影视灯光艺术虚拟仿真项目探索

来源：undefined 作者：147小编 日期：2023-03-09 17:01 浏览： 108

摘要：

在影视产业链中，灯光无疑是非常重要的前期艺术创作环节。我国影视作品的画质提高与成本控制都需要优秀的影视灯光师才能实现。影视灯光艺术虚拟仿真项目是当前高等艺术教育相关专业教学与研究的重要辅助手段，是影视制作公司有效降低现场置景和布光的时间、缩短制作周期的重要辅助措施，同时，也能够有力促进影视文化产业和灯光行业良性发展。

前言

“有光才有影”。在影视产业链中，灯光设计无疑是非常重要的前期艺术创作环节。影视灯光最重要和最基本的任务就是合理运用人造光或自然光还原或模拟场景的真实光效，与此同时，还要保障摄影机或摄像机拍摄高质量画面所需的最低照度、光比、色温等技术方面的各项要求。当前，影视文化产业进入了高速发展期，涌现了一批优秀的影视作品，在国际国内屡获殊荣，市场投资意愿与回报也空前高涨。然而国产影视作品与海外同类作品在画面质量上始终存在不小的差距。这种差距主要原因之一就在于灯光的运用。影视作品前期制作的成本主要来自制作周期，而影响制作周期最大的因素就是现场布光环节。一个镜头从开机到结束的时间也许不到1分钟，但布光时间可能就要耗费几十分钟。遇到参演角色众多、场景复杂的全景镜头，布光所耗费的时间更是需要以小时来计算，而能够准确快速完成布光工作的优秀灯光师寥若星辰。国内影视文化产业的发展急需优秀的灯光师，培养优秀灯光师的最佳途径就是依托高校中的影视灯光艺术相关专业。影视灯光在整个产业链中如此重要，对其进行专业研究和高级人才培养的现状却令人堪忧，高等艺术教育机构普遍苦于师资力量和成本投入等因素而无法建设专业实验场馆用于教学与研究。一边是蓬勃发展的影视文化产业的市场需求，一边是高校相关专业的捉襟见肘，那么，有没有切实可行的解决办法？笔者所从事的“影视灯光艺术虚拟仿真项目”研究应是一个较好的解决方案。

1 影视灯光艺术虚拟仿真项目研究概况

1.1 项目技术背景

虚拟仿真技术（virtual simulation），即VR技术，又称虚拟现实技术或模拟技术，就是用虚拟的系统模仿真实系统的技术。从狭义上讲，VR是指20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术；从广义上来说，VR则在人类认识自然界客观规律的历程中一直被有效地使用着。由于计算机技术的发展，VR逐步自成体系，并引发扩展现实技术（Extended reality）的进一步发展，从而成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。VR技术的核心问题之一是实时生成高度真实感复杂虚拟环境的立体视图，受图形硬件技术发展的制约，到目前为止都很难在普通计算机或工作站上以很短时间实时生成具有照片般真实感的图像。基于图像的渲染技术，即IBMR（Image-Based Modeling and Rendering），突破了传统计算机图像生成模式，加快了VR技术的应用推广。影视灯光虚拟仿真项目即是基于IBMR的一种新构想，实现成果即是影视灯光虚拟仿真平台终端软件。为了在前期设计的虚拟场景中更加真实地反映现场布光效果，国外影视制作机构在该领域的研究一直在探索改进。国内外在影视灯光虚拟仿真领域目前尚未有研究成果（报告）公开发表。日前，笔者撰写的SCI论文“Film and Television Production System Based on VR Virtual Simulation Technology”已经收到录用通知，可以说，对影视灯光虚拟仿真项目的研究已经处在国际同行的前列。

1.2 虚拟仿真平台实现原理及预想

影视灯光虚拟仿真平台是将传统影视灯光的理念和布光方式通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新的“预创作”方式。虚拟仿真平台可以让创作者在前期准备阶段调用任何一款经过技术参数数字采样的影视灯具，通过智能穿戴设备“进入”由IBMR技术生成的仿真场景中，“看到和调整”自然光或人造光以不同的亮度、照射角度、聚（柔）光程度、投射距离、透明度（阴影）、正/反投模式等使用方式下产生的照明和物体反射、透射、直接或间接照明等特性的真实效果，设计定型后，系统就能自动输出实现该场景灯光效果的所有数据清单，灯光师及其助手就能根据该文件内所列参数在现场迅速完成布光，从而高效节约现场布景和布光时间，以显著提高制作精度和生产效率的方式来促进整个影视行业的发展。

1.3 虚拟仿真平台与灯光辅助设计软件的区别

“虚拟”和“仿真”有着本质的区别。目前在舞台灯光设计领域和部分高校中教学使用的计算机舞台灯光辅助设计软件，例如MA3D、WYSIWYG、SHOWDESIGN、3DVISUALISATION、ESP、VISION、VECTORWORKS等都仅仅是在前期设计中虚拟展现灯光效果，通过这些软件设计出的方案往往需要在现场装台和编程环节进行反复调试和修改，远远没有达到“所见即所得”（What you see, is what you get）的效果。本项目的虚拟仿真平台，突出效果在于高精度的“仿真”，真正做到了“所见即所得”。

1.4 虚拟仿真平台实现条件及成果

1.4.1 成熟的IBMR技术软件

选择一款成熟的IBMR技术软件平台，构建虚拟仿真的拍摄现场以及布景、道具、服装、人物造型和角色行动范围及轨迹。

1.4.2 摄影机数据库

虚拟仿真平台嵌入摄影机数据库。在软件中预制各型号摄影机的技术参数（包括与之配套的各焦段镜头），方便构建不同景别的固定或移动画面。

1.4.3 影视灯具数据库

虚拟仿真平台嵌入影视灯具数据库。对常用的各类型灯具（包括使用各种光源的聚光灯、泛光灯和特殊灯具以及反光板、柔光箱、遮光罩等）进行数字采样。有别于目前大多数3D软件可以为了视觉效果而任意设置“虚拟灯”，这里每一款灯的技术参数是真实恒定而不可更改的，设计师只能按照拍摄要求来选取合适的灯具加以设置和调整。

1.4.4 输入输出设备

虚拟仿真平台支持通用智能穿戴设备和各类标准化输入输出设备。设计师完成一个镜头的布光设计后，软件将生成该镜头中所需灯具和辅助设备的数量、具体安装参数以及需要的现场供电量、回路数以及线缆的隐藏敷设路线等内容，并形成EXCEL文件方式输出。

1.4.5 数据汇总

设计师按照上述进程完成整部作品的设计后，软件将生成整部作品拍摄时所需全部设施设备的数据汇总，并按照交叉分组、重复使用的原则加以分类，灯光团队就可以按照文件提前精简准备所要携带的器材和耗材。

1.4.6 现场校正

设计师及其团队在拍摄现场按照文件所载的设计内容快速完成布光，并记录需要微调的瑕疵到软件“现场校正”数据库中，逐步提高软件的仿真设计能力。

2 虚拟仿真平台在影视艺术类高校的应用

平台建成后，影视艺术类高校仅需要一台与互联网连接的终端，通过虚拟仿真平台进行基于VR技术的远程教育，由业内外优质教师资源在线指导学生开展线上课程实验，并选拔部分优秀实验作品到专业影视制作机构实地参与作品创作拍摄，为培养影视灯光专业人才提供全新高科技手段。

2.1 实验目的

2.1.1 实现影视拍摄过程中灯光艺术的真实模拟

通过虚拟仿真平台，学生可以模拟真实拍摄环境下影视拍摄中的灯光艺术创作过程，体验影视作品创作生产过程中的交互感，掌握影视灯光艺术的基本规律。

2.1.2 培养学生影视灯光实战技巧

通过虚拟仿真平台，学生可以在全仿真语境下模拟灯光设备选型、灯位布置规律、照射角度调整、光线明暗操作以及在不同镜头景别下或特殊场景拍摄过程中的完整步骤，从而形成和提升学生在今后使用设备实际操作时的技巧。

2.1.3 实现知识整合，形成学生综合技能

通过虚拟仿真平台，可以促使学生将所学理论知识进行综合运用，实现理论与实践相结合，形成学生在影视作品拍摄过程中良好的灯光艺术创作技能，快速适应当今迅速发展的影视文化产业的发展。

2.2 实验原理

项目实验原理说明：虚拟仿真平台需要学生对多项艺术、技术、多媒体传播类知识进行综合运用。这里所涉及知识点有：光学及色彩学基本原理、电学及力学基本原理、电影摄影机及电视摄像机基本原理、拍摄画面基本构图原理、电影拍摄用灯具及4K/8K超高清电视制作拍摄用灯具介绍及选型、人物布光基本原理、室内空间认识及布光基本原理、大型室外场景布光基本原理。通过该虚拟仿真项目的实施，可以实现各独立知识点的相互融合，形成学生影视灯光艺术综合创作技能。项目使用方法说明：任一可上网的终端设备（智能手机、平板电脑、台式电脑等）下载虚拟仿真平台终端软件（或APP），登录平台并完成注册后就能开始进行虚拟实验。虚拟仿真平台后端由专业领军人物率领专业团队按照严格的高校教学模式对整个实验过程进行监控、教学、指导、答疑、考核、导出成绩和学分认定。并且定期选拔优秀学生到实体实验室再现虚拟实验成果。

2.3 实验步骤

实验步骤即学生需要掌握的知识点，数量为8个方面，可以按照难易程度进阶实行。

2.3.1 光学及色彩学基本原理

项目组学生需要具备光学及色彩学基本原理知识，通过虚拟仿真平台模拟各类自然光源、人造光源，熟练掌握光的基本特质、传播特性——包括反射、折射、透视等理论知识；“色温”“显色性”“光谱连续性”等光的色彩学原理。

2.3.2 电学及力学基本原理

项目组学生需要具备基本的电学和力学基础知识。影视灯光艺术所采用的人造光源大多是建立在基本的电学和力学技术基础之上的，因此，通过虚拟仿真平台模拟各类场景环境下的用电基础、灯具及其他电气设备、灯具吊（悬）挂设施设备的使用和操作，熟练掌握与此相关的电学、力学基础知识是很有必要的。

2.3.3 电影摄影机及电视摄像机基本原理

项目组学生需要具备对电影摄影机、电视摄像机基本原理知识。影视灯光艺术是专门针对摄影机或摄像机的艺术创作，了解摄影机和摄像机的发展历史、成像原理、各项技术指标、基本操作技能对于项目组学生来说是非常重要的学习环节。项目组学生可以通过虚拟仿真平台深入了解各时期国际通用的拍摄设备的基本构造、技术发展、性能指标极限以及操作使用等各项知识。

2.3.4 拍摄画面基本构图原理

影视作品都是由连续的单个画面组成，画面构图是最基本的镜头语言之一。画面构图的优劣直接关系到影视艺术创作者想要向观众表达的最深层意愿。与此同时，画面构图也决定着影视灯光的范围和实施的技巧。项目组学生需要具备画面构图的基本原理、要素、规律等理论和实践知识，借助虚拟仿真平台大量推演各类画面构图，从中进行比对、分析、创作，并在不同的画面构图环境中初步完成灯光的设想。

2.3.5 电影拍摄及4K/8K超高清电视制作拍摄用灯具介绍及选型

电影灯具的光源、材质、工艺、维护等方面有独特的要求，因此其生产成本和售价都远远高于相似类型的舞台灯具，非大型以上专业影视制作机构都难以花费巨资齐全配置。项目组学生可以依托影视灯光艺术虚拟仿真平台，全面了解“卤钨石英光源”“金属卤化物气体放电光源”“LED光源”为核心的影视拍摄用灯具，以及以特种光源为核心的特种影视灯具。掌握每一类型的灯具的技术指标、适用范围、选型要求等理论和实操知识。

2.3.6 人物布光基本原理

影视拍摄中大量的镜头内容是反映人物的，因此，项目组学生一定要全面学习和掌握人物布光的基本原理。影视灯光艺术虚拟仿真平台可以让学生针对不同性别、不同年龄、不同身份、不同脸型构造、不同肤色、不同人物造型的对象进行不同光位的布光实验。还可以设定人物所在环境、场景、天气、服饰、姿势。与此同时，还可以虚拟仿真单人特写、双人交流、三人对话、多人讨论等画面的布光要求。

2.3.7 室内空间认识及布光基本原理

影视灯光艺术的基础是艺术再现还原真实的场景。对室内空间结构的认识是室内场景布光的前提。虚拟仿真平台可以提供项目组学生自由创作室内空间结构的功能，当然，相对应的场景库内也包含了各历史时期的不同风格的大型宫殿、城堡、楼宇、帐篷、茅屋等典型室内空间的模型供学生使用。项目组学生可以在充分认识和了解室内空间结构基础以后，开展虚拟室内布光的实验练习，初步掌握应对各种典型室内空间布光需要的技能。

2.3.8 大型室外场景布光基本原理

实践证明，影视作品画面的视觉冲击力越强，对观众的吸引力也就越大。这其中，大型室外场景的氛围营造被越来越多地运用在各类影视作品当中。大型室外场景人物众多、场面宏大、画面内涵丰富，日景可充分利用自然光，夜景就只能大量使用大功率人造光源了。虚拟仿真平台可以充分利用技术优势让项目组学生从场景模拟、天气模拟、人物模拟开始造型，一直到完成灯光布光为止的全过程仿真实验，基本掌握大型室外场景布光原理知识和实操技能。

3 尚待解决的技术问题

当然，影视灯光艺术虚拟仿真项目在现阶段还有一些技术问题尚待解决。

3.1 灯光对象建模的仿真

以目前成熟的软件开发水平来看，大型游戏软件无疑在人物、景物、环境等方面的3D建模能力最为强大。但是，运行这些大型软件对智能终端的硬件要求很高。怎样才能在保持原有强大建模能力的前提下有效降低对硬件的要求，这是难题之一。

3.2 对特定灯光产品的光效采样

目前行业内使用的影视灯光器材可谓五花八门，同样是1.2 kW的金属卤化物气体放电灯具，不同产品的光效差别巨大。这就要求虚拟仿真平台必须对市场主流的成熟产品进行光效数字采样。然而，光效数字采样的工作量是巨大的。要想在虚拟仿真平台上准确模拟每一款灯具投射到照射对象的光效，则需要极其庞大、精准的光效数据库的支撑。

3.3 仿真平台上的光效再现

目前大型游戏软件引擎几乎都是采用图形图像引擎来渲染再现画面，为了达到真实的光效仿真，就必须使用光学引擎来对画面进行渲染。而就目前的研发状况来看，国内尚无一款成熟的光学图形渲染引擎。

结语

综上所述，研究开发影视灯光艺术虚拟仿真平台是有效解决高速发展的影视产业对人才需求与高校人才培养尴尬现状之间巨大矛盾的有效手段。虚拟仿真平台一旦建成投入使用，就会有越来越多的艺术高校依托平台，进而培养出越来越多的优秀专业人才；灯光师可以利用平台，按照剧本和导演的要求，提前与美工置景部门模拟仿真拍摄现场的对象建模与灯光艺术设计，有效提高专业技能水平；影视制作公司利用平台能有效降低现场置景和布光的时间，从而大大缩短制作周期。