本教程的目的：
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？

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!






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general.image2比較直觀地概括了這些現象。





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 (declare.image2)，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。




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。




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。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。



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dawn.image2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；
(3)
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。）

在maya中輸入fresnelTest [index]就能得到入射角i1從1變化到90所產生的結果。([index]是n2與n1的比值，水/空氣的[index]大約是1.33，玻璃/空氣的[index]大約是1.55，eg. 輸入fresnelTest 1.55)
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！



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dawn.image3，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。

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。圖下圖是筆者對這個時段光線的演示。




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。