LED照明與數字視頻

文/[美]賴安·弗萊徹 編譯/姚涵春

（1.上海戲劇學院，上海 200040）

筆者記得第一次做燈光時運用數字攝像機拍攝舞蹈作品的情景。表演流暢地推進，攝像人員成功地捕捉到演員的鏡頭。膚色和服裝在攝像機里顯色良好，低照度的場景擁有足夠的清晰度。然而，當筆者用RGB LED條燈為天幕照明，攝像機所捕捉到的LED色彩與觀眾所看到的效果大不相同，而且，舞臺上不同拍攝角度的攝像機在視頻切換時其色彩看起來也差異很大。用紅光照明天幕的場景看起來是橙色的，而有鳥在天空中飛行時，藍天則呈現出海底的淺綠色圖像效果，這使舞蹈導演有些沮喪。

這種差異的背后一定存在技術上的緣由。數字攝像機所呈現出的LED照明效果與人眼看見的為何如此不同？當數字攝像機和LED照明兩項技術迅速將我們推入數字化時代時，人們正面對著許多新的課題，這向原有的攝像機與照明之間相互關聯的傳統規律提出了挑戰。

1 捕捉色彩

數字視頻圖像的采集應用從根本上說是模仿人眼。人的視網膜依賴于被稱為錐體細胞的3種色彩傳感器，每個傳感器分別對光譜中紅、綠或藍色波段的光子特別敏感。這些視覺反應綜合起來，提供了呈現色彩所必須的信息，當這些信息在眼睛里被整合在一起時，人們就感知到這種色彩。色彩在現實世界里實際上是不存在的，它是知覺的產物，被依賴于可見光波長的人的心智所支配。

數碼攝像機的傳感器包含數以百萬計的像素，就如同人眼里的錐體細胞，目的是收集光量子（見圖1）。這些光子被每個像素中的光電二極管檢測、放大，并被攝像機讀取為光強度數值。像素自身無法識別它們所收集的光波，只能確定所收集的光的總量。這足以呈現出一幅灰度圖像，但是對于色彩的獲取，要求更詳細的每個像素所接受的光波信息。這些年來，業界已經開發了幾種辨別這種信息的方法，而兩種不同的系統已經成為應用于現代數碼攝像機的最為廣泛的模式。

圖1 數字傳感器在被稱為像素的微腔中采集光

廣電業中通用的是3色傳感器攝像機。在這種設計中，棱鏡將進入攝像機的光分解成紅、綠、藍光3種成分，并將每種成分直接導向各自的傳感器。每個傳感器包含相同數量的像素，在每個像素里產生的光強度被記錄下來，在每個點產生紅、綠、藍的信息。這些信息被組合起來以構成色彩圖像。

另一個流行的系統（也是本文章著重闡述的系統）是單傳感器攝像機。正如其名稱所描述的，它僅僅運用一種傳感器，但是在傳感器上另外附有分光譜波段的彩色濾色片。濾色片覆蓋每個像素腔，而且它只能透過特定波長的光。

最常見的濾色片模式是拜耳陣列（Bayer Array），紅、綠、藍濾色片按瓷磚平鋪樣式而排列（見圖2）。

拜耳系統運用綠色“瓷磚”的數量是紅色和藍色“瓷磚”的2倍。因為人眼對綠光最為敏感，攝像機制造商借助綠色“瓷磚”數量加倍的方法能夠在細節和圖像噪聲方面獲得改進。

顯而易見，這種單傳感器方法的局限性是，它降低了能夠捕捉到的信息的解析度，因為每個像素只能接受特定色彩區域內的光線（見圖3）。

最低限度用3個像素（藍、綠和紅）是充分解析給定面元上的光色所必須的。為了彌補解析度的下降，在攝像機軟件里采用內插值方法，將其相鄰的色彩考慮進去以估算每個像素的色彩。像素被分組成許許多多相互重疊的排列組元，然后它們被比較并平均計算，以便從圖像中提取更多的信息。其最終目標是為了得到足夠多的色彩信息以正確地確定場景（如真實世界般）的色彩，如同人眼所感知到的色彩一樣。雖然大多數故事片和電視制作更喜好調整色彩，但常常是違反自然規律的，這種方式只是為了適合導演的意圖，然而，制作時以盡可能準確的圖像入手總是有益的。

無論怎樣趨近人眼的視覺響應，都存在一個決定性的差異：適應性。人類視覺系統非常善于適應周圍的環境。當視網膜隨著入射光強度變化而擴展或收縮時，一些調整發生在光學上，而當大腦幫助糾正圖像色彩時，另一些調整則發生在心理上，調整色彩以符合人們認為“看上去其相貌就是這樣的”。然而，數字傳感器正好與此相反。它們精確地記錄其“看見”的圖像，而將圖像的處理留給攝像機軟件和影視后期制作流程。

圖2 拜耳陣列濾色片圖案

圖3 拜耳陣列只允許特定的色彩區域進入每個像素

2 聚焦光譜

數字人眼里錐體細胞的3種色彩傳感器覆蓋著一系列光波的波長，大致從360 nm到830 nm，而在光譜兩端，其感光靈敏度大為減小。盡管攝像機制造商非常想將數字傳感器的靈敏度與人眼的視覺靈敏度相匹配，但是它們受到拜耳陣列濾色片材料和制造方法的限制。

單傳感器數碼攝像機的靈敏度在制造商之間、攝像機型號之間（有時甚至在同型號的攝像機之間）都有很大的差異。但是，大多數都通常遵循3個光譜波峰的格式，與拜耳陣列中濾色片的藍、綠和紅光的透明度相一致（見圖4）。

圖4 單傳感器數碼攝像機中光譜靈敏度的例子

圖5 綠色和黃色LED的光譜分布

圖6 被攝像機靈敏度所覆蓋的綠色和黃色LED

圖7 LED3的波峰就在LED1波峰的左側10 nm

當使用寬帶光譜的光源照明物體時（例如太陽或鹵鎢燈），在靈敏度波峰之間的波谷產生的影響相對少些。現代攝像機運用高級圖像處理演算法以糾正色彩異常情況。攝像機制造商堅持確保特別的色彩（如膚色），在寬帶光譜照明下能真實地被捕捉到。

但是同一物體在光譜不連續的光源照明時（例如LED光源），原來的預測失效了。LED光源是窄帶光發射器，它將大多數能量聚集于非常特定的光波波段內。而且有許多LED組合模式，能夠生成白光和各種不同的色光。對于攝像機制造商，在這種新的多種多樣的場景中確保色彩的再現成了更加棘手的挑戰。

3 辨別色彩

以兩個LED光源為例，在原色綠和黃色可見光光譜中相互鄰近（見圖5）。

如果這兩個光源照射一個中性表面（其光譜反射率是相同的，與波長無關），大多數人眼可以清楚地看到綠色和黃色之間的色彩差別，這是因為眼睛里錐體細胞的綠光和紅光傳感器的靈敏度有良好的重疊。現在看看前文例舉的數字傳感器的靈敏度的覆蓋范圍（見圖6）。

可以看到，每個LED的光譜完全展現在綠色濾色片材料的光譜范圍內。因此，發射的光子只能通過進入配備有綠色濾色片的像素點，而光未能被藍色和紅色像素點檢測到。（注1）

一個像素點只能報告入射自己的光的光度量，沒有方法來確定單個像素點內的光色或特定的波長；攝像機程序知道在像素點上是否配置有紅、綠和藍色濾色片，但是，也只有這些信息了。由于這個例子中的兩個LED光源僅僅被綠色通道檢測到，所以，攝像機不能區分每個光源的色度。對于攝像機，它們似乎具有相同的色調和飽和度，極有可能它們都是一種原色綠。

現在打開第3只LED光源。LED3擁有的峰值離LED1的峰值僅向左偏10 nm（見圖7）。

一些從業者很可能已經了解了色彩分檔，這是給LED制造出來的LED分類的一種方法。由于LED制造還不是盡善盡美的技術，所以，LED芯片之間仍存在著光色方面無法避免的差異。因此，根據每個制造商自己確定的顏色寬容度將LED光源分成若干檔級，在圖表中的LED1和LED3之間10 nm波長差在分檔要求中可能是非常嚴的。

像其他兩個LED光源一樣，LED3也幾乎完全是在攝像機的綠色靈敏度范圍內，因此，攝像機賦予它如同其他兩個LED光源一樣的色度。乍看起來，這似乎顯得有利，有助于減小色彩檔級的差異。然而，在40 nm光譜范圍的寬容度內，攝像機對窄帶光源間的色彩差異實際上是視而不見、無法辨別的！40 nm幾乎大大超出了各檔級之間最大的LED寬容度，因此，它能夠限定使用色光LED光源照明時攝像機的色彩變化范圍。

事實是：傳感器探測到的來自LED3的光，不像來自LED1或LED2的光那樣多——盡管攝像機錯誤地認為所有3個LED都具有相同的色度。傳感器對于LED3的綠色光靈敏度水平比LED1或LED2的綠色光靈敏度低一些。綠色拜耳濾色片材料對LED3的綠光波段具有較低的透射率，所以，使一些光量不能通過濾色片到達下面的像素。在這種情況下，亮度減小有利于復制精確的圖像，因為人眼對LED3周圍波長的光也具有較小的靈敏度，但大多數人肯定能夠辨別這個色彩差異。

4 平衡做法

視頻和劇照攝影中頻繁的后期制作工序是色彩平衡，通過這個程序，在影像或影像片段中的紅、綠和藍色通道的相對強度被調整，從而實現期望的色彩相貌。將濾色片放置于鹵鎢燈或類似的連續光譜的光源上能夠產生寬帶光譜的色光，允許較大的色彩平衡靈活性。雖然濾色片只能允許一些確定波長的光通過而創生出特定的色彩，但是，它的光波波段范圍是大的。這些影像能夠輕易地被色彩平衡。然而，來自色光LED光源的精確、窄帶光譜能夠迅速地使傳感器中的紅、綠或藍色通道中的一個通道過飽和，而在其他兩個通道中沒有配置一點兒光量。這就使色彩平衡很困難，因為光子僅僅在3個色彩通道中的一個通道中被捕獲到。

針對這個問題也有解決建議，例如打開一些低亮度的紅光和綠光或白光，故意“污染”僅用藍色LED照明場景的燈光。然而，這應該說是忽視技術問題而實現創造性的效果。色光LED給場景提供純凈而直接的相貌，而且在瞬間就能夠很有效力。（LED純凈的色光能給布景很強烈的舞臺效果，上述技術上的解決辦法，影響了這個效果。）

圖8 白光LED和攝像機靈敏度

5 白光是什么？

以上探討了一些運用色光LED和數字采集的問題，下面再來看看運用白光LED的效應。攝像機傳感器對白光LED更易操作、處理，因為這些光更接近于寬帶光譜的光源，而數碼攝像機是偏向于這些光源的（見圖8）。

術語“白光LED”稍微有點蒙蔽性，因為它實際上是一只涂敷熒光粉層的藍光（或紫外光）LED，熒光粉層直接附著于芯片上或在光源的光學系統中稍遠處安置熒光粉層。熒光粉層重新分配芯片發射的一些能量于綠色和紅色光譜區域。白光LED通常在藍色區域擁有陡峭的光譜波峰，鄰近的青色區有一個波谷，由于熒光粉層的作用，在綠、黃、橙和紅色波段有寬廣的分布。盡管白光LED光譜各有顯著的差異，但是，大多數都遵循這種一般模式。

廣電和數碼制作領域在運用白光LED照明時，常常測量3個特性：相關色溫、加-減綠和顯色性。

相關色溫的變化主要受到發射自LED并被攝像機所檢測到的紅光和藍光光量的改變的影響，較高色溫擁有較少的紅光和更多的藍光。加-減綠（別稱：綠-品紅轉變），即綠光或品紅光相對于中性白光的比例受到給定色溫時綠光光量很強的影響。

廣電和數字影片制作對白光中的綠光分量過分地重視，因為對于白光LED，似乎數字傳感器通常比人眼檢測到的綠光更多。當完美的中性白光通過攝像機呈現出令人驚奇的綠色時，它在人眼里會呈現出什么呢？

少量的綠光也能對人的膚色增添非常討厭的偏色（如圖9，右側的光源擁有一個綠色的偏移，這使得它在膚色上比之在色卡圖表上更明顯地呈現出來）。很幸運，當前數碼制片給人們提供的攝像機已附加了經校準的監視器，并可詳細監看、檢查預覽——所看到的每一點就是所捕獲到的——因此，出現綠色調的任何問題都能被捕捉到，并在呈現的瞬間就可確定。在拍攝電影（片）時，由于缺乏真實、精確的實時預覽，不確定性就更大了。

良好白光的色彩還原是一個非常特別的產物，它不僅僅取決于白光LED的光譜，而且還取決于攝像機的靈敏度。通常更多被引用的兩個彩色再現度量的指標是顯色指數（CRI）和色彩品質指數（CQS），它們都基于人眼對光的響應。攝像機的光譜靈敏度與人眼的光譜靈敏度差異較大，運用這兩個指數的作用就變得不大了。

由白光LED燈具光照明下的一碗新鮮水果，它在一家制造商生產的攝像機里可以呈現出生動逼真而自然的效果，但是在另一家制造商的攝像機里則呈現出呆滯而引不起食欲的視感。這取決于傳感器設計和攝像機自身的色彩處理。在這種情況下，來自鹵鎢燈的更為寬廣的光譜范圍將產生更為一致的結果。雖然不討人歡喜的色彩再現問題在后期制作中能有所減輕，但其耗費的成本和時間通常大于采用較為豐滿光譜的光源所付出的初始努力。

6 當今的照明

返回第一次應用LED和數碼攝像機的體驗，筆者思考是否可以作出不同的選擇，以確保攝像機里背景色彩的選擇看起來很好。筆者想到兩種主要的選擇：要么不用LED的光，要么忽視觀眾而應用只針對攝像機的光。

圖9 運用兩個不同的LED光源照明演員

第一種選擇，即不用LED的光，是不吸引人的。當新的照明技術能夠讓設計師創造性地發揮潛力時，它不應該被忽視。

第二種選擇，即給攝像機配光，將有利于在DVD上獲得較好的LED背景外觀，但會犧牲現場觀眾的視覺效果。適用于人眼的光肯定不適用于這些攝像機，而在攝像機上看起來很好的效果卻很可能不適用于人眼。

正如給攝像機的燈光和給人眼的燈光之間存在的差異一樣，這兩個學科的燈光設計師幾十年來一直應用同一基本系列的電光源進行工作。然而現在，隨著LED技術終于進入更為靈活的燈具行列，這種光源可以被定制、調整和校準以專門給人眼或攝像機配光。一個極好的新功效似乎變成了一個新的風險，特別是對于在廣電和專題節目制作中應用LED光源工作的照明團隊。

幸運的是，飛速發展的技術從兩方面同時解決著這個問題：攝像機制造商繼續研究新的方法以更密切地接近人眼的色彩靈敏度，而LED色彩通過更寬光譜的熒光粉層和更嚴格的分檔進行著不間斷的改進。

在同時應用這些新技術所獲得的經驗中，很容易忽略數字傳感器和LED光源實際上的相似處。畢竟，光電二極管和LED芯片是由相同的基本材料構成的，因而，LED可以輕易被修改以檢測光，而不是發射光。也許有朝一日，它們甚至就是同一個器件。

注1：有少量的來自LED1的光通過配置紅色濾色片材料的像素。作為光信號很可能在軟件中被忽視了，因為在這個例子中它相對于綠光是一個相當小的量。如果它不被忽視，其結果甚至更加麻煩：攝像機將確定LED1的色度比LED2更靠近光譜的紅色部分。