摄影课堂 || 打开未来照明之门——关于LED你必须要知道的那些事:核心理念和技术本源

1月10日 15:02

编者按:


LED光源作为现今社会走在世界前列的先进光源,因其在电影拍摄之中的广泛运用,逐渐引发了电影专业人士针对LED光源使用的多层次研讨。


在2020年12月12日【中国摄影师社群】的特别直播课中,美国电影摄影师协会(ASC)技术委员会委员,美国Kino Flo创始人、总裁福瑞德 · 霍克海姆先生(Frieder Hochheim)与北京电影学院摄影系主任 硕士生导师 李伟教授,就《LED灯光色度学的发展对现代影视的影响》展开了一次跨洋直播研讨会。

在本次越洋研讨中,两位老师就LED的使用标准,对不同设备器材的影响差异等诸多在电影拍摄中的实际问题进行了研讨。而今天,本篇文章正好就直播时很多同学提出的一些“本源”问题,进行解答。【篇末有福利】


本期内容为《美国电影摄影师杂志》的专栏文章,超级详细的带你到拍摄现场,下载影视工业网幕后英雄 APP,免费阅读完整的中文版《美国电影摄影师杂志》。加入【中国摄影师社群】,免费获取《美国电影摄影师杂志》原版杂志。本文作者:杰伊·霍尔本


当前 LED 在电影制作领域已是屡见不鲜,因而了解其发展轨迹及技术渊源正当适时,唯有知其然、明其策才能在相关突发问题面前有所应对。

《水形物语》拍摄现场 LED光源:Kino Flo


核心理念

想要更好地解决LED设备在使用中的潜在问题,第一要务就是明确色谱、色阶、普朗克黑体曲线、相关色温以及各种LED生成彩色光线的原理。


色温

色温是最基础的一环。太阳、火焰或传统钨丝灯等自然白炽光源发出的光线涵盖平滑过渡组合的彩虹色(赤橙黄绿蓝紫)。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)爵士就曾将棱镜置于太阳光下,将该光的光谱分解成了不同组成部分,从而应证了这一点。


此项结论与英国科学家威廉·汤姆森(William Thompson)的研究成果之间也有着千丝万缕的联系。这位“开尔文第一男爵”开辟性地引入了开尔文温度的概念,它以绝对零度(摄氏-273.15℃)作为计算起点,在该起始温度下所有分子活动都处于停摆状态(迄今有数学领域研究证明,任何材料都不可能达到这一温度)。


此后,德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav   Kirchhoff)提出了“黑体辐射体”理论。这是一种理论上存在的辐射材料,既不反射也不折射光线。在缓慢加热的条件下,它会发光,一开始是红色,而后逐渐过渡为橘色、黄色、白色和蓝色。这一概念融合了光谱和开尔文温度的知识体系,奠定了色温的理论形成发端,即将整个光谱的色彩波长与黑体辐射体的物理温度通过开尔文温度联系在一起。


19 世纪末,同样来自德国的物理学家马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)在这一领域继续迈进,确定了此后的普朗克轨迹(或曲线),串起了开尔文温度、黑体辐射体和人类视力色阶之间的关系纽带。至此,这三位伟大的奠基者便构建了我们当下所知的色温(或开尔文色温)概念。


本文且称其为开尔文温标,该温标阈值为0到20000K左右。在此阈值内,钨丝白炽灯光的色温约为3200K(属于橙红光范围),来自太阳和周围天空的自然光色温约在6500K(属于蓝光)。


传统的圆顶形双色二极管,可发出日光(无色或白色)和钨丝灯光(黄色)。


彩色胶片面世迄今,摄影画面的关键点就在于界定那个特殊的“白点”。尽管人的眼和脑在颜色分辨方面十分灵活,可以自动将某一系列的光线识别为“白光”或是“自然光”,但是胶片和数字传感器在这方面却相差甚远,它们需要一个确定的“白点”才能还原出人眼中世界的色彩。因此, 我们最开始就是根据两个数字来标定这个点的,即钨丝灯光的3200K和日光的6500K。(后者有时在不同标准下会设定为5500K 和5600K)。


CIE 1931


为 了 确 定 出 人 眼 能 见 的 所 有 色彩, 国际照明委员会( 法国组织, 法文 名 为 Commission Internationale de l’éclairage,CIE)历经多年研究与测试, 于1931年创立了CIE 1931 XYZ色彩空间。该空间用图像来表征电磁波谱中的可见部分,即我们说所的“光线”,波长范围约从400纳米到700纳米,囊括了人眼可见的所有光线波长(或色彩)。


CIE-XYZ 1931色彩空间构画出了开尔文温度(外轮廓)、普朗克曲线(下方三分之一处)和相关色温(曲线上的直线)。


这片半椭圆形的曲线范围从左侧底部的深蓝紫色,沿着外轮廓逐渐过渡为各种彩虹色(蓝、绿、黄、橙),直至最后化为右下角的红色。半椭圆曲线顶端有一大部分都由绿色波长构成,因为人眼对这个颜色最为敏感。越趋向中心,颜色的交融程度越高,产生了次生色彩,并在下方三分之一处最终叠加形成白光。


理论交汇

沿着CIE图像下方三分之一处这片区域观察,我们会发现一段特殊的色彩曲线, 它以最左端的600纳米为起始点,弧线蜿蜒至图像中心。这就是普朗克曲线,沿着这条曲线分布的就是开尔文色温范围。不论是电影胶片的感光乳剂,还是数字摄影传感器,它们在设计上都要对普朗克色温曲线感应灵敏,并参照6500K日光(即D65) 或3200K色温作为基础值。光线色温处于这个CIE XYZ色彩空间普朗克曲线内的光源在胶片或者数字传感器中的色彩保真度都是极高的。


LED 的突出优点之一就是可以用单个灯具展现多种色彩。


LED三足鼎立

1 双色LED

LED的突出优点之一就是可以用单个灯具展现多种色彩。相较于在钨丝灯和HMI镝灯之间交互切换, 或者不停更换荧光灯灯管,只要一个LED就能同时实现日光和钨丝灯光的色彩。甚至有声称通过混合双色LED里的两种色彩,既能达成3200K到6500K之间任意色温值。

但它并不是无所不能的。如前所述, 普朗克曲线是弯曲的,一个灯具里面如果有两种颜色的二极管,那么可以代表CIE 色彩空间中的两点(每个都有一个二维坐标),但是两者以各种强度进行混合之后的色彩图像只会是一条直线。这意味着当混合结果越趋向于两者的色温中间值时, 它们就离普朗克曲线上对应的真实色彩越远,而更加趋向于品红色。为了矫正这一现象,大多数情况下都需要增加滤纸以增加或弱化绿色的程度,将偏色重新拉回到曲线上(详见下段“历久之道”)。

2 RGB LED

RGB LED是双色LED的进一步升级, 它的作用主要是实现叠加色彩,通过混合红绿蓝光模拟出整个可见光谱。



虽然有人说三色刺激值系统只能模拟出三原色的峰值,而非整个色谱,但是支持者却主张数字摄影机其实只对红色蓝三色中很窄的一段波长区间较为灵敏,拜尔阵列滤色镜尤为如此,从这个意义上来说,RGB灯能够契合摄影机的灵敏度,制造出精准的色彩。


3 RGB+ LED

部分生产商认为,RGB LED仍然无法给出足够精准的色彩,所以他们会在这一组合当中加入更多二极管进一步混合,以“填补”色谱空缺。一开始都会从“白色”二极管入手,而实际上它们是带有荧光粉的蓝色二极管,能够创造日光的色温(见下方补充说明文字),有些厂商还会加一些“琥珀色”二极管来弥合色谱中暖色端的部分。你会发现这些灯具的备注名为RGB+W或RGB+AW,有时是RGB+WW,后者的意思就是增加了日光和钨丝灯光二极管。


现代的饱和色彩二极管,可呈现红色、石灰绿色、蓝色、琥珀色和白色。


某些LED公司会更进一步,尝试添加其他色彩的二极管,尤其是石灰绿、青色和深红色。当然,有得必有失,任何灯具中可以装载的二极管数量是有限的,所以虽然其可以更准确的反映过渡均匀的色谱,但却削弱了光照强度。

荧光粉涂层的日光和钨丝灯光二极管


LED的优势

改变光照强度却没有色偏是LED 灯具的一大优点,很多LED灯内都加上了DMX控制器或Multiverse组件以取代外置调光设备及减少布线,另一些则支持装配电池以提升整体便携性。其电力消耗远远小于钨丝灯或HMI灯,发热情况对比白炽灯和HMI镝灯几乎可以忽略不计,这样一来也减省了对于空调的需求。


不仅如此,有些LED灯具可以“马赛克式布阵”,使得这个矩阵的各个独立区域可以生成不同的色彩。独立区域越多, 画面分辨率也就越高。在某些矩阵中,每部分RGB+ LED集群都可以独立调整,从而整体生成一个画面,就像电视机屏幕一样。这一特点让马赛克布阵灯具成为了虚拟制作技术的有力支撑。


以上种种因素使得LED在越来越多的电影制作中得到使用。虽然色彩保真度依然是一个关键问题,但是厂商们也在基于市场需求不断精进技术,提升LED的光照强度和色彩精确度。除此之外,LED的选择类型很多,从软屏到菲涅尔镜聚光灯 和其他强光灯,种种皆有,且不乏顶尖厂家,包括Aputure、Arri、Astera、CineoLighting、Creamsource、Digital Sput-nik、ETC、LiteGear、Kino Flo、QuasarScience和Rosco。


自电影艺术起源以来,电影照明技术就一直在发展。


自电影艺术起源以来,电影照明技术就一直在发展。所以虽然有很多人可能会痛惜当下的LED灯在连贯性和准确性上的缺陷,但是他们也应当明白这项技术仅是照明进程中的一个阶段,而每个发展阶段都会有坎坷及不完美之处,直至最终打磨出能够真正被摄影领域广泛接受和运用的光源。


历久之道


全色谱光源(如自然光、火焰光或钨丝灯)具有彩虹光的所有颜色,且相互之间过渡均匀。相较之下,LED、荧光灯和HMI镝灯等可创造出相关色温的模拟光源只能通过色彩峰值来模拟全色谱光线,在色谱连贯性上则稍逊一筹。比如,当你有时拍摄某个对象的时候,它的色彩刚好处于这种色谱缺失的地方,即某些颜色峰值之间的波谷区间,这就会导致色彩还原不准确,因为色温偏离了普朗克曲线。事实上,相关色温位于与曲线垂直的直线相交附近。如果相关色温处于曲线上方,绿色的成分就会较多,如果在下方,品红的成分就会多一点。这就是我们几十年以来谈到HMI镝灯和荧光灯的时候所提到的“绿加”和“绿减”,这也是某些滤镜、滤纸和调色设置得名的缘由,它们的作用就是将偏离的色温拉回到正常的曲线上。

历史小探


对灵活度和多样性的需求催生了人工灯具的诞生。


虽然早期的正色胶片速度极慢,需要借由自然光的强度来创造出一种曝光效果,但是其仍然对于灵活度、多样性以及夜间拍摄有所期待和需求,这便加速了人工光源的诞生。1900年左右,库珀·休伊特(Cooper Hewitt)发明了汞蒸气灯管,这项技术当时被应用于街道照明。而后,在1910年后期,碳弧泛光灯开始登上历史舞台。但到20世纪20年代时,全色胶片的出现和录音的要求使得蓝绿汞蒸气灯和噪音较大的碳弧灯的退出成为了必然,转而将钨丝灯(当时通用电气公司称其为马兹达牌灯)推上新宠之位。1909年左右开始,人们的生活中开始出现钨丝灯,而直至20世纪20 年代早期到中期时它才被运用到电影领域。


1934年,Mole-Richardson公司在白炽灯中加入了菲涅尔透镜,同时,碳弧灯根据彩色胶片色彩还原的需求进行了又一次升级,但20世纪50年代时它们基本上都遭到了淘汰。依然是在20世纪30年代,荧光灯开始风靡于工业应用方面,并在20世纪50年代早期进军电视拍摄领域,不过彩色摄影的崛起令其最终渐渐陨落了。



20世纪60年代间,Osram将汞弧介质碘化物灯(HMI镝灯)引入了电影制作领域,良久之后才传播到美国, 因为解决50赫兹到60赫兹之间的转换花费了一定的时间。而荧光灯在20世纪80到90年代时又再度回潮,这在很大程度上归功于灯光师弗瑞德·霍克海姆(Frieder Hochheim),他后来成立了Kino Flo公司,并加入了ASC协会。


虽然20世纪90年代到21世纪初那段时间,等离子灯也曾昙花一现过,但引领照明未来的是LED技术的发展。回望历史,每一次照明技术进步的拐点都有ASC相守相伴,为这些新型灯具的可行性和效益进行调研,协会会员每每必积极踊跃进行讨论和验证,以确保新发明能够顺畅地融入电影制作当中。



--- 本文完 ---


【文末彩蛋】:


1 各位【中国摄影师社群】会员同学《LED灯光色度学的发展对现代影视的影响》跨洋直播剪辑版(添加了视频素材)已经放入到你们的“2020”在线课程中,欢迎及时收看。如需要本次直播课件资料的会员同学,请与管理员【学院君-巧克力】联系索取。


2 非【中国摄影师社群】会员,如欲收看本次直播回看,也请添加管理员【学院君-巧克力】,办理“社群限免收看手续”,添加管理员时,烦请注明“LED”。


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4 本篇LED发展史及技术背景简介旨在为下月同期【《摄影课堂》--LED光源使用篇】预热,届时我们将介绍LED光源的各种使用方法,大家敬请期待。


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