編者按：
LED光源作為現今社會走在世界前列的先進光源，因其在電影拍攝之中的廣泛運用，逐漸引發了電影專業人士針對LED光源使用的多層次研討。
在2020年12月12日【中國攝影師社群】的特別直播課中，美國電影攝影師協會（ASC）技術委員會委員，美國Kino Flo創始人、總裁福瑞德 · 霍克海姆先生（Frieder Hochheim）與北京電影學院攝影系主任 碩士生導師 李偉教授，就《LED燈光色度學的發展對現代影視的影響》展開了一次跨洋直播研討會。
在本次越洋研討中，兩位老師就LED的使用標準，對不同設備器材的影響差異等諸多在電影拍攝中的實際問題進行了研討。而今天，本篇文章正好就直播時很多同學提出的一些「本源」問題，進行解答。【篇末有福利】本期內容為《美國電影攝影師雜誌》的專欄文章，超級詳細的帶你到拍攝現場，下載影視工業網幕後英雄 APP，免費閱讀完整的中文版《美國電影攝影師雜誌》。加入【中國攝影師社群】，免費獲取《美國電影攝影師雜誌》原版雜誌。本文作者：傑伊·霍爾本
當前 LED 在電影製作領域已是屢見不鮮，因而了解其發展軌跡及技術淵源正當適時，唯有知其然、明其策才能在相關突發問題面前有所應對。《水形物語》拍攝現場 LED光源：Kino Flo
核心理念想要更好地解決LED設備在使用中的潛在問題，第一要務就是明確色譜、色階、普朗克黑體曲線、相關色溫以及各種LED生成彩色光線的原理。
色溫
色溫是最基礎的一環。太陽、火焰或傳統鎢絲燈等自然白熾光源發出的光線涵蓋平滑過渡組合的彩虹色（赤橙黃綠藍紫）。艾薩克·牛頓（Isaac Newton）爵士就曾將稜鏡置於太陽光下，將該光的光譜分解成了不同組成部分，從而應證了這一點。
此項結論與英國科學家威廉·湯姆森（William Thompson）的研究成果之間也有著千絲萬縷的聯繫。這位「開爾文第一男爵」開闢性地引入了開爾文溫度的概念，它以絕對零度（攝氏-273.15℃）作為計算起點，在該起始溫度下所有分子活動都處於停擺狀態（迄今有數學領域研究證明，任何材料都不可能達到這一溫度）。
此後，德國物理學家古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）提出了「黑體輻射體」理論。這是一種理論上存在的輻射材料，既不反射也不折射光線。在緩慢加熱的條件下，它會發光，一開始是紅色，而後逐漸過渡為橘色、黃色、白色和藍色。這一概念融合了光譜和開爾文溫度的知識體系，奠定了色溫的理論形成發端，即將整個光譜的色彩波長與黑體輻射體的物理溫度通過開爾文溫度聯繫在一起。
19 世紀末，同樣來自德國的物理學家馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）在這一領域繼續邁進，確定了此後的普朗克軌跡（或曲線），串起了開爾文溫度、黑體輻射體和人類視力色階之間的關係紐帶。至此，這三位偉大的奠基者便構建了我們當下所知的色溫（或開爾文色溫）概念。
本文且稱其為開爾文溫標，該溫標閾值為0到20000K左右。在此閾值內，鎢絲白熾燈光的色溫約為3200K（屬於橙紅光範圍），來自太陽和周圍天空的自然光色溫約在6500K（屬於藍光）。
傳統的圓頂形雙色二極體，可發出日光（無色或白色）和鎢絲燈光（黃色）。
彩色膠片面世迄今，攝影畫面的關鍵點就在於界定那個特殊的「白點」。儘管人的眼和腦在顏色分辨方面十分靈活，可以自動將某一系列的光線識別為「白光」或是「自然光」，但是膠片和數字傳感器在這方面卻相差甚遠，它們需要一個確定的「白點」才能還原出人眼中世界的色彩。因此， 我們最開始就是根據兩個數字來標定這個點的，即鎢絲燈光的3200K和日光的6500K。（後者有時在不同標準下會設定為5500K 和5600K）。
CIE 1931
為 了 確 定 出 人 眼 能 見 的 所 有 色彩， 國際照明委員會（ 法國組織， 法文 名 為 Commission Internationale de l』éclairage，CIE）歷經多年研究與測試， 於1931年創立了CIE 1931 XYZ色彩空間。該空間用圖像來表徵電磁波譜中的可見部分，即我們所說的「光線」，波長範圍約從400納米到700納米，囊括了人眼可見的所有光線波長（或色彩）。
CIE-XYZ 1931色彩空間構畫出了開爾文溫度（外輪廓）、普朗克曲線（下方三分之一處）和相關色溫（曲線上的直線）。
這片半橢圓形的曲線範圍從左側底部的深藍紫色，沿著外輪廓逐漸過渡為各種彩虹色（藍、綠、黃、橙），直至最後化為右下角的紅色。半橢圓曲線頂端有一大部分都由綠色波長構成，因為人眼對這個顏色最為敏感。越趨向中心，顏色的交融程度越高，產生了次生色彩，並在下方三分之一處最終疊加形成白光。
理論交匯沿著CIE圖像下方三分之一處這片區域觀察，我們會發現一段特殊的色彩曲線， 它以最左端的600納米為起始點，弧線蜿蜒至圖像中心。這就是普朗克曲線，沿著這條曲線分布的就是開爾文色溫範圍。不論是電影膠片的感光乳劑，還是數字攝影傳感器，它們在設計上都要對普朗克色溫曲線感應靈敏，並參照6500K日光（即D65） 或3200K色溫作為基礎值。光線色溫處於這個CIE XYZ色彩空間普朗克曲線內的光源在膠片或者數字傳感器中的色彩保真度都是極高的。
LED 的突出優點之一就是可以用單個燈具展現多種色彩。
LED三足鼎立1 雙色LEDLED的突出優點之一就是可以用單個燈具展現多種色彩。相較於在鎢絲燈和HMI鏑燈之間交互切換， 或者不停更換螢光燈燈管，只要一個LED就能同時實現日光和鎢絲燈光的色彩。甚至有聲稱通過混合雙色LED裡的兩種色彩，既能達成3200K到6500K之間任意色溫值。
但它並不是無所不能的。如前所述， 普朗克曲線是彎曲的，一個燈具裡面如果有兩種顏色的二極體，那麼可以代表CIE 色彩空間中的兩點（每個都有一個二維坐標），但是兩者以各種強度進行混合之後的色彩圖像只會是一條直線。這意味著當混合結果越趨向於兩者的色溫中間值時， 它們就離普朗克曲線上對應的真實色彩越遠，而更加趨向於品紅色。為了矯正這一現象，大多數情況下都需要增加濾紙以增加或弱化綠色的程度，將偏色重新拉回到曲線上（詳見下段「歷久之道」）。
2 RGB LEDRGB LED是雙色LED的進一步升級， 它的作用主要是實現疊加色彩，通過混合紅綠藍光模擬出整個可見光譜。
雖然有人說三色刺激值系統只能模擬出三原色的峰值，而非整個色譜，但是支持者卻主張數字攝影機其實只對紅色藍三色中很窄的一段波長區間較為靈敏，拜爾陣列濾色鏡尤為如此，從這個意義上來說，RGB燈能夠契合攝影機的靈敏度，製造出精準的色彩。
3 RGB+ LED部分生產商認為，RGB LED仍然無法給出足夠精準的色彩，所以他們會在這一組合當中加入更多二極體進一步混合，以「填補」色譜空缺。一開始都會從「白色」二極體入手，而實際上它們是帶有螢光粉的藍色二極體，能夠創造日光的色溫（見下方補充說明文字），有些廠商還會加一些「琥珀色」二極體來彌合色譜中暖色端的部分。你會發現這些燈具的備註名為RGB+W或RGB+AW，有時是RGB+WW，後者的意思就是增加了日光和鎢絲燈光二極體。
現代的飽和色彩二極體，可呈現紅色、石灰綠色、藍色、琥珀色和白色。
某些LED公司會更進一步，嘗試添加其他色彩的二極體，尤其是石灰綠、青色和深紅色。當然，有得必有失，任何燈具中可以裝載的二極體數量是有限的，所以雖然其可以更準確的反映過渡均勻的色譜，但卻削弱了光照強度。
螢光粉塗層的日光和鎢絲燈光二極體
LED的優勢改變光照強度卻沒有色偏是LED 燈具的一大優點，很多LED燈內都加上了DMX控制器或Multiverse組件以取代外置調光設備及減少布線，另一些則支持裝配電池以提升整體便攜性。其電力消耗遠遠小於鎢絲燈或HMI燈，發熱情況對比白熾燈和HMI鏑燈幾乎可以忽略不計，這樣一來也減省了對於空調的需求。
不僅如此，有些LED燈具可以「馬賽克式布陣」，使得這個矩陣的各個獨立區域可以生成不同的色彩。獨立區域越多， 畫面解析度也就越高。在某些矩陣中，每部分RGB+ LED集群都可以獨立調整，從而整體生成一個畫面，就像電視機屏幕一樣。這一特點讓馬賽克布陣燈具成為了虛擬製作技術的有力支撐。
以上種種因素使得LED在越來越多的電影製作中得到使用。雖然色彩保真度依然是一個關鍵問題，但是廠商們也在基於市場需求不斷精進技術，提升LED的光照強度和色彩精確度。除此之外，LED的選擇類型很多，從軟屏到菲涅爾鏡聚光燈 和其他強光燈，種種皆有，且不乏頂尖廠家，包括Aputure、Arri、Astera、CineoLighting、Creamsource、Digital Sput-nik、ETC、LiteGear、Kino Flo、QuasarScience和Rosco。
自電影藝術起源以來，電影照明技術就一直在發展。所以雖然有很多人可能會痛惜當下的LED燈在連貫性和準確性上的缺陷，但是他們也應當明白這項技術僅是照明進程中的一個階段，而每個發展階段都會有坎坷及不完美之處，直至最終打磨出能夠真正被攝影領域廣泛接受和運用的光源。
歷久之道
全色譜光源（如自然光、火焰光或鎢絲燈）具有彩虹光的所有顏色，且相互之間過渡均勻。相較之下，LED、螢光燈和HMI鏑燈等可創造出相關色溫的模擬光源只能通過色彩峰值來模擬全色譜光線，在色譜連貫性上則稍遜一籌。比如，當你有時拍攝某個對象的時候，它的色彩剛好處於這種色譜缺失的地方，即某些顏色峰值之間的波谷區間，這就會導致色彩還原不準確，因為色溫偏離了普朗克曲線。事實上，相關色溫位於與曲線垂直的直線相交附近。如果相關色溫處於曲線上方，綠色的成分就會較多，如果在下方，品紅的成分就會多一點。這就是我們幾十年以來談到HMI鏑燈和螢光燈的時候所提到的「綠加」和「綠減」，這也是某些濾鏡、濾紙和調色設置得名的緣由，它們的作用就是將偏離的色溫拉回到正常的曲線上。
歷史小探
對靈活度和多樣性的需求催生了人工燈具的誕生。雖然早期的正色膠片速度極慢，需要藉由自然光的強度來創造出一種曝光效果，但是其仍然對於靈活度、多樣性以及夜間拍攝有所期待和需求，這便加速了人工光源的誕生。1900年左右，庫珀·休伊特（Cooper Hewitt）發明了汞蒸氣燈管，這項技術當時被應用於街道照明。而後，在1910年後期，碳弧泛光燈開始登上歷史舞臺。但到20世紀20年代時，全色膠片的出現和錄音的要求使得藍綠汞蒸氣燈和噪音較大的碳弧燈的退出成為了必然，轉而將鎢絲燈（當時通用電氣公司稱其為馬茲達牌燈）推上新寵之位。1909年左右開始，人們的生活中開始出現鎢絲燈，而直至20世紀20 年代早期到中期時它才被運用到電影領域。
1934年，Mole-Richardson公司在白熾燈中加入了菲涅爾透鏡，同時，碳弧燈根據彩色膠片色彩還原的需求進行了又一次升級，但20世紀50年代時它們基本上都遭到了淘汰。依然是在20世紀30年代，螢光燈開始風靡於工業應用方面，並在20世紀50年代早期進軍電視拍攝領域，不過彩色攝影的崛起令其最終漸漸隕落了。
20世紀60年代間，Osram將汞弧介質碘化物燈（HMI鏑燈）引入了電影製作領域，良久之後才傳播到美國， 因為解決50赫茲到60赫茲之間的轉換花費了一定的時間。而螢光燈在20世紀80到90年代時又再度回潮，這在很大程度上歸功於燈光師弗瑞德·霍克海姆（Frieder Hochheim），他後來成立了Kino Flo公司，並加入了ASC協會。
雖然20世紀90年代到21世紀初那段時間，等離子燈也曾曇花一現過，但引領照明未來的是LED技術的發展。回望歷史，每一次照明技術進步的拐點都有ASC相守相伴，為這些新型燈具的可行性和效益進行調研，協會會員每每必積極踴躍進行討論和驗證，以確保新發明能夠順暢地融入電影製作當中。
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【文末彩蛋】：
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4 本篇LED發展史及技術背景簡介旨在為下月同期【《攝影課堂》--LED光源使用篇】預熱，屆時我們將介紹LED光源的各種使用方法，大家敬請期待。
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