon/early evening），如图1-99所示。

当阳光下降时，它的光会变得比较温暖。因此在傍晚时的阳光会投射出明显的黄色，由于光的减弱，天空的蓝色也会随之变为深蓝。

傍晚的光线通常会非常吸引人，温暖的颜色和柔和的对比非常容易被我们的眼睛接受。大约在日落前一小时的光照效果是最吸引人的，摄影师和电影制作人通常把它叫做“黄金时刻”，因此这时的光照是非常适合拍摄的。

此时的颜色饱和度非常高，并且当光自身的颜色接触到表面时我们会感受到温暖和富有的效果。从审美观点上来看，此时的阴影和高光有非常好的组合效果，这时主光是温暖的黄色与阴影是凉爽的蓝色相衬。这些吸引人的傍晚的光照常常在照片、影片或广告中都有所应用。

我们能清楚地从图1-100中看到，傍晚黄色的光照投射到Battersea发电所的烟囱上。

如图1-101所示的这只狗光滑的皮毛上美妙地反射一抹来自天空的蓝色光照和另一抹傍晚的黄色光照。

傍晚的光照几乎适用于所有的主题。如图1-102所示的这一张照片如果没有使用傍晚的光照将会非常的乏味。

（3）日落（Sunset），如图1-103所示。

当日落时，光线的颜色会变为深橙色或者红色，并且光线会变得很弱，对比也会变得很低。较弱的阳光意味着天光比较强，阴影和遮蔽的范围将产生比较强的蓝色。日落时的阴影是非常长的，纹理也会变得很明显。

日落时的天空有时会出现五颜六色的效果，这是因为天空中的云彩受到下方落日的照明而呈现出橙色或者红色，而上方的云彩受到天光的照明就会混合成粉红或者紫色（遮蔽和阴影可能也会受此影响）。

日落根据大气和颜色也会变得不同，如果每日连续观察就会发现，每次的日落都是不相同的。

如图1-104所示的这张图片设定的是一个深橙色的阳光，阴影是由天空颜色混合的紫色。

因为阳光和天光投射在这些礁石上的颜色很相近，所以对比度非常低。如图1-105所示。

日落是相当短暂的，光照的变化也非常快。太阳在地平线消失之前，这样的画面只会持续大约一分钟。如图1-106所示。

（4）阴天中的光（Overcast），如图1-107所示。

阴天的光线会受到多样性的影响，会根据云层的厚度和时间的关系。和通常的理解相反，它实际是相当的美丽并且有很多吸引人的地方。因为整个天空是唯一的光源，并且光线非常柔和与漫射。由于非常软的阴影，对比是非常低的然而色彩饱和度却是很高的。

颜色主要依赖于每天的时间点，根据色温表中所述，阴天的光线是蓝色的，并且越厚的云层所投射的光线越蓝。但是经我们自己观察研究得到的结果却与其大不相同：如果太阳的位置较高光线就是白色或者灰白的，而且越厚的云层光线越白。只有等太阳位置较低时，阴天天空的光线才会变蓝，并且太阳越低会越明显。

阴天的光线时常会让人感到乏味，但是它也可能是非常美丽的。因为它能够很好表现出对象的颜色和纹理。反射的表面看起来也会很吸引人，这是因为白色的天空会在对象的表面产生柔和、宽阔的光影。这种效果常常会表现在水面或汽车的表面。

因为在阴天中光线对比度会很低，而饱和度却会很高。注意这些树叶上的高光和反射，在天气晴朗的环境中，这些会是很小和粗糙的。如图1-108所示。

从天空中的漫射光线显示了这些葡萄的结构。但是较低的对比度会使阴影有所损失却获得较高的饱和度。如图1-109所示。

阴天的天空会使水面产生银色的美丽反射。如图1-110所示。

（5）夜晚（Night）。如图1-111所示。

虽然夜晚太阳不在天空中，但天空本身还是会包含一些光。这些光可能是来自大气层中被散射的日光，或月光。星星由于太过微弱而无法投射引人注目的光线。

如果要设置夜晚的光照效果，要记住一个关键点：天空一定要比地面更亮一些，当然这除了有人造光的情况下。如图1-112所示的图像，左面的是正确的，右面的情况在自然界中是不可能出现的。

即使月亮有可见的光，但切记它的光也是反射太阳的光，并且遵从和阳光一样的照明规则。当月亮接近地平线时它会出现黄色或红色，但它在天空中较高的地方时它会变得比较白。月亮的表面其实是无任何颜色的，如果你经常看到登陆月球的照片，你会发现除了宇航员身上的颜色外其他的好像都是黑白的。

来自天空的光线是柔软和漫射的，然而当有月光时光线便会是硬的，这类似于阳光。与阳光主要的不同是，它显得非常微弱，硬的月光和软的天空之间的比率与白天相比也是不同的。

我们的眼睛通常在夜晚只能观察到很少的颜色，所以我们对夜晚的理解是无色的。然而电影胶片在夜晚对颜色是很敏感的。在影视制作中，白天拍摄出夜晚的效果通常采用的手段是使底片曝光不足或者在镜头前安装强蓝色的滤光片。

另一个需要考虑的因素是，在夜晚光是会受到影响的。在英国无论在哪里（甚至在远离城市的乡下）总能看见在天空某处的云层下方反射有城市的光线而产生的橙色的辉光。你必须到一些非常遥远的地方才能避免现代化的影响。

人造的光线与夜晚的暗形成鲜明的对比，即使很黑暗，注意前方屋顶也会反射有天光。如图1-113所示。

注意天空轻微的光和颜色，在照片中的颜色比用肉眼观察到的更为明显。如图1-114所示。

这里的月亮有轻微的红色和棕色光的投射，是因为月亮在天空中位置较低，当位置较高时月亮会有白色的光投射。如图1-115所示。

（6）天空中的颜色（Colour in the sky）

天空时常是富有色彩的，如果每天都观察它，就会发现天空会产生令人吃惊和复杂的不同颜色范围。许多因素都将影响到人们在天空或云层中观察到的颜色，例如每天的时段和云层的厚度。云层的厚度和它们之间的距离是很重要的一个因素，如果云层是参差不齐的厚度并且之间有小的缝隙，那么会观察到天空中光的强度、颜色以及质量的变化。这些都会产生很多不可预知的情况。

自然界中的光线和天空总是有一些颜色的，甚至是在暗淡的白天。如图1-116所示。

是什么导致远处的雨看起来是粉红色的，可能是由于背面的阳光吧。所以天空的颜色总是变化莫测的。

（7）自然光中的体积效果（Volume）

如果在空气中悬浮着一些粒子，那么光也会因为反射和散射与空气相结合。灰尘、水或者污染物的微粒会捕捉到光线，从而使光产生体积感，从而形成太阳光线、朦胧、雾等。

朦胧感总会存在于空气之中，并且它是我们在空间中感到近实远虚现象的主要因素。

雾和朦胧感非常的相似，唯一不同的是雾比较浓，而朦胧感比较淡。朦胧通常是白色或者浅蓝色的，这是根据天气情况而定的：在有阳光的晴天中它是浅蓝色的（因为它反射有蓝天的颜色）；在多云的天气下，它一般为白色的（比较像云），但是也可能会受到来自太阳和天空的其他颜色光线的影响，所以在实际中它有可能是蓝色甚至黄色或橙色的。

像这样穿过云层的光束是因为大气的微粒子接受到光线所产生的。如图1-117所示。

接近地面的雾是深蓝色的，这是因为它反射来自上方的蓝天。如图1-118所示。

在浓雾遮蔽下的雪景创造了非常漫射的光线，在树下面没有任何的阴影。如图1-119所示。

（8）水（Water）

水在我们的周围与世界中的自然光照下扮演着一个重要的角色。湿滑的表面会因为水而改变原有的质感，这是因为水不像其他自然界物质，它拥有高度的反射和强烈的方向性的高光。例如草的露水，它会捕捉早晨的阳光以产生数以万计的小的高光，就像一个小的透镜。如图1-120所示。

如图1-121所示中的树叶表面上的小水珠产生了许多高光的聚集，甚至在这样的阴天也不例外。注意水珠正在反射白色的天空。

如图1-122所示中的人行道上强烈的镜面反射提示给我们它是湿漉的。

如图1-123所示中的这些浆果上粘稠的液体产生了强烈的高光，强调了外皮的纹理。我们知道这些表面上的反射通常是不会出现的，所以我们可以断定表面是湿滑的。