王晟彬+鄭佳蔚

【摘 要】 解析偏振光和偏振鏡的原理，通過(guò)新聞演播室客觀環(huán)境設(shè)計(jì)試驗(yàn)，實(shí)際分析了光源、拍攝角度和偏振鏡片綜合運(yùn) 用下對(duì)圖像產(chǎn)生的主客觀影響，對(duì)偏振鏡在新聞演播室的應(yīng)用進(jìn)行探索。

【關(guān)鍵詞】 偏振光；偏振鏡；新聞演播室

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.08.004

The Exploration of Polarizer Applied in the News Studio

WANG Sheng-bin，ZHENG Jia-wei

（Zhejiang Radio&Television Group， Hangzhou Zhejiang 310005， China）

【Abstract】Through analyzing the principle of polarized light and polarized lens， According to the news studio to objective environment. Analysis of the illuminant， shooting angle and the polarized lens to effect of the image， and has carried on the exploration and attempt.

【Key Words】polarized light； polarized lens； news studio

1 引言

如今的新聞演播室中，從大尺寸的等離子屏（PDP）、液晶屏（LCD）到背投大屏（DLP）、LED屏，大面積顯示設(shè)備的運(yùn)用已習(xí)以為常，科技的進(jìn)步為藝術(shù)創(chuàng)作的實(shí)現(xiàn)提供了各種可能。但常會(huì)被一些問(wèn)題困擾，比如新聞演播室中，燈光投射到背景上產(chǎn)生反光的問(wèn)題，從以前的實(shí)物背景到現(xiàn)在以各種可變換內(nèi)容的顯示設(shè)備為背景，反光始終是令燈光師頭疼的問(wèn)題。

當(dāng)新聞演播室畫(huà)面中背景出現(xiàn)反光時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致畫(huà)面整體發(fā)灰、不通透，影響大屏信息的傳達(dá)，同時(shí)也降低了畫(huà)面整體的觀賞性。為了得到更好的畫(huà)面效果，使大屏設(shè)備發(fā)揮出最佳效果，通常采取以下幾種方式去除反光。

（1）調(diào)整燈光角度，約束光斑大小。但是，燈光首先要保證人物面光，所以可調(diào)整的余地很??；通過(guò)光柵約束光斑大小的效果也是十分有限的。

（2）通過(guò)遮光簾遮擋。這是目前最有效的一種方式，但是也有不足之處。首先遮光簾應(yīng)用起來(lái)不靈活；其次在全景中，遮光簾容易穿幫，影響畫(huà)面整體美感。

（3） 改變反光平面的材質(zhì)或反射角度。在傳統(tǒng)噴繪等實(shí)物背景中，常選擇“亞光”等漫反射材質(zhì)的物體作為背景。但如今多以顯示設(shè)備為背景，其表面材質(zhì)無(wú)法輕易改變或控制；如果采用改變背景角度，大屏設(shè)備質(zhì)量重、體積大，需要重新設(shè)計(jì)支架，關(guān)系到舞美、視頻等多個(gè)部門(mén)，成本高，難度大。

在嘗試了一系列方法之后，筆者想到了攝影中常用的一種濾鏡：偏振鏡。

2 偏振光和偏振鏡的原理

偏振鏡是一種攝影器材中常見(jiàn)的濾鏡，一般分為線偏振鏡和圓偏振鏡。線偏振鏡適用范圍廣，是目前攝影領(lǐng)域常用的一種偏振濾光鏡（下文中所陳述的偏振鏡均為線偏振鏡）。攝影用線偏振鏡一般由兩片光學(xué)玻璃夾著一片有定向作用的微小偏光性質(zhì)晶體組成，可以除去非金屬表面的反光，如玻璃、水面的反射光，從而改善畫(huà)面色調(diào)、影調(diào)[1]。在攝影中，經(jīng)常會(huì)通過(guò)使用偏振鏡拍攝理想的畫(huà)面效果，將偏振鏡引入到新聞演播室，利用其特性去除反光，對(duì)電視圖像進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)解析演播室光路和偏振鏡的原理，嘗試去除背景反光，同時(shí)探索其可利用的其他可能性。

（1） 偏振光的產(chǎn)生[2]

光是一種特定的電磁波，以橫波的形式進(jìn)行傳播。偏振是指振動(dòng)的方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱(chēng)性，具有這種現(xiàn)象的光就是偏振光。自然光本質(zhì)上是偏振的，但因?yàn)樽匀还庥珊芏嗥竦墓獠ùM成，每一束光波串的偏振方向是隨機(jī)變化的，在一段時(shí)間里任何方向都沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，所以它以非偏振光的形式出現(xiàn)。當(dāng)隨機(jī)變化的自然偏振光串經(jīng)過(guò)物體反射后，反射光串同時(shí)朝一個(gè)方向有規(guī)則地偏振時(shí)，就產(chǎn)生了定向偏振光。自然光轉(zhuǎn)化成偏振光方法有很多種，可以用偏振片（如圖1所示）、雙折射晶體等產(chǎn)生偏振光，最常見(jiàn)到的偏振光是自然光照射到非金屬表面反射形成的光。

（2） 偏振鏡的原理

各種非金屬物體表面的反光在視覺(jué)上呈現(xiàn)出高亮白斑，遮蓋了原本物體表面的材質(zhì)紋理或信息，在拍攝過(guò)程中不必要的反光常會(huì)影響到畫(huà)面信息傳遞的完整性和準(zhǔn)確性，需要去除這些反光。偏振鏡可以選擇性地過(guò)濾偏振光。以線偏振鏡為例，它能去除99%的與其偏振方向垂直振動(dòng)的線偏振光。線偏振鏡的兩片玻璃各自獨(dú)立地安裝在可以旋轉(zhuǎn)的環(huán)圈里，通過(guò)旋轉(zhuǎn)其中一片玻璃片，改變光柵角度。光柵將阻擋那些與它不平行的偏振光線，如圖2。偏振鏡一般都不會(huì)標(biāo)示出偏光方向，使用時(shí)需要旋轉(zhuǎn)鏡片，觀察取景畫(huà)面，根據(jù)拍攝要求選擇合適的偏振效果。

（3） 偏振鏡對(duì)自然光的影響

自然光可分解為兩個(gè)偏振方向的線偏振光，常定義為平行和垂直（相對(duì)光線與反射面法線構(gòu)成的入射面）線偏振光，它們的光能量比是1：1。這種自然光經(jīng)過(guò)理想偏振鏡，只有一半的能通過(guò)偏振鏡。實(shí)際上，偏振鏡有制作材料的本身吸收和表面反射的損耗，實(shí)際通過(guò)率只有理論狀態(tài)的60%～90%，若取75%，加上理論上50%的通過(guò)率，因此，實(shí)際通過(guò)偏振鏡的光能量只有原來(lái)的37%左右。

（4） 偏振鏡去除偏振光需滿足的條件

根據(jù)布儒斯特定律，自然光照射到非金屬表面上，一般情況下反射光和折射光都是部分偏振光，當(dāng)反射光與折射光垂直時(shí)，這個(gè)反射光才是線偏振光，此時(shí)的入射角就稱(chēng)為布儒斯特角。光的折射、反射特性如圖3所示。endprint

布儒斯特角θB等于兩種介質(zhì)的折光率之比的反正切。

設(shè)θ1為入射角，θ2為折射角，n1和n2為兩種介質(zhì)的折射率。有

如果反射光和折射光垂直，則：

整理，得：

由于在演播室環(huán)境中，光線都是由空氣射到另一種介質(zhì)，多為玻璃、刷有油漆的木頭表面等?？諝獾恼凵渎始s等于1，其他大多數(shù)物質(zhì)的折射率都大于1，如水是1.333，玻璃是1.500，可知在入射角arctan（n）中的n﹥1，得到布儒斯特角在45°與90°之間。由此可得，若要使用偏振鏡去除反光，偏振鏡所處的位置須滿足以上的條件，即進(jìn)入射角在45°與90°之間時(shí)，反射光才可能為線偏振光，反射光可以被消除。而實(shí)際情況中，也只可能做到大量抑制，無(wú)法做到完全消除。

（5） 入射光、反射光與折射光的能量分配

根據(jù)能量守恒定律，反射光和折射光的能量等于入射光的能量[6]，如圖3所示。根據(jù)反射率公式，平行和垂直的兩偏振光經(jīng)過(guò)表面反射的反射率是不同的，具體見(jiàn)公式：

透射光的能量為1-r，一般不可能同反射光相同。

當(dāng)n1=1， n2=n ，滿足布儒斯角反射時(shí)，

說(shuō)明：在發(fā)生布儒斯特反射時(shí)，平行入射面的偏振光沒(méi)有反射，所以反射光中只有垂直入射面的偏振光，而且由于垂直入射面的偏振光部分被透射，此時(shí)的反射光能量小于1/2。當(dāng)n=1.5時(shí)，估算經(jīng)過(guò)表面反射的反射率為1/5，即反射光能量約為原來(lái)入射光的1/5。

（6） 演播室中的偏振光

根據(jù)之前的分析，當(dāng)光線入射角為布儒斯特角時(shí)，鏡面反射光為全偏振光。由于演播室中燈光和場(chǎng)景的構(gòu)成比較復(fù)雜，根據(jù)演播室中常見(jiàn)反光表面的材質(zhì)可以計(jì)算出鏡面反射的入射角在45°與90°之間時(shí)，反射光接近全偏振光。即偏振鏡對(duì)大角度入射時(shí)，產(chǎn)生的表面反射光可以有效抑制；但小角度入射時(shí)，只能消除小部分。

在演播室節(jié)目制作中，比較常見(jiàn)的大面積反光可以分為逆光成因和順光成因兩大類(lèi)。逆光造成的反光主要是水平表面產(chǎn)生的，如主播臺(tái)面、地面、頭發(fā)等；順光造成的反光主要是垂直表面的反光，如：眼鏡鏡片、大屏幕顯示設(shè)備等反光。

按照偏振鏡去除偏振光需滿足布儒斯特定律的條件，偏振鏡對(duì)演播室中相對(duì)于攝像機(jī)逆光所造成的偏振光有明顯的消除效果，如圖4所示。順光照射在背景大屏或者是眼鏡鏡片上產(chǎn)生的光斑，因?yàn)槿肷浣敲黠@小于45°，為非布儒斯特角，如圖5所示，只能消除物體表面的一部分反射光，效果不明顯。

通過(guò)上面的分析，可以辨別演播室中的反光是否可以用偏振鏡消除。要在實(shí)際的節(jié)目中使用并取得比較好的效果，還需根據(jù)節(jié)目形式，綜合考慮演播室攝像機(jī)色調(diào)和光圈、演播室燈光和置景要求，選擇最適合使用偏振鏡的場(chǎng)景構(gòu)圖。

3 偏振鏡在新聞演播室中的實(shí)驗(yàn)

在演播室中，筆者嘗試采用線偏振鏡后在不同攝像機(jī)光圈、不同方向光源的拍攝條件下，對(duì)拍攝效果的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表1。

3.1 偏振鏡對(duì)攝像機(jī)光圈的影響

演播室光源采用順光均勻照射標(biāo)準(zhǔn)白卡，攝像機(jī)鏡頭對(duì)準(zhǔn)白卡并使其充滿畫(huà)面。調(diào)整攝像機(jī)光圈值為f4.0時(shí)，示波器上畫(huà)面電平幅度約700 mV；安裝偏振鏡后電平值下降，增大光圈使電平幅度再度調(diào)整到700 mV，此時(shí)光圈數(shù)值顯示為f2.2。

3.2 偏振鏡對(duì)不同方向光源的影響

（1）單一逆光

在單一逆光照明下，旋轉(zhuǎn)偏振鏡得到的效果如圖6所示，可見(jiàn)桌面上的反光光斑逐漸減弱，最后基本被消除，同時(shí)人物輪廓光也被大幅抑制，如圖7所示。

（2）順光+逆光

模擬演播室的真實(shí)環(huán)境，開(kāi)啟順光和逆光，如圖8所示，調(diào)整偏振鏡的反射光強(qiáng)度，測(cè)試了兩組不同的取景，人物、桌面在DLP大屏（關(guān)閉）背景下的效果見(jiàn)圖9，人物、桌面在等離子加DLP大屏（開(kāi)啟）環(huán)境下的效果見(jiàn)圖10。

從圖9、圖10的對(duì)比可見(jiàn)，調(diào)整偏振鏡的反射光強(qiáng)度，逆光對(duì)人物輪廓光和桌面的反光有所變化，順光對(duì)人物面光及投射在DLP大屏表面所產(chǎn)生的反光并沒(méi)有明顯變化，同時(shí)背景DLP大屏和前景等離子圖像沒(méi)有受到影響。

（3）偏振鏡對(duì)不同類(lèi)型顯示器的影響

背投大屏、等離子屏、液晶屏和顯像管顯示器（CRT）等各種顯示設(shè)備在演播室中的應(yīng)用越來(lái)越多。偏振鏡是否會(huì)對(duì)它們的正常顯示造成影響呢？使用安裝偏振鏡的攝像機(jī)分別從正面拍攝DLP、PDP、LCD和CRT。在拍攝過(guò)程中旋轉(zhuǎn)偏振鏡，DLP、PDP、和CRT顯示器畫(huà)面沒(méi)有變化，而LCD在偏振鏡旋轉(zhuǎn)到某一角度時(shí)出現(xiàn)了畫(huà)面全黑的消光現(xiàn)象，這與液晶顯示器的顯示原理相關(guān)。

（4） 偏振鏡在全景機(jī)位中的使用效果

日常節(jié)目制作中，起始、結(jié)束和大屏前站播等畫(huà)面經(jīng)常會(huì)使用全景機(jī)位。在全景構(gòu)圖中，旋轉(zhuǎn)偏振鏡調(diào)整到合適的角度，可消除地面和桌面大面積的反光光斑，其他物體表面的雜光也有所減少，畫(huà)面干凈通透，但在安裝偏振鏡后的廣角端畫(huà)面邊緣有較為明顯的暗角，如圖11所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）偏振鏡使用后會(huì)損失約兩檔光圈，實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)提高演播室光照度和加大攝像機(jī)光圈進(jìn)行彌補(bǔ)。提高演播室光照度需要考慮現(xiàn)有燈光設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)，同時(shí)光照度和同一場(chǎng)景中其他顯示設(shè)備的光比是否合適。使用更大的光圈后，攝像機(jī)的景深變淺，實(shí)際畫(huà)面效果是否能接受。

（2）使用偏振鏡去除桌面的反光時(shí)，人物造型的輪廓光同時(shí)被削弱，偏光鏡還有可能過(guò)濾掉人物臉部的反光，使人物失去立體感。全景構(gòu)圖時(shí)，人物比例較小，減少了輪廓光對(duì)人物造型的影響。

（3）使用偏振鏡后，會(huì)對(duì)畫(huà)面整體的影調(diào)和色調(diào)產(chǎn)生影響 [3-4]；不同品牌的偏振鏡對(duì)圖像質(zhì)量也會(huì)有略微不同的影響，可以通過(guò)調(diào)節(jié)攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行校正。

（4）一些特殊的顯示設(shè)備避免與偏振鏡同時(shí)使用，如液晶顯示設(shè)備。

4 探索與創(chuàng)新

基于偏振鏡的原理，如果將兩片偏振鏡相疊加后，旋轉(zhuǎn)其中一片，就能阻擋一部分光線的通過(guò)，起到控制進(jìn)光量的功能，如圖12所示。

從圖12中可以看到，當(dāng)自然光（即非偏正光）透過(guò)第一片偏振鏡時(shí)，光的性質(zhì)發(fā)生了改變，變成了偏振光。當(dāng)其透過(guò)第二片偏振鏡時(shí)，其透光量就受到第二片偏振鏡的控制。當(dāng)兩片偏振鏡夾角為0°時(shí)，偏振鏡阻光效果最??；當(dāng)夾角為90°時(shí)，阻光效果最大，幾乎100%阻擋光線。此原理也就是偏振鏡對(duì)液晶屏產(chǎn)生消光現(xiàn)象的原理。

偏振鏡的這一特性正好能解決常見(jiàn)的開(kāi)放式演播室光比難以控制的問(wèn)題，特別是一些會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)、大型活動(dòng)或體育比賽現(xiàn)場(chǎng)的透明背景開(kāi)放式演播室。如果在透明玻璃墻上附上偏振膜[5]，再在攝像機(jī)鏡頭前裝上偏振鏡，就可以在不改變演播室內(nèi)光線環(huán)境的同時(shí)，單獨(dú)控制戶外光線的射入。這樣既解決了室內(nèi)外光比極大的難題，也可以輕松應(yīng)對(duì)不同時(shí)間光線變化的問(wèn)題，有效地提升了畫(huà)面效果，同時(shí)也降低了對(duì)燈光設(shè)備上的苛刻要求。但這一方案的難題在于，大面積高質(zhì)量的偏振膜的價(jià)格相對(duì)昂貴，市場(chǎng)上相對(duì)較少；同時(shí)，在安裝時(shí)或許對(duì)于每一張偏振膜的偏振角度也會(huì)要求，否者會(huì)影響實(shí)際效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，偏振鏡固然有其消除反光、雜散光，提升影像質(zhì)感和色彩飽和度的效果，但使用時(shí)會(huì)有諸多局限和不利因素需要注意。很好地運(yùn)用偏振鏡的原理，如在一些使用分鏡頭拍攝、講究畫(huà)面、注意布光的高質(zhì)量畫(huà)面中，就能較好地發(fā)揮偏振鏡的效果。在將偏振鏡應(yīng)用到演播室系統(tǒng)內(nèi)攝像機(jī)進(jìn)行直播或錄播時(shí)，需充分考慮后謹(jǐn)慎使用，以避免給畫(huà)面造成的不利影響。同時(shí)，如果利用偏振片分離技術(shù)，巧用偏振鏡消光原理控制常變化、大光比的光線環(huán)境，倒是一種不錯(cuò)的選擇。endprint

布儒斯特角θB等于兩種介質(zhì)的折光率之比的反正切。

設(shè)θ1為入射角，θ2為折射角，n1和n2為兩種介質(zhì)的折射率。有

如果反射光和折射光垂直，則：

整理，得：

由于在演播室環(huán)境中，光線都是由空氣射到另一種介質(zhì)，多為玻璃、刷有油漆的木頭表面等?？諝獾恼凵渎始s等于1，其他大多數(shù)物質(zhì)的折射率都大于1，如水是1.333，玻璃是1.500，可知在入射角arctan（n）中的n﹥1，得到布儒斯特角在45°與90°之間。由此可得，若要使用偏振鏡去除反光，偏振鏡所處的位置須滿足以上的條件，即進(jìn)入射角在45°與90°之間時(shí)，反射光才可能為線偏振光，反射光可以被消除。而實(shí)際情況中，也只可能做到大量抑制，無(wú)法做到完全消除。

（5） 入射光、反射光與折射光的能量分配

根據(jù)能量守恒定律，反射光和折射光的能量等于入射光的能量[6]，如圖3所示。根據(jù)反射率公式，平行和垂直的兩偏振光經(jīng)過(guò)表面反射的反射率是不同的，具體見(jiàn)公式：

透射光的能量為1-r，一般不可能同反射光相同。

當(dāng)n1=1， n2=n ，滿足布儒斯角反射時(shí)，

說(shuō)明：在發(fā)生布儒斯特反射時(shí)，平行入射面的偏振光沒(méi)有反射，所以反射光中只有垂直入射面的偏振光，而且由于垂直入射面的偏振光部分被透射，此時(shí)的反射光能量小于1/2。當(dāng)n=1.5時(shí)，估算經(jīng)過(guò)表面反射的反射率為1/5，即反射光能量約為原來(lái)入射光的1/5。

（6） 演播室中的偏振光

根據(jù)之前的分析，當(dāng)光線入射角為布儒斯特角時(shí)，鏡面反射光為全偏振光。由于演播室中燈光和場(chǎng)景的構(gòu)成比較復(fù)雜，根據(jù)演播室中常見(jiàn)反光表面的材質(zhì)可以計(jì)算出鏡面反射的入射角在45°與90°之間時(shí)，反射光接近全偏振光。即偏振鏡對(duì)大角度入射時(shí)，產(chǎn)生的表面反射光可以有效抑制；但小角度入射時(shí)，只能消除小部分。

在演播室節(jié)目制作中，比較常見(jiàn)的大面積反光可以分為逆光成因和順光成因兩大類(lèi)。逆光造成的反光主要是水平表面產(chǎn)生的，如主播臺(tái)面、地面、頭發(fā)等；順光造成的反光主要是垂直表面的反光，如：眼鏡鏡片、大屏幕顯示設(shè)備等反光。

按照偏振鏡去除偏振光需滿足布儒斯特定律的條件，偏振鏡對(duì)演播室中相對(duì)于攝像機(jī)逆光所造成的偏振光有明顯的消除效果，如圖4所示。順光照射在背景大屏或者是眼鏡鏡片上產(chǎn)生的光斑，因?yàn)槿肷浣敲黠@小于45°，為非布儒斯特角，如圖5所示，只能消除物體表面的一部分反射光，效果不明顯。

通過(guò)上面的分析，可以辨別演播室中的反光是否可以用偏振鏡消除。要在實(shí)際的節(jié)目中使用并取得比較好的效果，還需根據(jù)節(jié)目形式，綜合考慮演播室攝像機(jī)色調(diào)和光圈、演播室燈光和置景要求，選擇最適合使用偏振鏡的場(chǎng)景構(gòu)圖。

3 偏振鏡在新聞演播室中的實(shí)驗(yàn)

在演播室中，筆者嘗試采用線偏振鏡后在不同攝像機(jī)光圈、不同方向光源的拍攝條件下，對(duì)拍攝效果的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表1。

3.1 偏振鏡對(duì)攝像機(jī)光圈的影響

演播室光源采用順光均勻照射標(biāo)準(zhǔn)白卡，攝像機(jī)鏡頭對(duì)準(zhǔn)白卡并使其充滿畫(huà)面。調(diào)整攝像機(jī)光圈值為f4.0時(shí)，示波器上畫(huà)面電平幅度約700 mV；安裝偏振鏡后電平值下降，增大光圈使電平幅度再度調(diào)整到700 mV，此時(shí)光圈數(shù)值顯示為f2.2。

3.2 偏振鏡對(duì)不同方向光源的影響

（1）單一逆光

在單一逆光照明下，旋轉(zhuǎn)偏振鏡得到的效果如圖6所示，可見(jiàn)桌面上的反光光斑逐漸減弱，最后基本被消除，同時(shí)人物輪廓光也被大幅抑制，如圖7所示。

（2）順光+逆光

模擬演播室的真實(shí)環(huán)境，開(kāi)啟順光和逆光，如圖8所示，調(diào)整偏振鏡的反射光強(qiáng)度，測(cè)試了兩組不同的取景，人物、桌面在DLP大屏（關(guān)閉）背景下的效果見(jiàn)圖9，人物、桌面在等離子加DLP大屏（開(kāi)啟）環(huán)境下的效果見(jiàn)圖10。

從圖9、圖10的對(duì)比可見(jiàn)，調(diào)整偏振鏡的反射光強(qiáng)度，逆光對(duì)人物輪廓光和桌面的反光有所變化，順光對(duì)人物面光及投射在DLP大屏表面所產(chǎn)生的反光并沒(méi)有明顯變化，同時(shí)背景DLP大屏和前景等離子圖像沒(méi)有受到影響。

（3）偏振鏡對(duì)不同類(lèi)型顯示器的影響

背投大屏、等離子屏、液晶屏和顯像管顯示器（CRT）等各種顯示設(shè)備在演播室中的應(yīng)用越來(lái)越多。偏振鏡是否會(huì)對(duì)它們的正常顯示造成影響呢？使用安裝偏振鏡的攝像機(jī)分別從正面拍攝DLP、PDP、LCD和CRT。在拍攝過(guò)程中旋轉(zhuǎn)偏振鏡，DLP、PDP、和CRT顯示器畫(huà)面沒(méi)有變化，而LCD在偏振鏡旋轉(zhuǎn)到某一角度時(shí)出現(xiàn)了畫(huà)面全黑的消光現(xiàn)象，這與液晶顯示器的顯示原理相關(guān)。

（4） 偏振鏡在全景機(jī)位中的使用效果

日常節(jié)目制作中，起始、結(jié)束和大屏前站播等畫(huà)面經(jīng)常會(huì)使用全景機(jī)位。在全景構(gòu)圖中，旋轉(zhuǎn)偏振鏡調(diào)整到合適的角度，可消除地面和桌面大面積的反光光斑，其他物體表面的雜光也有所減少，畫(huà)面干凈通透，但在安裝偏振鏡后的廣角端畫(huà)面邊緣有較為明顯的暗角，如圖11所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）偏振鏡使用后會(huì)損失約兩檔光圈，實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)提高演播室光照度和加大攝像機(jī)光圈進(jìn)行彌補(bǔ)。提高演播室光照度需要考慮現(xiàn)有燈光設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)，同時(shí)光照度和同一場(chǎng)景中其他顯示設(shè)備的光比是否合適。使用更大的光圈后，攝像機(jī)的景深變淺，實(shí)際畫(huà)面效果是否能接受。

（2）使用偏振鏡去除桌面的反光時(shí)，人物造型的輪廓光同時(shí)被削弱，偏光鏡還有可能過(guò)濾掉人物臉部的反光，使人物失去立體感。全景構(gòu)圖時(shí)，人物比例較小，減少了輪廓光對(duì)人物造型的影響。

（3）使用偏振鏡后，會(huì)對(duì)畫(huà)面整體的影調(diào)和色調(diào)產(chǎn)生影響 [3-4]；不同品牌的偏振鏡對(duì)圖像質(zhì)量也會(huì)有略微不同的影響，可以通過(guò)調(diào)節(jié)攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行校正。

（4）一些特殊的顯示設(shè)備避免與偏振鏡同時(shí)使用，如液晶顯示設(shè)備。

4 探索與創(chuàng)新

基于偏振鏡的原理，如果將兩片偏振鏡相疊加后，旋轉(zhuǎn)其中一片，就能阻擋一部分光線的通過(guò)，起到控制進(jìn)光量的功能，如圖12所示。

從圖12中可以看到，當(dāng)自然光（即非偏正光）透過(guò)第一片偏振鏡時(shí)，光的性質(zhì)發(fā)生了改變，變成了偏振光。當(dāng)其透過(guò)第二片偏振鏡時(shí)，其透光量就受到第二片偏振鏡的控制。當(dāng)兩片偏振鏡夾角為0°時(shí)，偏振鏡阻光效果最小；當(dāng)夾角為90°時(shí)，阻光效果最大，幾乎100%阻擋光線。此原理也就是偏振鏡對(duì)液晶屏產(chǎn)生消光現(xiàn)象的原理。

偏振鏡的這一特性正好能解決常見(jiàn)的開(kāi)放式演播室光比難以控制的問(wèn)題，特別是一些會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)、大型活動(dòng)或體育比賽現(xiàn)場(chǎng)的透明背景開(kāi)放式演播室。如果在透明玻璃墻上附上偏振膜[5]，再在攝像機(jī)鏡頭前裝上偏振鏡，就可以在不改變演播室內(nèi)光線環(huán)境的同時(shí)，單獨(dú)控制戶外光線的射入。這樣既解決了室內(nèi)外光比極大的難題，也可以輕松應(yīng)對(duì)不同時(shí)間光線變化的問(wèn)題，有效地提升了畫(huà)面效果，同時(shí)也降低了對(duì)燈光設(shè)備上的苛刻要求。但這一方案的難題在于，大面積高質(zhì)量的偏振膜的價(jià)格相對(duì)昂貴，市場(chǎng)上相對(duì)較少；同時(shí)，在安裝時(shí)或許對(duì)于每一張偏振膜的偏振角度也會(huì)要求，否者會(huì)影響實(shí)際效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，偏振鏡固然有其消除反光、雜散光，提升影像質(zhì)感和色彩飽和度的效果，但使用時(shí)會(huì)有諸多局限和不利因素需要注意。很好地運(yùn)用偏振鏡的原理，如在一些使用分鏡頭拍攝、講究畫(huà)面、注意布光的高質(zhì)量畫(huà)面中，就能較好地發(fā)揮偏振鏡的效果。在將偏振鏡應(yīng)用到演播室系統(tǒng)內(nèi)攝像機(jī)進(jìn)行直播或錄播時(shí)，需充分考慮后謹(jǐn)慎使用，以避免給畫(huà)面造成的不利影響。同時(shí)，如果利用偏振片分離技術(shù)，巧用偏振鏡消光原理控制常變化、大光比的光線環(huán)境，倒是一種不錯(cuò)的選擇。endprint

布儒斯特角θB等于兩種介質(zhì)的折光率之比的反正切。

設(shè)θ1為入射角，θ2為折射角，n1和n2為兩種介質(zhì)的折射率。有

如果反射光和折射光垂直，則：

整理，得：

由于在演播室環(huán)境中，光線都是由空氣射到另一種介質(zhì)，多為玻璃、刷有油漆的木頭表面等。空氣的折射率約等于1，其他大多數(shù)物質(zhì)的折射率都大于1，如水是1.333，玻璃是1.500，可知在入射角arctan（n）中的n﹥1，得到布儒斯特角在45°與90°之間。由此可得，若要使用偏振鏡去除反光，偏振鏡所處的位置須滿足以上的條件，即進(jìn)入射角在45°與90°之間時(shí)，反射光才可能為線偏振光，反射光可以被消除。而實(shí)際情況中，也只可能做到大量抑制，無(wú)法做到完全消除。

（5） 入射光、反射光與折射光的能量分配

根據(jù)能量守恒定律，反射光和折射光的能量等于入射光的能量[6]，如圖3所示。根據(jù)反射率公式，平行和垂直的兩偏振光經(jīng)過(guò)表面反射的反射率是不同的，具體見(jiàn)公式：

透射光的能量為1-r，一般不可能同反射光相同。

當(dāng)n1=1， n2=n ，滿足布儒斯角反射時(shí)，

說(shuō)明：在發(fā)生布儒斯特反射時(shí)，平行入射面的偏振光沒(méi)有反射，所以反射光中只有垂直入射面的偏振光，而且由于垂直入射面的偏振光部分被透射，此時(shí)的反射光能量小于1/2。當(dāng)n=1.5時(shí)，估算經(jīng)過(guò)表面反射的反射率為1/5，即反射光能量約為原來(lái)入射光的1/5。

（6） 演播室中的偏振光

根據(jù)之前的分析，當(dāng)光線入射角為布儒斯特角時(shí)，鏡面反射光為全偏振光。由于演播室中燈光和場(chǎng)景的構(gòu)成比較復(fù)雜，根據(jù)演播室中常見(jiàn)反光表面的材質(zhì)可以計(jì)算出鏡面反射的入射角在45°與90°之間時(shí)，反射光接近全偏振光。即偏振鏡對(duì)大角度入射時(shí)，產(chǎn)生的表面反射光可以有效抑制；但小角度入射時(shí)，只能消除小部分。

在演播室節(jié)目制作中，比較常見(jiàn)的大面積反光可以分為逆光成因和順光成因兩大類(lèi)。逆光造成的反光主要是水平表面產(chǎn)生的，如主播臺(tái)面、地面、頭發(fā)等；順光造成的反光主要是垂直表面的反光，如：眼鏡鏡片、大屏幕顯示設(shè)備等反光。

按照偏振鏡去除偏振光需滿足布儒斯特定律的條件，偏振鏡對(duì)演播室中相對(duì)于攝像機(jī)逆光所造成的偏振光有明顯的消除效果，如圖4所示。順光照射在背景大屏或者是眼鏡鏡片上產(chǎn)生的光斑，因?yàn)槿肷浣敲黠@小于45°，為非布儒斯特角，如圖5所示，只能消除物體表面的一部分反射光，效果不明顯。

通過(guò)上面的分析，可以辨別演播室中的反光是否可以用偏振鏡消除。要在實(shí)際的節(jié)目中使用并取得比較好的效果，還需根據(jù)節(jié)目形式，綜合考慮演播室攝像機(jī)色調(diào)和光圈、演播室燈光和置景要求，選擇最適合使用偏振鏡的場(chǎng)景構(gòu)圖。

3 偏振鏡在新聞演播室中的實(shí)驗(yàn)

在演播室中，筆者嘗試采用線偏振鏡后在不同攝像機(jī)光圈、不同方向光源的拍攝條件下，對(duì)拍攝效果的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表1。

3.1 偏振鏡對(duì)攝像機(jī)光圈的影響

演播室光源采用順光均勻照射標(biāo)準(zhǔn)白卡，攝像機(jī)鏡頭對(duì)準(zhǔn)白卡并使其充滿畫(huà)面。調(diào)整攝像機(jī)光圈值為f4.0時(shí)，示波器上畫(huà)面電平幅度約700 mV；安裝偏振鏡后電平值下降，增大光圈使電平幅度再度調(diào)整到700 mV，此時(shí)光圈數(shù)值顯示為f2.2。

3.2 偏振鏡對(duì)不同方向光源的影響

（1）單一逆光

在單一逆光照明下，旋轉(zhuǎn)偏振鏡得到的效果如圖6所示，可見(jiàn)桌面上的反光光斑逐漸減弱，最后基本被消除，同時(shí)人物輪廓光也被大幅抑制，如圖7所示。

（2）順光+逆光

模擬演播室的真實(shí)環(huán)境，開(kāi)啟順光和逆光，如圖8所示，調(diào)整偏振鏡的反射光強(qiáng)度，測(cè)試了兩組不同的取景，人物、桌面在DLP大屏（關(guān)閉）背景下的效果見(jiàn)圖9，人物、桌面在等離子加DLP大屏（開(kāi)啟）環(huán)境下的效果見(jiàn)圖10。

從圖9、圖10的對(duì)比可見(jiàn)，調(diào)整偏振鏡的反射光強(qiáng)度，逆光對(duì)人物輪廓光和桌面的反光有所變化，順光對(duì)人物面光及投射在DLP大屏表面所產(chǎn)生的反光并沒(méi)有明顯變化，同時(shí)背景DLP大屏和前景等離子圖像沒(méi)有受到影響。

（3）偏振鏡對(duì)不同類(lèi)型顯示器的影響

背投大屏、等離子屏、液晶屏和顯像管顯示器（CRT）等各種顯示設(shè)備在演播室中的應(yīng)用越來(lái)越多。偏振鏡是否會(huì)對(duì)它們的正常顯示造成影響呢？使用安裝偏振鏡的攝像機(jī)分別從正面拍攝DLP、PDP、LCD和CRT。在拍攝過(guò)程中旋轉(zhuǎn)偏振鏡，DLP、PDP、和CRT顯示器畫(huà)面沒(méi)有變化，而LCD在偏振鏡旋轉(zhuǎn)到某一角度時(shí)出現(xiàn)了畫(huà)面全黑的消光現(xiàn)象，這與液晶顯示器的顯示原理相關(guān)。

（4） 偏振鏡在全景機(jī)位中的使用效果

日常節(jié)目制作中，起始、結(jié)束和大屏前站播等畫(huà)面經(jīng)常會(huì)使用全景機(jī)位。在全景構(gòu)圖中，旋轉(zhuǎn)偏振鏡調(diào)整到合適的角度，可消除地面和桌面大面積的反光光斑，其他物體表面的雜光也有所減少，畫(huà)面干凈通透，但在安裝偏振鏡后的廣角端畫(huà)面邊緣有較為明顯的暗角，如圖11所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）偏振鏡使用后會(huì)損失約兩檔光圈，實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)提高演播室光照度和加大攝像機(jī)光圈進(jìn)行彌補(bǔ)。提高演播室光照度需要考慮現(xiàn)有燈光設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)，同時(shí)光照度和同一場(chǎng)景中其他顯示設(shè)備的光比是否合適。使用更大的光圈后，攝像機(jī)的景深變淺，實(shí)際畫(huà)面效果是否能接受。

（2）使用偏振鏡去除桌面的反光時(shí)，人物造型的輪廓光同時(shí)被削弱，偏光鏡還有可能過(guò)濾掉人物臉部的反光，使人物失去立體感。全景構(gòu)圖時(shí)，人物比例較小，減少了輪廓光對(duì)人物造型的影響。

（3）使用偏振鏡后，會(huì)對(duì)畫(huà)面整體的影調(diào)和色調(diào)產(chǎn)生影響 [3-4]；不同品牌的偏振鏡對(duì)圖像質(zhì)量也會(huì)有略微不同的影響，可以通過(guò)調(diào)節(jié)攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行校正。

（4）一些特殊的顯示設(shè)備避免與偏振鏡同時(shí)使用，如液晶顯示設(shè)備。

4 探索與創(chuàng)新

基于偏振鏡的原理，如果將兩片偏振鏡相疊加后，旋轉(zhuǎn)其中一片，就能阻擋一部分光線的通過(guò)，起到控制進(jìn)光量的功能，如圖12所示。

從圖12中可以看到，當(dāng)自然光（即非偏正光）透過(guò)第一片偏振鏡時(shí)，光的性質(zhì)發(fā)生了改變，變成了偏振光。當(dāng)其透過(guò)第二片偏振鏡時(shí)，其透光量就受到第二片偏振鏡的控制。當(dāng)兩片偏振鏡夾角為0°時(shí)，偏振鏡阻光效果最?。划?dāng)夾角為90°時(shí)，阻光效果最大，幾乎100%阻擋光線。此原理也就是偏振鏡對(duì)液晶屏產(chǎn)生消光現(xiàn)象的原理。

偏振鏡的這一特性正好能解決常見(jiàn)的開(kāi)放式演播室光比難以控制的問(wèn)題，特別是一些會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)、大型活動(dòng)或體育比賽現(xiàn)場(chǎng)的透明背景開(kāi)放式演播室。如果在透明玻璃墻上附上偏振膜[5]，再在攝像機(jī)鏡頭前裝上偏振鏡，就可以在不改變演播室內(nèi)光線環(huán)境的同時(shí)，單獨(dú)控制戶外光線的射入。這樣既解決了室內(nèi)外光比極大的難題，也可以輕松應(yīng)對(duì)不同時(shí)間光線變化的問(wèn)題，有效地提升了畫(huà)面效果，同時(shí)也降低了對(duì)燈光設(shè)備上的苛刻要求。但這一方案的難題在于，大面積高質(zhì)量的偏振膜的價(jià)格相對(duì)昂貴，市場(chǎng)上相對(duì)較少；同時(shí)，在安裝時(shí)或許對(duì)于每一張偏振膜的偏振角度也會(huì)要求，否者會(huì)影響實(shí)際效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，偏振鏡固然有其消除反光、雜散光，提升影像質(zhì)感和色彩飽和度的效果，但使用時(shí)會(huì)有諸多局限和不利因素需要注意。很好地運(yùn)用偏振鏡的原理，如在一些使用分鏡頭拍攝、講究畫(huà)面、注意布光的高質(zhì)量畫(huà)面中，就能較好地發(fā)揮偏振鏡的效果。在將偏振鏡應(yīng)用到演播室系統(tǒng)內(nèi)攝像機(jī)進(jìn)行直播或錄播時(shí)，需充分考慮后謹(jǐn)慎使用，以避免給畫(huà)面造成的不利影響。同時(shí)，如果利用偏振片分離技術(shù)，巧用偏振鏡消光原理控制常變化、大光比的光線環(huán)境，倒是一種不錯(cuò)的選擇。endprint