LED照明与数字视频

文/[美]赖安·弗莱彻 编译/姚涵春

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

笔者记得第一次做灯光时运用数字摄像机拍摄舞蹈作品的情景。表演流畅地推进，摄像人员成功地捕捉到演员的镜头。肤色和服装在摄像机里显色良好，低照度的场景拥有足够的清晰度。然而，当笔者用RGB LED条灯为天幕照明，摄像机所捕捉到的LED色彩与观众所看到的效果大不相同，而且，舞台上不同拍摄角度的摄像机在视频切换时其色彩看起来也差异很大。用红光照明天幕的场景看起来是橙色的，而有鸟在天空中飞行时，蓝天则呈现出海底的浅绿色图像效果，这使舞蹈导演有些沮丧。

这种差异的背后一定存在技术上的缘由。数字摄像机所呈现出的LED照明效果与人眼看见的为何如此不同？当数字摄像机和LED照明两项技术迅速将我们推入数字化时代时，人们正面对着许多新的课题，这向原有的摄像机与照明之间相互关联的传统规律提出了挑战。

1 捕捉色彩

数字视频图像的采集应用从根本上说是模仿人眼。人的视网膜依赖于被称为锥体细胞的3种色彩传感器，每个传感器分别对光谱中红、绿或蓝色波段的光子特别敏感。这些视觉反应综合起来，提供了呈现色彩所必须的信息，当这些信息在眼睛里被整合在一起时，人们就感知到这种色彩。色彩在现实世界里实际上是不存在的，它是知觉的产物，被依赖于可见光波长的人的心智所支配。

数码摄像机的传感器包含数以百万计的像素，就如同人眼里的锥体细胞，目的是收集光量子（见图1）。这些光子被每个像素中的光电二极管检测、放大，并被摄像机读取为光强度数值。像素自身无法识别它们所收集的光波，只能确定所收集的光的总量。这足以呈现出一幅灰度图像，但是对于色彩的获取，要求更详细的每个像素所接受的光波信息。这些年来，业界已经开发了几种辨别这种信息的方法，而两种不同的系统已经成为应用于现代数码摄像机的最为广泛的模式。

图1 数字传感器在被称为像素的微腔中采集光

广电业中通用的是3色传感器摄像机。在这种设计中，棱镜将进入摄像机的光分解成红、绿、蓝光3种成分，并将每种成分直接导向各自的传感器。每个传感器包含相同数量的像素，在每个像素里产生的光强度被记录下来，在每个点产生红、绿、蓝的信息。这些信息被组合起来以构成色彩图像。

另一个流行的系统（也是本文章着重阐述的系统）是单传感器摄像机。正如其名称所描述的，它仅仅运用一种传感器，但是在传感器上另外附有分光谱波段的彩色滤色片。滤色片覆盖每个像素腔，而且它只能透过特定波长的光。

最常见的滤色片模式是拜耳阵列（Bayer Array），红、绿、蓝滤色片按瓷砖平铺样式而排列（见图2）。

拜耳系统运用绿色“瓷砖”的数量是红色和蓝色“瓷砖”的2倍。因为人眼对绿光最为敏感，摄像机制造商借助绿色“瓷砖”数量加倍的方法能够在细节和图像噪声方面获得改进。

显而易见，这种单传感器方法的局限性是，它降低了能够捕捉到的信息的解析度，因为每个像素只能接受特定色彩区域内的光线（见图3）。

最低限度用3个像素（蓝、绿和红）是充分解析给定面元上的光色所必须的。为了弥补解析度的下降，在摄像机软件里采用内插值方法，将其相邻的色彩考虑进去以估算每个像素的色彩。像素被分组成许许多多相互重叠的排列组元，然后它们被比较并平均计算，以便从图像中提取更多的信息。其最终目标是为了得到足够多的色彩信息以正确地确定场景（如真实世界般）的色彩，如同人眼所感知到的色彩一样。虽然大多数故事片和电视制作更喜好调整色彩，但常常是违反自然规律的，这种方式只是为了适合导演的意图，然而，制作时以尽可能准确的图像入手总是有益的。

无论怎样趋近人眼的视觉响应，都存在一个决定性的差异：适应性。人类视觉系统非常善于适应周围的环境。当视网膜随着入射光强度变化而扩展或收缩时，一些调整发生在光学上，而当大脑帮助纠正图像色彩时，另一些调整则发生在心理上，调整色彩以符合人们认为“看上去其相貌就是这样的”。然而，数字传感器正好与此相反。它们精确地记录其“看见”的图像，而将图像的处理留给摄像机软件和影视后期制作流程。

图2 拜耳阵列滤色片图案

图3 拜耳阵列只允许特定的色彩区域进入每个像素

2 聚焦光谱

数字人眼里锥体细胞的3种色彩传感器覆盖着一系列光波的波长，大致从360 nm到830 nm，而在光谱两端，其感光灵敏度大为减小。尽管摄像机制造商非常想将数字传感器的灵敏度与人眼的视觉灵敏度相匹配，但是它们受到拜耳阵列滤色片材料和制造方法的限制。

单传感器数码摄像机的灵敏度在制造商之间、摄像机型号之间（有时甚至在同型号的摄像机之间）都有很大的差异。但是，大多数都通常遵循3个光谱波峰的格式，与拜耳阵列中滤色片的蓝、绿和红光的透明度相一致（见图4）。

图4 单传感器数码摄像机中光谱灵敏度的例子

图5 绿色和黄色LED的光谱分布

图6 被摄像机灵敏度所覆盖的绿色和黄色LED

图7 LED3的波峰就在LED1波峰的左侧10 nm

当使用宽带光谱的光源照明物体时（例如太阳或卤钨灯），在灵敏度波峰之间的波谷产生的影响相对少些。现代摄像机运用高级图像处理演算法以纠正色彩异常情况。摄像机制造商坚持确保特别的色彩（如肤色），在宽带光谱照明下能真实地被捕捉到。

但是同一物体在光谱不连续的光源照明时（例如LED光源），原来的预测失效了。LED光源是窄带光发射器，它将大多数能量聚集于非常特定的光波波段内。而且有许多LED组合模式，能够生成白光和各种不同的色光。对于摄像机制造商，在这种新的多种多样的场景中确保色彩的再现成了更加棘手的挑战。

3 辨别色彩

以两个LED光源为例，在原色绿和黄色可见光光谱中相互邻近（见图5）。

如果这两个光源照射一个中性表面（其光谱反射率是相同的，与波长无关），大多数人眼可以清楚地看到绿色和黄色之间的色彩差别，这是因为眼睛里锥体细胞的绿光和红光传感器的灵敏度有良好的重叠。现在看看前文例举的数字传感器的灵敏度的覆盖范围（见图6）。

可以看到，每个LED的光谱完全展现在绿色滤色片材料的光谱范围内。因此，发射的光子只能通过进入配备有绿色滤色片的像素点，而光未能被蓝色和红色像素点检测到。（注1）

一个像素点只能报告入射自己的光的光度量，没有方法来确定单个像素点内的光色或特定的波长；摄像机程序知道在像素点上是否配置有红、绿和蓝色滤色片，但是，也只有这些信息了。由于这个例子中的两个LED光源仅仅被绿色通道检测到，所以，摄像机不能区分每个光源的色度。对于摄像机，它们似乎具有相同的色调和饱和度，极有可能它们都是一种原色绿。

现在打开第3只LED光源。LED3拥有的峰值离LED1的峰值仅向左偏10 nm（见图7）。

一些从业者很可能已经了解了色彩分档，这是给LED制造出来的LED分类的一种方法。由于LED制造还不是尽善尽美的技术，所以，LED芯片之间仍存在着光色方面无法避免的差异。因此，根据每个制造商自己确定的颜色宽容度将LED光源分成若干档级，在图表中的LED1和LED3之间10 nm波长差在分档要求中可能是非常严的。

像其他两个LED光源一样，LED3也几乎完全是在摄像机的绿色灵敏度范围内，因此，摄像机赋予它如同其他两个LED光源一样的色度。乍看起来，这似乎显得有利，有助于减小色彩档级的差异。然而，在40 nm光谱范围的宽容度内，摄像机对窄带光源间的色彩差异实际上是视而不见、无法辨别的！40 nm几乎大大超出了各档级之间最大的LED宽容度，因此，它能够限定使用色光LED光源照明时摄像机的色彩变化范围。

事实是：传感器探测到的来自LED3的光，不像来自LED1或LED2的光那样多——尽管摄像机错误地认为所有3个LED都具有相同的色度。传感器对于LED3的绿色光灵敏度水平比LED1或LED2的绿色光灵敏度低一些。绿色拜耳滤色片材料对LED3的绿光波段具有较低的透射率，所以，使一些光量不能通过滤色片到达下面的像素。在这种情况下，亮度减小有利于复制精确的图像，因为人眼对LED3周围波长的光也具有较小的灵敏度，但大多数人肯定能够辨别这个色彩差异。

4 平衡做法

视频和剧照摄影中频繁的后期制作工序是色彩平衡，通过这个程序，在影像或影像片段中的红、绿和蓝色通道的相对强度被调整，从而实现期望的色彩相貌。将滤色片放置于卤钨灯或类似的连续光谱的光源上能够产生宽带光谱的色光，允许较大的色彩平衡灵活性。虽然滤色片只能允许一些确定波长的光通过而创生出特定的色彩，但是，它的光波波段范围是大的。这些影像能够轻易地被色彩平衡。然而，来自色光LED光源的精确、窄带光谱能够迅速地使传感器中的红、绿或蓝色通道中的一个通道过饱和，而在其他两个通道中没有配置一点儿光量。这就使色彩平衡很困难，因为光子仅仅在3个色彩通道中的一个通道中被捕获到。

针对这个问题也有解决建议，例如打开一些低亮度的红光和绿光或白光，故意“污染”仅用蓝色LED照明场景的灯光。然而，这应该说是忽视技术问题而实现创造性的效果。色光LED给场景提供纯净而直接的相貌，而且在瞬间就能够很有效力。（LED纯净的色光能给布景很强烈的舞台效果，上述技术上的解决办法，影响了这个效果。）

图8 白光LED和摄像机灵敏度

5 白光是什么？

以上探讨了一些运用色光LED和数字采集的问题，下面再来看看运用白光LED的效应。摄像机传感器对白光LED更易操作、处理，因为这些光更接近于宽带光谱的光源，而数码摄像机是偏向于这些光源的（见图8）。

术语“白光LED”稍微有点蒙蔽性，因为它实际上是一只涂敷荧光粉层的蓝光（或紫外光）LED，荧光粉层直接附着于芯片上或在光源的光学系统中稍远处安置荧光粉层。荧光粉层重新分配芯片发射的一些能量于绿色和红色光谱区域。白光LED通常在蓝色区域拥有陡峭的光谱波峰，邻近的青色区有一个波谷，由于荧光粉层的作用，在绿、黄、橙和红色波段有宽广的分布。尽管白光LED光谱各有显著的差异，但是，大多数都遵循这种一般模式。

广电和数码制作领域在运用白光LED照明时，常常测量3个特性：相关色温、加-减绿和显色性。

相关色温的变化主要受到发射自LED并被摄像机所检测到的红光和蓝光光量的改变的影响，较高色温拥有较少的红光和更多的蓝光。加-减绿（别称：绿-品红转变），即绿光或品红光相对于中性白光的比例受到给定色温时绿光光量很强的影响。

广电和数字影片制作对白光中的绿光分量过分地重视，因为对于白光LED，似乎数字传感器通常比人眼检测到的绿光更多。当完美的中性白光通过摄像机呈现出令人惊奇的绿色时，它在人眼里会呈现出什么呢？

少量的绿光也能对人的肤色增添非常讨厌的偏色（如图9，右侧的光源拥有一个绿色的偏移，这使得它在肤色上比之在色卡图表上更明显地呈现出来）。很幸运，当前数码制片给人们提供的摄像机已附加了经校准的监视器，并可详细监看、检查预览——所看到的每一点就是所捕获到的——因此，出现绿色调的任何问题都能被捕捉到，并在呈现的瞬间就可确定。在拍摄电影（片）时，由于缺乏真实、精确的实时预览，不确定性就更大了。

良好白光的色彩还原是一个非常特别的产物，它不仅仅取决于白光LED的光谱，而且还取决于摄像机的灵敏度。通常更多被引用的两个彩色再现度量的指标是显色指数（CRI）和色彩品质指数（CQS），它们都基于人眼对光的响应。摄像机的光谱灵敏度与人眼的光谱灵敏度差异较大，运用这两个指数的作用就变得不大了。

由白光LED灯具光照明下的一碗新鲜水果，它在一家制造商生产的摄像机里可以呈现出生动逼真而自然的效果，但是在另一家制造商的摄像机里则呈现出呆滞而引不起食欲的视感。这取决于传感器设计和摄像机自身的色彩处理。在这种情况下，来自卤钨灯的更为宽广的光谱范围将产生更为一致的结果。虽然不讨人欢喜的色彩再现问题在后期制作中能有所减轻，但其耗费的成本和时间通常大于采用较为丰满光谱的光源所付出的初始努力。

6 当今的照明

返回第一次应用LED和数码摄像机的体验，笔者思考是否可以作出不同的选择，以确保摄像机里背景色彩的选择看起来很好。笔者想到两种主要的选择：要么不用LED的光，要么忽视观众而应用只针对摄像机的光。

图9 运用两个不同的LED光源照明演员

第一种选择，即不用LED的光，是不吸引人的。当新的照明技术能够让设计师创造性地发挥潜力时，它不应该被忽视。

第二种选择，即给摄像机配光，将有利于在DVD上获得较好的LED背景外观，但会牺牲现场观众的视觉效果。适用于人眼的光肯定不适用于这些摄像机，而在摄像机上看起来很好的效果却很可能不适用于人眼。

正如给摄像机的灯光和给人眼的灯光之间存在的差异一样，这两个学科的灯光设计师几十年来一直应用同一基本系列的电光源进行工作。然而现在，随着LED技术终于进入更为灵活的灯具行列，这种光源可以被定制、调整和校准以专门给人眼或摄像机配光。一个极好的新功效似乎变成了一个新的风险，特别是对于在广电和专题节目制作中应用LED光源工作的照明团队。

幸运的是，飞速发展的技术从两方面同时解决着这个问题：摄像机制造商继续研究新的方法以更密切地接近人眼的色彩灵敏度，而LED色彩通过更宽光谱的荧光粉层和更严格的分档进行着不间断的改进。

在同时应用这些新技术所获得的经验中，很容易忽略数字传感器和LED光源实际上的相似处。毕竟，光电二极管和LED芯片是由相同的基本材料构成的，因而，LED可以轻易被修改以检测光，而不是发射光。也许有朝一日，它们甚至就是同一个器件。

注1：有少量的来自LED1的光通过配置红色滤色片材料的像素。作为光信号很可能在软件中被忽视了，因为在这个例子中它相对于绿光是一个相当小的量。如果它不被忽视，其结果甚至更加麻烦：摄像机将确定LED1的色度比LED2更靠近光谱的红色部分。