光照設計基礎：在遊戲中使用對比手法

作者：Steve Theodore
 
上個月，我們開始討論遊戲中的使用和濫用光照問題。光照是我們巧妙操縱玩家情緒的最強大的工具。這個月，我們將通過分析對比在光照設計中的作用，以完成對光照設計的探討。
 
對比
 
我在評論場景和活動中提到光照的顏色選擇。如果說有色光照隻是作為一種暗示或提點，那麼對比就是赤裸裸的聲明和通知。
 
畢竟，對比也是我們的感知方式。我們知道球體和圓板的區別就是因為我們看到曲麵的陰影形狀。沒有高光和陰影的對比，單純的顏色太抽象了。顏色可以喚起情緒，但沒有陰影，顏色就無法表現有形的物品。因此，在給場景打光照時，我們在使用對比時所擁有的自由並不如在調整顏色時的多。
 
在戲劇和電影光照中，對比被表示為主-輔率，即主光源與輔光源的相對亮度。主光源就是光的主要來源，如太陽、月亮或房間裏的光。輔光源是次要光的來源，與主光源相差90度，通常用於過渡主體的主要形態。高主-輔率產生強烈的對比，通常暗示著緊張或戲劇性。相反地，低主-輔率的光照充足，色調更均勻。主-輔率與總體亮度是不同的。高亮度下的場景在總體上比低亮度下的場景更暗。在傳統的電影拍攝中，設計光照對比的嚴謹幾乎上升到科學的程度。即使遊戲與電影是相當不同的媒體，但在設計遊戲的光照組合時借鑒後者累積了一百年的經驗仍是一個良好的開端。
 
主-輔率的選擇通常取決於既定的慣例。例如，電視劇和訪談節目通常使用的主-輔率是2：1或3：1。這麼低的不會產生壓抑的基調，而是讓人感到舒適、愉快。無獨有偶，低對比光照也可以使演員的皮膚狀態顯得更好、更有精神。然而，戲劇演出通常在4：1的主-輔率下拍攝，以便形成強烈的明暗對比，增加演出的戲劇性緊張感。這種光照還能突出演員的麵部輪廓，使觀眾更容易讀懂演員的表情。超過7：1或8：1的率通常運用在恐怖片和動作片中。悲劇片或風格化的動作場麵甚至可能采用高達20：1的主-輔率。
 
主-輔率的傳統用法雖然可以作為遊戲光照設計的參考，但並沒有（也不應該）提供準確的數值。真實世界的光照絕對比我們粗糙的數字近似值更加微妙和複雜。在後者中，我們不必擔心不必要的反光或陰影，並且我們可以選擇是否讓光有間隔地衰退。但即使你不能指望數字，你仍然需要注意那些慣例對受眾反應的影響。你確實可以反其道而行，但如果你沒有明確的理由，最好不要違反那些慣例。
 
光塑造空間
 
主-輔率並不能說明所有可能的光照情況。電影光照的標準專注於塑造演員的外表，但遊戲光照基本上強調的是定義空間，而不是突出角色。製作特殊的場景時必須特別謹慎。缺少某些電影內的線索，如氛圍效果、景深等，玩家可能很難理解不熟悉的場景。最明智的做法通常是用適中的對比度（不超過3：1）來做實驗。遠低於這個值，玩家將很難感知空間的3D輪廓（注：但具有非常強烈的色彩對比度的卡通風格場景是例外）。另一方麵，在古典的悲劇風格電影中，太高的比對度往往會徹底分解場景，從而把它變成光影的抽象圖形。
 
室外光
 
當場景受絕對控製時，特別是采用人照光的封閉空間，你可以根據遊戲所需的戲劇性設置你的對比度，從而產生或擴散畫麵張力。然而，室外光照就更麻煩了。
 
大多數開發者都知道在用於遊戲中的24比特的顏色空間造成的效果很好，所以大多數人其實不能清楚地看出所有1670種可能的RGB顏色。確實，但這隻是一部分原因。我們都知道RGB（255，255，255）是白色。但白紙的白和雪地的白是不同的。從純物理的角度說，雪可能在陽光下反射光300到400次，遠遠超過白紙。當然，我們知道我們的顯示器和電視屏幕不會像手電筒那麼亮，更加比不上太陽（不是壞事，當你回想我們不健康的廣告用詞來產生花哨的效果時）。如何循環這少少的256級亮度，來表現從昏暗的礦洞到星雲閃耀的宇宙這麼大範圍的場景？
 
眼見不實？
 
幸運的是，我們的圖像（照片和影片）在這麼有限的亮度下也管用，因為我們的眼睛能夠重新校準對光影的知覺。在台燈下，我們可以很輕易地看到中度陰影，但白天時就看不到了。類似地，在白天時感覺不到的微光在黑夜裏就很容易看清。我們大部分人都能夠辨別黑白之間的100到200種陰影。因為白色的擴散和聚攏很密集，所以我們的大腦基本上能夠用那一兩百種陰影變化來覆蓋從暗到明的範圍。因為我們的眼睛能夠能夠感知大範圍的強度變化，所以從生理學上說，我們能夠通過顯示器畫麵或打印出來的圖片想象出“真實的”的情境，即使當它們以非常有限的絕對強度聚集時也一樣。
 
這看似有意思的小事，但事實上，它對於有效地對比度管理是非常重要的。我們的重新校準能力告訴我們，圖像中的對比度的分布代表光源的強度。這其實是一個悖論。用強光塑造場景應該意味著，每個表麵都反射更多光給眼睛，這樣你可能就看不到圖像了。不過，我們的生理對比過濾器必須延伸我們有限的視覺色盤，以涵蓋強烈的高光和和稍強的環境色。即使按絕對值算，低色調確實更亮，那種增強對強度的大範圍擴散的影響也不明顯。低色調看起來更暗，即使它們反射得更多。出於明顯的理由，我們本能地用對比來代表場景中的光強度。強烈的對比意味意光源密集，而中等色高的平均分布則產生更柔和的光照效果。
 

 
我們以圖1和圖2為例。在圖1中，明亮的天空和陰暗的房子之間的強烈對比，讓我們下意識地以為天空比磚塊和石頭亮上幾百倍。相反地，圖2中的同樣程度的色調卻讓我們想到陰天灰蒙蒙的環境光；這種對比太溫和了，以至於白灰抹的牆看起來髒乎乎的，但事實上它們幾乎上一屆圖1中的明媚天空具有同樣的亮度值。從直方圖中可以看出來，更“明亮”的圖片其實使用的暗色更多。
 

 
對比的複雜作用對美工來說，既是福也是禍。正如這兩幅畫所表示的，僅通過操縱我們對強度和對比的期待，光照條件就可以變化出無數令人信服的效果。同時，我們傾向於把對比當成強度，這就多少限製了我們調整遊戲場景的方式。進而，當為了貼近現實，我們需要構成和情緒衝突產生一些棘手的問題時，我們就麵臨一些棘手的問題。當設計內景的光照時，你可以采取一些欺騙性手段，使用任何能滿足你要求的對比方案。然而，如果你使用自然光，你就放棄了大量的自由—-當然，如果你滿足於在大多數遊戲中使用永遠昏暗的陰天來充當室外光，那就無所謂了。
 
室外光
 
室外光的強度變化也讓貼圖美工感到困擾。想像以下情景：你要求貼圖美工製作一個磚塊的貼圖。自然而然地，你希望它包含所有微妙的小細節，如裂縫、灰泥等。為了包含這些細節，貼圖美工使用大部分RGB來畫繪製貼圖；裂縫接近黑色，灰泥接近白色等。單看貼圖，你覺得非常棒。當你在遊戲中以中度光渲染牆體材質時，看起來仍然很好。然後你把它用於室外光，一個明顯的問題產生了：灰泥與天空中的雲一樣白，但雲本應該比灰泥亮上好幾倍才對。
 

 
既要保留原貼圖上的細節，又要體現場景的光照，這可不好辦。你可以複製兩份貼圖，使外層更暗。這麼做太費內存，且要損失外層的細節，但能讓看者感覺到這就是自然光下的場景。但如果貼圖內存充足，你也許可以重複使用原貼圖，但接受最後圖像中的對比會破壞室外光的幻覺的結果。許多線下渲染器（和很少遊戲引擎）允許你之後再降低貼圖亮度 （或者，如果你特別幸運有後渲染圖像灰度校正）來欺騙眼睛的感知行為。因為大多數現代即時引擎的不足，你不得不有所犧牲，要麼是內存，要麼是光照的逼真度。但如果你已經得到程序員的支持，那麼你可以使用一個技巧，即在材料係統中添加一個暗調係數；你可以調整原貼圖而不必複製它。盡管這樣，基本的問題還是存在：雖然你可以讓你的想像力在室內場景中奔跑，但自然的室外光仍是一個要求很高的介質。
 
光照與情緒
 
但願，日新月異的技術可以至少減輕複製自然光照的負擔。對於捕捉光的微妙，我們當中少有人能與Vermeer相提並論，甚至更少人擁有能夠良好地處理動態光照的遊戲引擎。不過，技術仍在進步。在學術圈中，已經產生了一些出色的作品（特別是去年的《蜘蛛俠2》和《黑客帝國：重裝上陣》）。同時，Masaki Kawase的基於圖像的光照DEMO表明現在可以到達的程度，雖然在控製嚴格的情況下。但對於我們大部分人，距離我們依賴技術模擬光的真實行為還有很長的路要走。雖然困難，但逼真的光照效果不是不可能實現的。《ICO》證明了，即使是PS2也可以借助精彩的故事來克服光照的複雜問題。畢竟，光照設計的目標不是不帶感情地模仿照片，而是在遊戲中激發一種情緒，創造一種氛圍，把玩家傳送到我們為其構建的世界中。