Zone System 分区曝光系统 + LED虚拟拍摄

安塞尔·伊士顿·亚当斯（英语：Ansel Easton Adams，1902年2月20日－1984年4月22日，又譯作安瑟·亞當斯）是美国摄影师，生于旧金山。

他以拍摄黑白风光作品见长，其中最著名的是優勝美地国家公園系列。他也以摄影题材写作，如技术革新三部曲（《照相机》、《底片》和《冲印》）。他参与缔建的摄影社群f/64中，即可见爱德华·威斯顿、威拉德·范·戴克、伊莫金·坎宁安等大师的身影。他提出“区域系统”的技术概念，认为摄影师应借光线的变化，控制底片和相纸上的密度观感。亚当斯也倡导“可视化”的概念（他亦常称之为“前可视化”，但这个词并未为后世所接受），指照片给予人的观感，取决于光线的测量值，即在景物摄入镜头那一刻已经决定。

——摘自百度百科词条

这一系列书都以“内观”（译者注：内在视觉化）的概念开篇，皆因我们对摄影采取从创意和主观性出发的实践方法。内观指的是在开始拍摄某主体之前，在脑海中投射出最终完成影像的有意识过程。我们不仅与所拍摄的主体产生认知联系，更在此过程中意识到此主体转化为影像之后所拥有的表达潜质。我确信最有美感和说服力的摄影者在影像完成之前就看见了最终的照片——通过有意识的内观，或通过相似的启发性体验。

就绝大多数被摄主体而言，一张照片，不可能重现真实景物的亮度范围之全部。如此，照片某种程度上是原始主体数值的转译。从一一对应地还原主体，到高度主观的“抽离现实”从而自由表达，摄影者在这两极之间面对近乎无穷多的选择，这也是摄影的大部分创造性所在，举例说，我拍的照片经常被指是“写实”，然而实际上我大部分照片的内部数值关系远非物理真实的誉写。为创造一张代表“本人所见所感之对等物”的影像，我采取最大量的摄影控制手法，若我成功，观者就会接受此人造影像本身之真实，并对它产生情感和美感的反应。没有哪两个人以同样的方式看待世界。

——译自《The Negative》第一章“内观和影像数值”，作者安塞尔·亚当斯 Ansel Adams

I. 真实感

传统VFX视觉特效已经事实上解决了所谓“真实感”的问题——除非能看到明显的制作瑕疵，影视中的VFX已经被大众认定为影片假定性前提下“真实感”的有机部分。这与视效影片在长期发展过程中不同风格样式的建立过程有密不可分的关系。

这样说来，LED虚拟制作目前面临的缺乏可信的“真实感”的问题，可以类比VFX发展的早期阶段，也即其一与传统制作方法的融合度有待提高，其二围绕虚拟制作及LED虚拟拍摄的新的风格样式的建立还需要更多的时间和项目磨炼。

但是，此两点不妨碍我们在这个阶段通过运用LED虚拟拍摄寻求实现更明晰具体的影像真实感。恰恰相反，这两点指明了如何在现阶段推进LED虚拟拍摄的研究和应用。

事实显而易见，LED虚拟拍摄所需要的知识和方法一定是原有体系的延伸和发展，从原理出发将大有裨益。其次，新的风格样式建立要求对内容进行高度的定制，更加需要原创性的创意以彰显新的形式和内容结合所带来的可能性。

我们最近进行的测试主要围绕第一点，从原理出发考察LED虚拟拍摄中最基础的明暗影调控制。

II. 分区系统

亚当斯的分区系统（Zone System）被很多人说成“分区曝光系统”，其实这是不准确的。分区系统至少包含三个部分，（1）对于具有线性亮度的物理世界在照相机或者摄影机曝光中，以EV曝光值划分出的曝光尺EV Scale，（2）经过测定的胶片在冲洗过程中所产生的，基于银盐密度Density曲线特性的动态分级，（3）放印过程中，在已经测定过的放印介质（相纸）上基于感光曲线特性进行的亮度分区的重新分配或映射。

所以，一个完整的分区系统覆盖从曝光、冲洗到放印的全部过程。分区系统是一套行之有效的控制影像影调的方法。有效运用这个系统使得作者可以充分发挥器材和材料的可能性，把原创性的表达与工艺流程融为一体，最终传达给影像观看者。

III. 分区系统和LED拍摄

简单地说，始于上世纪前半页的亚当斯分区系统实践与今天最新潮的LED拍摄有如下的对应关系。

1. 物理世界《==》{物理景物+虚拟景物}

2. 胶片照相机《==》{数字摄影机+虚拟摄影机}

3. {胶片工艺：冲洗，放印到特定相纸}《==》{数字影像工艺：采集，转换，调整，输出到特定显示设备}

物理世界的亮度分布是线性的。那么虚拟世界如果要与物理世界融合，在特定的LED光墙上显示出来时，也需要能够做到亮度线性。

人眼在自然演化过程中形成了对光线的非线性反应。胶片和数字摄影机都通过模拟人眼对光的非线性采集实现近似人眼的影像采集。虚拟摄影机可以做到线性采集（输出线性信号或者渲染结果），也可以模拟非线性的反应（Gamma）。

胶片和相纸的冲洗放印流程依赖材料的化学稳定性和相对恒定的工艺流程。数字影像工艺由于依赖多种多样特定的数字标准和软件流程，以及大量不同时期、不同技术标准的采集、显示设备，复杂性大大超过传统胶片工艺流程，然而其基本原理与传统流程是相同的。或者说，掌握了基本原理，通过稳定使用固定软硬件和流程，可以把数字影像工艺流程简化到与传统工艺相近的程度。

IV. 测试方法

测试的目标简单来说，就是在物理世界的【亮度/EV曝光值】 A与虚拟世界的【亮度/EV曝光值】B之间建立稳定的对应关系。

我们首先在物理世界里用黑色吸光布搭建一个黑箱，黑箱中央以45度角放置标准黑卡、18%灰卡和白卡。在已知高度角度设置LED面光源，这里用的是爱图仕P600c，发光效率高，显色性高且准确。在P600C全功率输出的情况下，用亚当斯同款的宾得Spotmeter V点测光表在灯板垂直投影下方，色卡水平正对方向固定位置测量EV值并做记录。

第二步，在Unreal nDisplay、LED光墙正常运行显示情况下，创建干净的工程，关闭默认ToneMapping等，采用UE 5.2内置Lumen，在虚拟世界中基于PBR material创建与物理世界同等大小、具有合理固有色和金属度粗糙度的黑白灰卡，以及与P600c同样大小、空间位置关系的面光源，在关闭其他一切光源的情况下照亮虚拟色卡，并显示在LED屏上。同样，在物理世界中虚拟面光源所在的垂直投影位置，与虚拟色卡水平正对的位置，同样用宾得Spotmeter V进行测量，记录EV值。

通过调整虚拟面光源强度参数，最终实现虚拟18%灰卡与黑箱中的物理18%灰卡具有相同的EV值/亮度值。此时，换上黑卡和白卡，验证在Unreal到LED光墙的整个链路中，最终黑白卡与18%灰卡的EV值偏移量与物理世界中的情况完全吻合，也就是说Unreal Lumen遵循物理世界光线能量传递法则，经过一系列色彩空间和信号转换到达LED屏显示时，保持了亮度的线性。

至此，我们通过对齐标准物理和虚拟参照物黑白灰卡，实现了物理世界和虚拟世界曝光值的统一。这是实现有物理搭景的LED混合现实拍摄中影调控制的唯一前提。至此，面向混合现实拍摄的分区系统成为现实。

经过出厂标定、由控制器硬件驱动的LED屏具有特定的亮度区间，可以以EV值范围来表示。我们测试所用的LED屏对应EV100值范围是EV1到EV12，也即12档动态范围。然而实际应用中，LED屏就像所有的显示设备一样，保留虚拟景物细节的最低亮度高于EV1值，大略在EV3到EV4。低于此亮度就可能出现低辉不足导致的显示瑕疵，如色阶断裂等。所以，我们这里LED屏显示也就是虚拟世界景物的线性亮度范围，对应亚当斯所说的Textural Range范围也就是EV3到EV12，大致10档。

爱图仕P600c优秀的照明能力使得我们可以在物理世界黑箱中测得黑卡最低EV1的曝光值，此时P600c的功率为0.1%，也即最大功率的千分之一。这也是我们此次测试给出的，对应这一套硬件系统的极限最低EV值。如果不考虑低照度带来的显示和成像瑕疵等问题，我们的ZONE0分区对应的就是EV1的虚实混合景物最低亮度。从这里往上推，一共有12个分区可用，这已经大大超出亚当斯时代胶片的还原能力范围。

当然，典型夏日户外天空可以达到EV16甚至EV17的亮度，众多的数字摄影机也宣称自己高达16档的动态范围。