基于LED背景墻的電影虛擬化制作中的照明技術(shù)研究

盧柏宏 陳 軍 趙建軍

(1.北京電影學(xué)院中國電影高新技術(shù)研究院,北京 100088)

(2.北京電影學(xué)院影視技術(shù)系,北京 100088)

1 前言

2019年,美劇 《曼達(dá)洛人》使用基于LED 背景墻的電影虛擬化制作 (以下簡稱“LED 虛擬化制作”)技術(shù)進(jìn)行了拍攝,使得該技術(shù)進(jìn)入人們的視野并成為影視制作領(lǐng)域的熱點(diǎn)。該技術(shù)通過攝影機(jī)拍攝前景的演員以及LED 背景墻上同步顯示的畫面,直接獲取以往需要摳像合成才能得到的視效畫面,從而快速高效地完成視效制作。除此之外,LED 背景墻還具有照明功能,LED 背景墻上的每一顆燈珠都是獨(dú)立可控的光源,利用基于圖像的照明(Image Based Lighting,IBL)技術(shù)原理,通過顯示虛擬場景,還原出真實(shí)的光照效果。這種革新的照明方式能快速高效地實(shí)現(xiàn)較為真實(shí)的光照效果,但也存在一定的不足,如何揚(yáng)長避短,實(shí)現(xiàn)更好的照明效果,是電影制作人非常關(guān)心的問題,也關(guān)系到LED 虛擬化制作技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。

2 研究背景

照明是電影拍攝現(xiàn)場非常重要的工作。隨著技術(shù)的發(fā)展,越來越多的照明方式引入到電影拍攝中,而LED 虛擬化制作更是為照明提供了全新的思路。

2.1 基于圖像的照明技術(shù)與光照重現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場景的照明匹配,尤其是將真實(shí)世界的光照重現(xiàn)到虛擬的三維場景中,基于圖像的照明技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并在影視視效制作中大量應(yīng)用,在影片拍攝的同時(shí)拍攝記錄鉻球、灰球以及色卡,或者使用全景相機(jī)直接拍攝HDR 影像 (HDRI),將所記錄的圖像導(dǎo)入到三維軟件中,從而快速地在虛擬的三維場景中重現(xiàn)真實(shí)世界的光照效果?；趫D像的照明能滿足許多情況下的視效制作,但由于本身的原理導(dǎo)致其無法實(shí)現(xiàn)一些特殊的光照效果,如平行光、陰影等,因此在視效后期制作中,一般需要在基于圖像的照明基礎(chǔ)上,為虛擬場景添加額外的光源從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)的光照匹配。

一直以來,基于圖像的照明更多的是“從實(shí)到虛”的應(yīng)用,即采集真實(shí)環(huán)境的光照,并還原在三維軟件的虛擬場景中,而如果利用光臺(tái) (Light-Stage)或是LED 背景墻,基于圖像的照明就可實(shí)現(xiàn)光照“從實(shí)到實(shí)”以及“從虛到實(shí)”的應(yīng)用,將會(huì)開拓更為廣闊的應(yīng)用天地。創(chuàng)作者可以通過HDRI記錄某地的光照,在搭建有光臺(tái)或LED 背景墻的攝影棚中完成接近真實(shí)光照的拍攝,常見的應(yīng)用有影片的補(bǔ)拍、角色替換等;創(chuàng)作者也可以直接改變?nèi)S實(shí)時(shí)引擎中虛擬場景的光照效果,利用三維實(shí)時(shí)引擎的虛擬攝影機(jī)在虛擬場景中實(shí)時(shí)“采集HDRI”,并利用光臺(tái)、LED 背景墻等照明設(shè)備重現(xiàn)光照,從而讓三維實(shí)時(shí)引擎中的光照效果呈現(xiàn)在拍攝現(xiàn)場。

2.2 光臺(tái)對照明的重現(xiàn)

典型的光臺(tái)是一種將眾多LED 燈呈網(wǎng)狀規(guī)律均勻安裝在球形支架上的照明設(shè)備,每盞LED 燈均可被計(jì)算機(jī)獨(dú)立控制,從而改變其亮度和色彩,所有LED 燈的光照投射到位于光臺(tái)中心的人物身上,呈現(xiàn)不同的光照效果。光臺(tái)的光照重現(xiàn),就是利用基于圖像的照明原理實(shí)現(xiàn),通過獲取真實(shí)環(huán)境圖像上不同位置像素的亮度與色彩,映射并控制對應(yīng)位置的LED 燈,從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)的照明效果。

以南加州大學(xué)創(chuàng)意技術(shù)學(xué)院 (ICT)的Light Stage 3為例,見圖1,光臺(tái)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)較為真實(shí)的動(dòng)態(tài)照明,以表現(xiàn)演員在排列有柱子的走廊中行走,太陽光間歇地照射在演員身上。光臺(tái)技術(shù)在影視制作中的應(yīng)用,證明了基于圖像的照明技術(shù)在真實(shí)世界中進(jìn)行照明匹配的可行性,也為LED 虛擬化制作中的照明奠定了基礎(chǔ)。

圖1 Light Stage 3實(shí)景合成的燈光再現(xiàn)方法①

2.3 LED虛擬化制作中的照明應(yīng)用

利用LED 屏幕進(jìn)行照明的方式,早在2013年電影《地心引力》(Gravity)制作時(shí)就已經(jīng)開始應(yīng)用,劇組利用環(huán)繞演員的196塊LED 屏幕 (Light Box)播放視頻的方式實(shí)現(xiàn)了快速移動(dòng)旋轉(zhuǎn)的光照效果,如圖2所示。在影片中,LED 屏幕主要作為照明使用,LED 屏幕所顯示的畫面并沒有被直接作為背景使用,現(xiàn)場拍攝的畫面依然需要進(jìn)行后期制作。

圖2 《地心引力》中使用LED屏幕進(jìn)行照明

2018年制作的美劇 《曼達(dá)洛人》使用了基于LED 背景墻的虛擬化制作技術(shù),劇組搭建了大型LED 背景墻用于影片拍攝,LED 背景墻解決了演員盔甲上的反射問題,并為演員提供真實(shí)的環(huán)境光照。影片《西部世界》同樣使用LED 虛擬化制作技術(shù)進(jìn)行拍攝,影片甚至使用幾塊吊裝的LED 屏幕貼近飛船以提高照明效果,如圖3所示。

圖3 《西部世界》使用LED虛擬化制作進(jìn)行拍攝②

2019年8月,在SIGGRAPH 2019上,Unreal Engine(UE)官方推出了LED 虛擬化制作拍攝解決方案(圖4),其中包含照明相關(guān)功能。得益于環(huán)繞的LED 背景墻,場景內(nèi)的摩托車與人物的光照可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整,并且能和虛擬畫面進(jìn)行高度匹配。內(nèi)視錐用于背景畫面的顯示,而外視錐為環(huán)境提供照明,兩者的亮度、色彩有所不同以滿足各自的功能需求。此外,摩托車上的反光表面也能正確還原,這使得虛擬化制作中虛實(shí)結(jié)合后的真實(shí)感大大提升。

圖4 UE提出的LED虛擬化制作方案

2021年,奈飛公司制作的美劇 《1899》使用了LED 虛擬化制作技術(shù) (圖5),該LED 虛擬化制作環(huán)境的背景墻為C 型的環(huán)幕,C 型開口方向還有一個(gè)可以上下活動(dòng)的背屏,頂部中心位置架設(shè)太空燈燈光陣列,當(dāng)背屏降下后,所有屏幕共同組成全包圍的拍攝環(huán)境。此外,場景內(nèi)的置景可以隨轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn),以滿足不同拍攝方向下的拍攝需求。

圖5 美劇 《1899》的LED虛擬化制作環(huán)境③

3 LED虛擬化制作中的LED 屏幕照明特性分析

在LED 虛擬化制作中,LED 屏幕可以顯示三維實(shí)時(shí)引擎中的虛擬畫面,也可以顯示事先拍攝的HDRI全景圖像,與虛擬環(huán)境的位置、大小、形狀、亮度和色彩一致的光線從不同方向照射而來,能夠模擬比較真實(shí)的基礎(chǔ)光照效果。

3.1 LED屏幕照明的優(yōu)勢

LED 屏幕配合三維實(shí)時(shí)引擎,除了顯示動(dòng)態(tài)背景畫面外,動(dòng)態(tài)的照明也是重要的作用之一。圖6為研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的測試短片拍攝場景之一,演員駕駛摩托車在路上行駛,兩側(cè)路燈的燈光間歇照射在演員身上,在LED 虛擬化制作中,我們使用兩側(cè)的LED 屏幕所顯示的圓形“光卡”(特定形狀和面積的亮斑)將演員照亮,LED 屏幕上的光源從前往后平移,以模擬路燈間歇照射的效果。傳統(tǒng)的方式是旋轉(zhuǎn)燈具或使用旋轉(zhuǎn)的反光鏡來營造運(yùn)動(dòng)的路燈效果,相比之下,由三維實(shí)時(shí)引擎驅(qū)動(dòng)的LED 屏幕動(dòng)態(tài)照明能夠?qū)崿F(xiàn)更豐富多樣的效果,同時(shí)修改的自由度更高、修改速度更快,因此LED 虛擬化制作十分適合拍攝光影變化復(fù)雜的場景。

圖6 車戲內(nèi)容測試短片拍攝時(shí)LED背景墻實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)照明

創(chuàng)作者利用“光卡”在LED 屏幕上顯示額外的亮斑和色塊,為場景提供照明是LED 虛擬化制作的突出特色之一,如圖7所示?！肮饪ā钡奈恢?、亮度、色彩、大小以及形狀可以任意改變,創(chuàng)作者只需要操作平板電腦或是手機(jī)中的交互界面,即可在LED 背景墻的任意位置進(jìn)行布光,所有的操作均為實(shí)時(shí),創(chuàng)作者可以立即看到光源修改后的結(jié)果?！肮饪ā钡牧炼取⑸收{(diào)整使用是與影視調(diào)色軟件相似的色盤,相比于傳統(tǒng)調(diào)光臺(tái),能更直觀地進(jìn)行操作。同時(shí),“光卡”大小與形狀的改變能實(shí)現(xiàn)不同的照明效果,極大豐富了照明手段,例如:長條形的線型“光卡”能讓不同方向的陰影具有不同的軟硬效果,不同大小的圓形“光卡”能迅速為演員提供效果更佳的眼神光。

圖7 虛擬化制作中的“光卡”

LED 屏幕上的虛擬畫面不僅可以直接被攝影機(jī)拍攝,還可以通過折射、透射的方式在玻璃、鏡面等材質(zhì)的表面展現(xiàn)。傳統(tǒng)燈光很容易在玻璃、鏡面等材質(zhì)中穿幫,而LED 屏幕照明可有效地解決這一問題。如圖8所示,因?yàn)楹蠓绞褂肔ED 屏幕顯示虛擬畫面,透過杯子和酒瓶能觀察到環(huán)境,但正面反射的影視燈具則造成了穿幫,如果在正面架設(shè)LED屏幕,能有效解決這一問題。

圖8 測試短片拍攝時(shí)LED背景墻透射與折射效果

LED 屏幕通過顯示環(huán)境圖像的方式,實(shí)現(xiàn)基于圖像的照明。在一些情況下其光照效果可以直接使用,但在許多情況下創(chuàng)作者需要對其進(jìn)行主觀的創(chuàng)作調(diào)整,對于這類情況,可以使用區(qū)域調(diào)色 (Color Correct Regions)組件對部分區(qū)域進(jìn)行調(diào)色,這樣就可以在不改變環(huán)境畫面內(nèi)容的同時(shí),對LED 屏幕上顯示的環(huán)境畫面中部分區(qū)域進(jìn)行色彩調(diào)整,從而對照明效果進(jìn)行微調(diào),如圖9所示。

圖9 區(qū)域色彩校正

3.2 LED屏幕照明的不足

首先,LED 屏幕作為顯示設(shè)備,其單位面積亮度與影視燈具存在很大差距。目前業(yè)內(nèi)用于虛擬化制作的LED屏幕亮度一般只能達(dá)到6000nit,但影視照明的LED平板燈能夠達(dá)到100000nit甚至更高,對于單位面積亮度更高的聚光燈,LED 屏幕更是無法比擬。因此在多數(shù)情況下,虛擬制作中的LED 屏幕無法獨(dú)立完成照明工作,需要配合其他燈具進(jìn)行。

其次,LED 屏幕作為顯示設(shè)備,其設(shè)計(jì)初衷是為更好地顯示影像。如圖10所示,使用RGB 貼片燈珠,其可視角度較大,這有利于攝影機(jī)從多角度進(jìn)行拍攝,但可視角度較大同樣意味著照射角度較大,這樣會(huì)導(dǎo)致屏幕間更容易產(chǎn)生干擾,使場景光照對比度降低。如圖11、圖12所示,某型號(hào)LED屏幕在發(fā)紅、綠、藍(lán)以及白光時(shí),在不同角度下的衰減情況,可見即便在偏移60度后,照度只衰減到正對屏幕時(shí)的80%左右,說明其光線較為發(fā)散。

圖10 LED屏幕表面

圖11 實(shí)驗(yàn)測量某型號(hào)LED屏幕垂直角度下白、紅、綠、藍(lán)的亮度衰減

圖12 實(shí)驗(yàn)測量某型號(hào)LED屏幕垂直角度下白、紅、綠、藍(lán)的亮度衰減

再次,從圖12的數(shù)據(jù)還可以得出,在不同角度下紅、綠、藍(lán)三色的衰減程度并不一致,即在不同的方向下出現(xiàn)偏色的問題,這是由于LED 燈珠貼片的物理結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的。如圖13所示,從攝影棚中心觀察,左側(cè)屏幕偏紅,右側(cè)屏幕偏藍(lán),這會(huì)對演員的照明產(chǎn)生一定影響。LED 屏幕出現(xiàn)大面積白光時(shí)這一問題較為嚴(yán)重,但在較暗或較為風(fēng)格化的場景中并不明顯。

圖13 LED屏幕不同角度偏色的問題 (左)及偏色原理示意圖 (右)

另外,如圖14所示,影視燈具發(fā)出的白光光譜分布較為連續(xù),但LED 屏幕的RGB 燈珠所發(fā)出的光線光譜分布不均勻,因此LED 屏幕的照明顯色性較差。如圖15所示,由于LED 屏幕所發(fā)出光譜較窄的R、G、B光照,導(dǎo)致場景中人物、道具以及色卡中的某些色彩飽和度增加,并且對于人臉膚色會(huì)出現(xiàn)偏紅的現(xiàn)象,這些偏色可以依靠調(diào)節(jié)LED 屏幕色彩進(jìn)行部分補(bǔ)償校正,但由于光譜缺失,往往無法通過簡單的色彩校正徹底解決。使用照明顯色性更好的多基色的燈光陣列替代LED 頂屏能在一定程度上彌補(bǔ)這一缺陷。另外,使用額外的影視燈具進(jìn)行補(bǔ)光,令拍攝環(huán)境中混入更多光譜均勻的光照,可以改善LED 屏幕光譜不均勻所導(dǎo)致的偏色問題。

圖14 LED屏與LED面板燈光譜分布對比圖

圖15 LED屏幕和白光LED燈的光譜與照明效果對比

3.3 LED屏幕照明的注意事項(xiàng)

在LED 虛擬化制作中,使用LED 屏幕作為照明工具時(shí),我們總結(jié)出了一些注意事項(xiàng)供大家參考。

在LED 虛擬化制作中,LED 屏幕的型號(hào)參數(shù)選擇存在一些矛盾,用戶需要根據(jù)自己的需求抉擇。LED 屏幕在作為劇組人員虛擬環(huán)境參考,以及作為攝影機(jī)拍攝背景時(shí),分辨率、色域指標(biāo)更為重要;而LED 屏幕在作為照明時(shí),亮度與顯色指數(shù)更為重要。但LED 屏幕在設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí),分辨率和亮度往往存在一定沖突,點(diǎn)距較大,單位面積下分辨率較低的LED 屏幕亮度通常更大,這就是為什么目前主流LED 虛擬化制作時(shí),使用高分辨率低亮度的LED屏幕作為攝影機(jī)拍攝的背景,而不需要入畫的頂屏,往往使用低分辨率大亮度的LED 屏幕。此外,色域和光譜均勻度也存在沖突,色域廣的LED 屏幕要求RGB燈珠色彩具有更高的純度、更窄的光譜寬度,就使得其光譜均勻度降低,最終導(dǎo)致照明顯色性較差。為此,一些解決方案中考慮將不入畫的LED 屏幕替換成照明顯色性更好的多基色的燈光陣列。

在LED 虛擬化制作的照明應(yīng)用中,LED 屏幕的空間構(gòu)成十分重要,對于拍攝和照明而言,最為理想的屏幕形狀為半球形,但是由于技術(shù)和成本的原因,球幕LED 虛擬拍攝方案還未商業(yè)應(yīng)用。目前較為常見的為半圓形或馬蹄形環(huán)幕的LED 背景墻設(shè)計(jì)方案,這種設(shè)計(jì)避免了方形方案的折角,在拍攝角度選擇時(shí)更為自由,并且屏幕距離處于中心的演員距離較為一致,不同方向的光照強(qiáng)度較為均勻。另外,為了方便工作人員、道具和設(shè)備進(jìn)出,常見的LED 虛擬化制作環(huán)境均不會(huì)360度全封閉,這導(dǎo)致缺少正面的照明,此時(shí)需要在LED 背景墻開口處架設(shè)額外的燈光,或設(shè)置可移動(dòng)的LED 屏幕照明。如圖16所示,美劇 《1899》的LED 虛擬化制作環(huán)境,半圓形固定的LED 背景墻,開口處搭建了可升降的LED 屏幕 (圖中標(biāo)識(shí)5),即可讓場景盡可能被LED 背景墻環(huán)繞。圖17所示是北京電影學(xué)院搭建的U 型的LED 背景墻,后方安裝由104條像素?zé)艄芙M成的燈光陣列,能夠提供全方位的照明。

圖16 《1899》拍攝使用的LED虛擬化制作環(huán)境④

圖17 北京電影學(xué)院影視技術(shù)系搭建的LED虛擬化制作環(huán)境

此外,LED 背景墻為位置固定的光源,根據(jù)光照的平方反比定律,不同方向的光照強(qiáng)度,會(huì)根據(jù)演員所處位置產(chǎn)生一定的差異,尤其在面積較小的LED 虛擬化制作環(huán)境中,演員的移動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致人眼可見的光照變化。這個(gè)問題在拍攝室外虛擬場景時(shí)較為明顯,因?yàn)樵谡Ｇ闆r下,由于太陽距離非常遠(yuǎn),室外的太陽光照效果隨演員移動(dòng)的變化可以忽略,但在面積較小的LED 虛擬化制作環(huán)境中,人物的移動(dòng)很容易產(chǎn)生光照效果的改變。當(dāng)然,這一現(xiàn)象在拍攝室內(nèi)題材時(shí)會(huì)變得比較合理,因?yàn)槭覂?nèi)的光源本身距離演員較近,隨著演員的移動(dòng)而出現(xiàn)光照強(qiáng)度改變是符合實(shí)際情況的。

在系統(tǒng)使用過程中,亮度映射也十分重要。對于基于圖像的照明而言,要求LED 屏幕顯示的畫面盡可能還原真實(shí)世界的光照,即與真實(shí)世界的光強(qiáng)保持線性關(guān)系。從三維實(shí)時(shí)引擎到LED 顯示控制器再到LED 屏幕顯示,中間的每個(gè)環(huán)節(jié)都存在影響色彩管理的因素,如三維實(shí)時(shí)引擎的輸出伽馬值、LED 顯示控制器對屏幕亮度和伽馬值的標(biāo)定以及LED 屏幕本身的亮度和伽馬特性,用戶需要保證系統(tǒng)中的每一步色彩設(shè)置準(zhǔn)確。用戶可以利用UE 官方提供的OpenColorIO 進(jìn)行色彩管理,一些LED顯示控制器也具有色彩管理、色彩調(diào)節(jié)功能。

當(dāng)然,對于背景影像的輸出和顯示,更為科學(xué)的方式是使用HDR 的方式,如圖18 所示,使用PQ 以絕對亮度的方式輸出畫面,將UE 中HDR 顯示設(shè)置亮度調(diào)節(jié)至與LED 屏幕的亮度一致,可保證不同屏幕在利用到其自身最大亮度的同時(shí)正確顯示。

圖18 在UE中輸出PQ 曲線HDR 信號(hào)⑤

4 LED虛擬化制作中的其它照明手段探索與實(shí)踐

由于僅僅通過LED 屏幕照明無法滿足電影拍攝的需要,還需要配合其它照明手段。研究團(tuán)隊(duì)通過需求調(diào)研、研發(fā)測試以及短片拍攝實(shí)踐,總結(jié)出了下面幾種照明手段,能夠配合LED 屏幕本身的照明,共同完成創(chuàng)作的需要。

4.1 燈光陣列

由于LED 屏幕照明顯色性較差,為了解決這一問題,可以將一部分不會(huì)被攝影機(jī)所拍攝到的LED屏幕替換為燈光陣列。燈光陣列由數(shù)量眾多的數(shù)控?zé)艄饨M成,一般以網(wǎng)狀較為規(guī)律且均勻地排布在攝影棚內(nèi)的部分區(qū)域,燈光陣列中的每一盞數(shù)控?zé)艄舛紩?huì)被三維實(shí)時(shí)引擎集中控制,從而使燈光陣列匹配還原出虛擬世界的光照情況。燈光陣列和LED 屏幕一樣同樣具備易于調(diào)節(jié)的優(yōu)勢,且亮度更高、照明顯色性更好。燈光陣列一般由眾多的LED平板燈、硬光燈加柔光裝置(圖19)或管燈(圖20)組成。

圖19 測試實(shí)驗(yàn)使用六基色燈光加柔光布組成的燈光陣列

圖20 測試實(shí)驗(yàn)使用燈管組成的燈光陣列

燈光陣列所呈現(xiàn)內(nèi)容為虛擬畫面通過像素映射并驅(qū)動(dòng)燈光形成,我們可以將燈光陣列理解成由燈具組成的低分辨率LED 屏幕。在UE中,實(shí)時(shí)渲染的虛擬環(huán)境畫面直接通過其像素映射 (Pixel Mapping)插件,將畫面中不同位置的圖像亮度與色彩值轉(zhuǎn)換成不同類型的DMX 信號(hào),再利用UE 官方插件即可直接輸出Art-net或s ACN 信號(hào),分別控制對應(yīng)位置的燈具,從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模燈光陣列的控制。

燈光陣列的安裝是一項(xiàng)較為龐雜的工程,涉及接線順序、地址分配、燈具物理位置分配等。如圖21所示,在UE的像素映射界面中具有S形、Z形等排列方案,燈光陣列設(shè)計(jì)師需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。燈具的物理位置分布要盡可能均勻,燈具排布疏密會(huì)影響光照強(qiáng)度,不同區(qū)域的燈具排布密度不均勻會(huì)導(dǎo)致不同方向上照度不均勻的問題。燈光陣列與LED 背景墻要盡可能包裹整個(gè)場景,盡可能減少不同LED 背景墻和燈光陣列之間的縫隙,以保證更全面的光照。

圖21 測試時(shí)在UE中的像素映射界面

另外,由于目前燈光設(shè)計(jì)主要考慮照明,并沒有考慮為圖像輸出設(shè)計(jì),因此在亮度和色彩映射方面還需進(jìn)行測量標(biāo)定,編寫相應(yīng)程序才能實(shí)現(xiàn),技術(shù)復(fù)雜度較高。

4.2 影視燈具

無論是LED 屏幕還是燈光陣列,由于單位面積發(fā)光強(qiáng)度較低,均難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)點(diǎn)光源的效果,為此需要使用影視燈具作為補(bǔ)充,尤其需要大功率聚光燈作為強(qiáng)點(diǎn)光源的補(bǔ)充。鎢絲燈、鏑燈等傳統(tǒng)燈具依然是一種可靠的選擇,但在LED 虛擬化制作的環(huán)境中,燈光架設(shè)受到了更多的限制,可以快速調(diào)節(jié)亮度甚至色彩的新型LED 數(shù)控影視燈具是更好的選擇。LED 數(shù)控影視燈具能夠通過DMX、Art-net、s ACN 等燈光控制協(xié)議快速調(diào)節(jié)燈光的參數(shù),除了能快速調(diào)節(jié)燈光亮度色彩外,還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的光照效果,更適合于LED 虛擬化制作。

影視燈具尤其是聚光燈,能解決LED 屏幕無法發(fā)出硬光的問題,如圖22所示,使用影視燈具在太陽照射的角度模擬太陽光照。影視燈具較大的發(fā)光功率,容易對LED 屏幕產(chǎn)生影響,降低背景畫面的對比度從而影響真實(shí)感。因此,應(yīng)使用遮光罩、菲涅爾透鏡、成像鏡頭、黑旗等配件或工具對光照進(jìn)行控制。

圖22 使用影視燈具模擬太陽光

數(shù)控影視燈具可以依靠DMX 以及Art-net或者s ACN 的連接與UE 的虛擬場景虛實(shí)聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光照。例如我們的拍攝測試片設(shè)計(jì)了一處戰(zhàn)場中爆炸的效果 (圖23),為營造更強(qiáng)的視覺沖擊力,使用一盞大功率面板燈對爆炸產(chǎn)生的光照進(jìn)行補(bǔ)充,虛擬畫面中的爆炸效果與面板燈可以虛實(shí)聯(lián)動(dòng)同時(shí)觸發(fā),從而營造強(qiáng)烈的爆炸效果。支持?jǐn)?shù)控的影視燈具可以被UE 直接控制而非人手動(dòng)調(diào)節(jié),因此易于實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的效果。

圖23 測試短片拍攝時(shí)數(shù)控影視燈具與虛擬場景聯(lián)動(dòng)

在LED 虛擬化制作的環(huán)境中,LED 屏幕通常環(huán)繞整個(gè)場景,影視燈具可以架設(shè)在LED 屏幕包圍內(nèi),或是透過屏幕之間的縫隙照射至演員身上,條件允許的情況下還可以拆除LED 屏幕上的部分屏幕進(jìn)行打光。

4.3 舞臺(tái)燈光

相較于影視燈具,舞臺(tái)燈光功能更為豐富,不僅能實(shí)時(shí)改變亮度、色彩,一些舞臺(tái)燈光還具備橫搖、俯仰、變焦、對焦、霧化、圖案、自轉(zhuǎn)、棱鏡、頻閃等功能。如圖24所示,在一個(gè)LED 虛擬化制作環(huán)境中,劇組使用舞臺(tái)燈光的圖案、棱鏡以及自轉(zhuǎn)功能,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)及明暗變化的照明效果,兩盞舞臺(tái)燈光的效果加以混合最終呈現(xiàn)出生動(dòng)的動(dòng)態(tài)陰影照明,燈光師可以調(diào)節(jié)舞臺(tái)燈光光質(zhì)的軟硬、光斑的大小、光斑移動(dòng)的速度。與影視燈具相比,舞臺(tái)燈光能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)照明效果。

圖24 利用兩盞舞臺(tái)燈光圖案、棱鏡、自轉(zhuǎn)功能組合模擬成的動(dòng)態(tài)陰影的效果

舞臺(tái)燈光是一種能實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化布光的燈具,在LED 虛擬化制作中,使用三維實(shí)時(shí)引擎,通過DMX 等燈光控制協(xié)議,可以實(shí)時(shí)高效地將虛擬與真實(shí)燈光聯(lián)動(dòng),利用舞臺(tái)燈光的俯仰、橫搖等豐富的功能,可以更自由、高效地實(shí)現(xiàn)豐富的照明效果。雖然舞臺(tái)燈光功能多,但舞臺(tái)燈光的設(shè)計(jì)大多沒有針對影視拍攝進(jìn)行優(yōu)化,例如一部分舞臺(tái)燈光在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮舞臺(tái)色彩效果,并沒有考慮照明顯色性的問題,這導(dǎo)致一部分舞臺(tái)燈光的照明顯色性較差,因此在LED 虛擬化制作中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際拍攝的需要進(jìn)行燈光設(shè)備的選擇。

4.4 投影設(shè)備

對一些特殊的照明效果,例如太陽光透過晃動(dòng)樹葉的縫隙打在被攝體表面形成的樹影效果,或是夕陽透過百葉窗照射在桌上形成影子的光照效果,傳統(tǒng)的方式需要在聚光燈前使用樹枝、百葉窗等遮擋產(chǎn)生陰影。這種傳統(tǒng)的方式雖然可行,但效果單一,無法實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的照明效果,而使用投影設(shè)備,通過三維實(shí)時(shí)引擎即可快速調(diào)整光照所產(chǎn)生陰影的色彩、大小、位置、形狀,如圖25所示,森林場景的測試短片拍攝時(shí),投影設(shè)備將動(dòng)態(tài)的光影直接打在演員身上。與LED 背景墻相類似,投影設(shè)備也是利用基于圖像的照明,這些圖像可以由三維實(shí)時(shí)引擎所控制生成,從而實(shí)現(xiàn)更豐富多樣的照明效果。

圖25 測試短片拍攝時(shí)使用投影設(shè)備實(shí)現(xiàn)樹影效果

但在照明方面,投影設(shè)備與LED 背景墻一樣存在照明顯色性較差的問題,目前的投影設(shè)備體積較大、照度較低、價(jià)格昂貴,工作環(huán)境要求高,并且沒有針對照明進(jìn)行優(yōu)化,因此實(shí)際應(yīng)用有一定限制。但在工作環(huán)境較為穩(wěn)定的LED 虛擬攝影棚中進(jìn)行拍攝,利用投影設(shè)備完成一些特殊光照效果未嘗不是一種好的解決方案。

5 總結(jié)與展望

LED 屏幕、燈光陣列、數(shù)控影視燈具、舞臺(tái)燈光、投影設(shè)備等可以解決LED 虛擬化制作中的多數(shù)照明問題。LED 屏幕或燈光陣列通過基于圖像的照明為拍攝現(xiàn)場提供漫射光的照明,硬光則通過數(shù)控影視燈具或舞臺(tái)燈光完成,而一些特殊的照明效果則通過投影設(shè)備等來實(shí)現(xiàn)。

目前LED 屏幕在照明領(lǐng)域依然存在一些問題,如為了從屏幕后照明臨時(shí)拆裝LED 背景墻中間某部分屏幕不夠便捷、屏幕顯色性較差等問題,而這些問題都將在不久的將來解決。另外,隨著設(shè)備數(shù)字化、智能化發(fā)展,今后的攝影燈具不僅是發(fā)光器件,它還會(huì)擁有傳感器模塊、運(yùn)動(dòng)跟蹤模塊、無線物聯(lián)網(wǎng)模塊以及與之相匹配的遠(yuǎn)程控制軟件;一些燈具還會(huì)配備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),使燈具實(shí)時(shí)地根據(jù)拍攝需求按照設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上,未來攝影棚的照明系統(tǒng)更多的是通過程序指令控制,配合多種照明工具和照明手段,高效、準(zhǔn)確、便捷地完成光影的創(chuàng)作。

①圖片來源:A Lighting Reproduction Approach to Live-Action Compositing https://vgl.ict.usc.edu/Research/LS3/.

②圖片來源:HBO’s Westworld turns to Unreal Engine for incamera visual effects https://www.unrealengine.com/en-US/spotlights/hbo-s-westworld-turns-to-unreal-engine-for-in-camera-visualeffects.

③圖片來源:1899 Wraps Innovative Virtual Production https://ascmag.com/articles/1899-wraps-virtual-production.

④圖片來源:Dark-bay https://www.dark-bay.com/.

⑤圖片來源:虛幻引擎官方文檔https://docs.unrealengine.com/5.0/zh-CN/.