理解光与影

光从光源发出,照射到物体上,再从物体反射到你的眼睛里,你的观察角度、光与物体的角度、光的大小强弱、物体的质地都决定了你眼里事物的样子,我们从光源开始,逐步弄明白其中的关系。

一个光源,拿电灯泡来说它存在如下几个特点:

  1. 强弱:50W没有100W亮
  2. 颜色:钨丝灯的颜色比日光灯黄
  3. 大小:钨丝灯比日光灯小
理解光与影

作者:Ace-皮赛

 

一、光的强弱通过常识,我们知道光的强弱有如下两个特点:

  1. 光源离物体越远越弱、越近越强,光以指数衰减,十分迅速;
  2. 光源功率越高,光越强;

在此之上,通过分析我们又有以下结论:

  1. 光越强,物体被照亮部分越亮,影子越明显;
  2. 当物体的亮度过亮时易影响曝光,比如亮部要正常曝光则暗部会欠曝,暗部要正常曝光亮部会过曝,影响整个图片高低光的宽容度。
  3. 当物体的亮度过低时,为了正常曝光,在光圈感光度不变的情况下易照成快门过慢导致模糊,在光圈快门不变的情况下易照成感光度过高而产生更多噪点和更低的画质。
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作者:Ace-皮赛

 

二、光的颜色通过常识了解,做出如下分析:

  1. 不同颜色的光交汇处会产生颜色叠加效果,例如红光与黄光叠加的地方出现橙光,原则符合加色原理(给出百度百科链接);
  2.  不同颜色的光于物体本身会发生颜色叠加效果,其原理同上。

 

通过以上分析,得出结论:

  1. 若是想要还原物体的本来色彩,最好使用色温稳定的白光,因为白光拥有几乎可见光的全部光谱,可使物体反射出真实的色彩;
  2. 若有多个光源并需保持物体的本来色彩,最好使用色温相同(同厂家同型号)的光源,以防因光源产生色差;
  3. 因尽量减少环境光的影响,因为环境光的色温无法预知,可以使用摄影棚、光箱等封闭设备,或者用黑卡、纸板遮挡多余光线。
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作者:Ace-皮赛

 

三、光的大小

1、点光源

要深刻理解光对物体的影响,我们必须从光的本源出发,光源有很多种:太阳、白炽灯、LED灯、日光灯等等,它们都可以看成是由无数个点光源组成。在此引入点光源的概念,它有如下几个特点:

  1. 点光源无限小,没有长度、宽度及厚度,它是分析需要引入的一个概念。
  2. 点光源向所有方向均匀发射,密度均匀,布满整个空间,不存在有地方有,有地方没有的情况。
  3. 点光源发射的光光强相同,即不存在哪里更亮,哪里更暗的情况。
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点光源

 

2、光向量

点光源发出的无数条光线,称之为光向量,向量既是有方向的量,属性有二,一为方向,一为量,量是向量的长度,用以表现光的强弱。它有以下几个特点:

  1. 光向量只沿一个方向传播,即不会出现半途折返的情况,除非有物体使它改变方向比如镜子。
  2. 光向量沿直线传播,即不会发生扭曲、S型、转圈的情况,虽然爱因斯坦相对论中提出光线会扭曲,但其本质是引力场扭曲了空间,光还是沿直线传播,再说其影响极小,可以忽略不计。
  3. 光向量在传播过程中会迅速衰减,即沿着光向量的方向光强逐渐减弱。
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光向量

 

3、光源的简化

由于光线是无限多的,所以对其分析十分复杂,为了更顺利的进行分析,在此我们要做一些简化。

①点光源的简化

光源的发散是立体的,是向三维空间内的所有方向(图1),为了便于分析,在此我们将其简化为一个二维的传播方向(图2),又因为物体一般只会在光源的一侧,且台灯、闪光灯、日光等都只会朝一个方向照射,故再将点光源简化为向单独一边传播(图3)。

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光源的简化

 

②面光源的简化由于点光源是无限小的,所以无论一个面光源有多小,它都可以看成是无限多个点光源组成的。而面光源有可能是曲面或者是不规则的面,为了便于分析,在此我们将其简化为纯平面(图1),可以想象这个纯平面垂直于屏幕,那么它在屏幕上的投影,即在二维上的表达是一条直线(图2),这也是为了与上述的点光源简化相配合。但是这样的光源的点光源个数为无穷个,仍然无法分析,故再将其简化,用有限个点光源代替面光源(图3),因为面光源的光线均匀,故点光源的间距相同。

理解光与影

面光源的简化

 

4、点光源分析

要分析复杂的情况,必须从最简单的问题开始分析,然后拓展推广到一般情况,所以我们从点光源开始分析。首先画出最简单的情况,即点光源与一个不透明物体(图中灰色三角形区域),如下图:

理解光与影

点光源分析

由于前文提到的光向量向所有地方均匀发射,布满整个空间,所以在光向量能达到的地方均被照亮,在不透明物体的遮挡下,光向量到达不到的地方出现阴影,且因为光向量沿直线传播,故点光源与物体边缘的连线(图中虚线所示)之内便是阴影,阴影的边缘是一条直线。

可以明白,要研究点光源的影响,其重点就是研究点光源与物体边缘的连线(图中虚线所示)。

 

5、面光源分析

通过之前的简化,面光源被简化为数个点光源,数个点光源同时叠加的情况比较复杂,在此引入一种研究方法,既通过Photoshop中的图层叠加,用纯黑(RGB:0,0,0)模拟完全黑暗的情况,那么假设一个光源的亮度以50%透明度的纯白(RGB:255,255,255)表示,并假设光向量整个平面上亮度相同不衰减,通过多个图层叠加,我们可以大致模拟多个点光源同时作用下的情况,具体如下:

理解光与影

 

图中圆形背景为纯黑,每一个圆都是一个点光源的作用区域,而相交部分会更亮,用来模拟光源互相叠加的情况。

为了使分析更加简便,我们对面光源与物体的关系做如下简化:

  1. 只分析纯平面光源:因为光源是均匀充满整个空间的,想象一个密闭的空间,如果不考虑光的强弱,那么点光源无论在哪个位置的效果都是一样的,所以无论是曲面还是不规则面都相当于一个平面;
  2. 只分析光源与物体平行的情况:当面光源不与物体平行,比如一边离物体近,一边远时,我们可以把它分为两个不同远近的光源分别分析,而每一侧又与平行的情况类似,故只需分析平行的情况;
  3. 只分析二维平面上的情况:三维的不同情况也就是(第三节.光源的简化)中面光源不垂直与屏幕平面的情况,其实也就是靠近屏幕的光源与远离屏幕的光源,j距离物体距离不同,在②中已经分析,故只分析二维平面的情况。

接着,我们引入由5个点光源组成的面光源,具体如下:

理解光与影

 

我们将点光源与物体边缘分别连线,再通过PS的图层叠加,可以发现从阴影到亮部出现了多个层次,每个层次的亮度从亮处依次递减直到纯黑,对比点光源的图,可以明白层次的产生是由于点光源个数的增多,虚线以内的部分产生了叠加,发挥想象力,当面光源不再是由有限个点光源替代的时候,无数个层次将会覆盖整个α角,阴影到亮部之间将会产生柔和的渐变效果。通过高斯模糊来模拟这一情况如下:

理解光与影

可以明白,这个阴影到亮部的层次就是一个渐变,它将覆盖整个α角。

 

6、面光源大小分析

参照上面点光源的图,可以发现点光源是没有这个渐变的,因为它只有一个点,或者说,可以看成是一个面光源,而点的间距为无穷小(其实当间距小到等于0时就相当于是一个点光源),那么我们猜想,当点光源的间距进一步增大时,这个阴影是否会越来越柔和。

通过增大5个点光源的间距,我们可以研究大面积光与小面积光之间的区别,具体分析方法同上,我们可以得到下图:

理解光与影

同理,做高斯模糊如下:

理解光与影

 

从图中可以发现,当光源面积变大时,阴影到亮部的层次间隔变大,即α角增大,由上面的分析可以知道,渐变仍会覆盖整个角,故此时相对较大的光源,阴影大小收缩,且阴影变得柔和。对比上面小光源的例子可以发现,小光源产生的阴影硬朗且阴影大, 这都与α的大小有关,α大的时候阴影柔和,小的时候硬朗。

 

这时我们得到如下重要的结论:

※α角越大,产生的阴影越小越柔和,即光越“软”

※α角越小,产生的阴影越大越硬朗,即光越“硬”

 

7、面光源距离分析

通过以上的分析,我们明白光的柔和程度与α角有关,那么α角由什么因素决定,要分析这个问题,我们先将前面的图简略如下:

理解光与影

从上图可以看出,α角的大小既是三角形的一个角(图中粗线画出),学过几何的人都知道,决定α角的是两个因素:高和底边。从图中可以看出,这个三角形的底边大小就是光源面积的大小,高就是光源与物体的距离:

  1. 高不变,增大底,即光源面积变大,α角增大;
  2. 底不变,增加高,即面光源与物体的距离增加,α角减小。

 

 

由此我们可以得出以下结论:

※光源面积越小,α角越小,光越“硬”

※光源面积越大,α角越大,光越“软”

※光源距离物体越远,α角越小,光越“硬”

※光源距离物体越近,α角越大,光越“软”

 

注:物体与光源的距离、光源的面积在实际运用范围内考虑,极限情况较为复杂,在此不讨论。

 

8、实例

举个例子,我们都知道太阳的直径是地球的109倍大,其相对于地球来说是一个大光源,但是由于太阳与地球的距离十分遥远,是太阳直径的215倍大(日地距离是是变化值,以平均值算),所以太阳相当于一个点光源,当万里无云晴空万里的时候,我们的影子、建筑物的影子,总是硬朗而对比强烈,这就是所谓的较”硬“的光,眼前的一切质感和立体感都十分强烈。然而阴天时,我们明显感觉到一切都柔和了许多,这是因为太阳把云层照亮,此时云层变成光源,这个光源十分巨大,所以阴影柔和到几乎没有,而质感和立体感也不很明显,这就是所谓的较”软”的光。

 

为了验证以上结论,取一个非透明实物(小痰盂),将条形台灯(大光源)从斜上方照射物体,并拍照(左图),此时为了实验的单变量性,保持其它元素不变,只用不透明遮挡物将光源遮挡成狭窄的细缝(小光源),并拍照(右图),通过实际拍摄,所产生的效果如下,可以在图中看到,左边的影子与右边相比小且边缘柔和,右边的影子大且硬朗,通过对比分析图,与实验结果大致相同。

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9、总结

由上分析得出了下结论:

  1. 光源越大,物体的阴影越柔和。
  2. 光源越小或者离物体越远,物体的阴影越硬朗。

 

由这两个结论,我们可作如下推广运用:

  1. 小光源拥有硬朗而大的阴影,适合表现物体的立体感和表面的起伏,比如沙丘、山峦,在晴天的效果明显比阴天来的雄伟壮丽。这是因为人对立体感的感觉是通过光线的明暗来判断的,阴影硬朗,明暗区分度大,从而立体感更强。
  2. 大光源拥有柔和而小的阴影,立体感很弱,适合表现物体的柔和感,比如女性脸庞的柔美。

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