什么是白平衡漂移_白平衡漂移概念

白平衡，字面上的理解是白色的平衡。白平衡是描述顯示器中紅、綠、藍(lán)三基色混合生成后白色精確度的一項(xiàng)指標(biāo)。白平衡是電視攝像領(lǐng)域一個(gè)非常重要的概念，通過(guò)它可以解決色彩還原和色調(diào)處理的一系列問(wèn)題。白平衡是隨著電子影像再現(xiàn)色彩真實(shí)而產(chǎn)生的，在專業(yè)攝像領(lǐng)域白平衡應(yīng)用的較早，現(xiàn)在家用電子產(chǎn)品（家用攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)）中也廣泛地使用，然而技術(shù)的發(fā)展使得白平衡調(diào)整變得越來(lái)越簡(jiǎn)單容易，但許多使用者還不甚了解白平衡的工作原理，理解上存在諸多誤區(qū)。

它是實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)圖像能精確反映被攝物的色彩狀況，有手動(dòng)白平衡和自動(dòng)白平衡等方式。許多人在使用數(shù)碼攝像機(jī)拍攝的時(shí)候都會(huì)遇到這樣的問(wèn)題：在日光燈的房間里拍攝的影像會(huì)顯得發(fā)綠，在室內(nèi)鎢絲燈光下拍攝出來(lái)的景物就會(huì)偏黃，而在日光陰影處拍攝到的照片則莫名其妙地偏藍(lán)，其原因就在于白平衡的設(shè)置上。

白平衡是什么？怎么理解白平衡？

首先要明白什么是白平衡， 它指的是在圖像處理的過(guò)程中， 對(duì)原本材質(zhì)為白色的物體的圖像進(jìn)行色彩還原， 去除外部光源色溫的影響， 使其在照片上也顯示白色。

那色溫是怎么理解的呢？這個(gè)概念其實(shí)有點(diǎn)繞， 它是開爾文通過(guò)黑體（blackbody） 這一理想光源， 在不同溫度下， 所發(fā)出光線的顏色特性來(lái)定義的。黑體是一個(gè)理想化的概念。它是這么一個(gè)物體， 能發(fā)光， 但會(huì)吸收掉任何來(lái)自外部的光線， 同時(shí)又會(huì)把吸收的所有能量以光的形式完全釋放出來(lái)， 所以叫做黑體。黑體的溫度單叫做開爾（K）。從 3300K 到 9300K 的溫度變化情況下， 它發(fā)光的顏色分別是， 紅色， 白色、藍(lán)色。便于理解， 你可以這么想象， 火焰你肯定見過(guò)， 內(nèi)焰溫度較低， 外焰溫度較高（藍(lán)色）， 內(nèi)焰溫度較低的地方是黃色的（暖色）， 于是火焰最外面溫度最高的地方反而會(huì)是藍(lán)色的（冷色）， 是不是有點(diǎn)反常識(shí)。而色溫就是借助黑體的這個(gè)溫度變化特性來(lái)量化色彩傾向的。色溫?cái)?shù)值低， 偏黃， 色溫?cái)?shù)值高， 偏藍(lán)， 所謂的冷暖色調(diào)就是一種比較感性的叫法了。

《3300K

暖色

3300~6000K

白色

》6000K

冷色

以下是幾個(gè)常見場(chǎng)景的色溫：

燭光 1930K， 鎢絲燈 2900K， 中午陽(yáng)光 5600K， 藍(lán)天 18000K

講白平衡是如何修正之前， 有兩個(gè)很重要的理論需要知道：

灰度世界理論：這個(gè)理論蠻有意思， 與其說(shuō)是色彩學(xué)， 我覺(jué)得更像是統(tǒng)計(jì)學(xué)的范疇， 它認(rèn)為任何一幅圖像， 當(dāng)有足夠的色彩變化時(shí)， 其R， G， B分量均值會(huì)趨于平衡（即 RGB 三個(gè)數(shù)值相等， 也就是說(shuō)應(yīng)當(dāng)是黑白灰類型的顏色）。這個(gè)理論在全局白平衡中得到廣泛應(yīng)用， 特點(diǎn)是能夠利用更多的圖像信息來(lái)做判斷， 但在面對(duì)色彩較為單一的圖像時(shí)就顯得有些乏力了。

全反射理論：一幅圖像中亮度最大的點(diǎn)就是白點(diǎn)， 即假設(shè)在 YCbCr 空間中Ｙ值最大的點(diǎn)為白色， 以此來(lái)校正整幅圖像。特點(diǎn)是只考慮色彩最亮的那部分， 跟上面的灰度世界理論正好相反， 在處理色彩偏單調(diào)的圖像時(shí)效果好些， 但面對(duì)顏色豐富的圖片時(shí)， 因?yàn)樽盍恋狞c(diǎn)不一定是白色的， 可能會(huì)出現(xiàn)偏色的情況。

這兩個(gè)理論分別對(duì)應(yīng)著兩種色彩空間 RGB 和 YCbCr 調(diào)整白平衡的理論基礎(chǔ)：判斷一張圖片白平衡是否準(zhǔn)確， 如果不準(zhǔn)確， 如何量化其偏離數(shù)值。

白平衡就是一個(gè)糾正畫面整體偏色的過(guò)程， 那為什么人眼不需要呢？其實(shí)在你看到一個(gè)東西的時(shí)候， 眼睛就已經(jīng)對(duì)它進(jìn)行了色彩修正。相機(jī)肯定沒(méi)有人眼那么智能（至少現(xiàn)在沒(méi)有）， 概括的說(shuō)， 它的自動(dòng)白平衡算法就是設(shè)定一個(gè)范圍， 如果拍攝照片的色彩平均值落在這個(gè)范圍里面， 那就 OK， 說(shuō)明無(wú)需修正。如果偏離出這個(gè)范圍， 就需要調(diào)整參數(shù)， 并校正色彩數(shù)據(jù)直到其均值落入指定的范圍內(nèi)。這就是WB白平衡修正的過(guò)程。

下面就來(lái)簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)白平衡算法大致原理， 但具體的增益計(jì)算和數(shù)學(xué)建模過(guò)程就不作贅述了， 這東西正常人看了都會(huì)頭大的。

1. 灰度世界算法（Gray World Assumption）

這個(gè)算法原理很簡(jiǎn)單， 就是根據(jù)前面所說(shuō)的灰度世界理論， 將原始圖像的RGB均值分別調(diào)整到R=G=B即可。不完美的地方就是這個(gè)算法對(duì)顏色不豐富的圖像敏感程度一般， 處理起來(lái)效果也就不會(huì)很理想， 局限性較大。

2. 標(biāo)準(zhǔn)差加權(quán)灰度世界算法（Standard DeviationWeighted Gray World Assumption）

標(biāo)準(zhǔn)差加權(quán)灰度世界算法是針對(duì)上一個(gè)算法的改進(jìn)， 它的原理是把圖像等分成幾塊， 然后對(duì)每個(gè)塊利用統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行分析， 看里面顏色的豐富程度， 顏色多的就加權(quán)， 顏色少得就減少權(quán)重， 最后求和得出一個(gè)均值。根據(jù)這個(gè)相對(duì)精確的數(shù)值來(lái)進(jìn)行RGB數(shù)值的修正。

3. 全反射算法（Perfect Reflector Assumpution）

這個(gè)是基于前面介紹的全反射理論生成的算法， 理解起來(lái)也不難， 它認(rèn)為中最亮的那個(gè)點(diǎn)就一定是白色的， 如果原始圖像中最亮的那個(gè)點(diǎn)不是， 那就針對(duì)偏離白色的數(shù)值進(jìn)行逆向修正。缺點(diǎn)就是如果圖像色彩復(fù)雜或者就是沒(méi)有高光點(diǎn)， 它的修正效果就會(huì)比較乏力。

上面三個(gè)算法比較簡(jiǎn)單， 運(yùn)算量不大， 但各有優(yōu)缺點(diǎn)， 也就進(jìn)一步衍生出了更加有效但是卻要復(fù)雜的多一些混合算法， 例如：亮度加權(quán)灰度世界算法與全反射算法的正交組合算法（QuadraticCombining Luminance Weighted Gray World & Prefect Reflector Assumption）。看這么長(zhǎng)的名字就知道， 這個(gè)算法很復(fù)雜， 白平衡修正效果也是蠻不錯(cuò)的， 而且它本身是收斂的， 在對(duì)圖像處理的時(shí)候不會(huì)帶來(lái)太多損失， 但可惜運(yùn)算量巨大， 對(duì)硬件資源的要求過(guò)高。

算法方面挺枯燥的， 非理工科對(duì)數(shù)學(xué)沒(méi)興趣的也可以直接略過(guò)， 大體知道這么回事兒就行。但我可以給出的結(jié)論是：最終效果越好的算法， 其復(fù)雜程度就越高， 運(yùn)算量就越大， 對(duì)硬件電路的要求也高。具體的實(shí)現(xiàn)還需要在白平衡校正能力， 算法執(zhí)行效率， 處理器硬件性能三個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡。

而通過(guò)上面的了解你就會(huì)發(fā)現(xiàn)， 如果ISP圖像處理器的性能夠高， 白平衡算法施展的空間就會(huì)大了很多。某些時(shí)候白平衡不準(zhǔn)確， 一定程度上確實(shí)是與ISP性能跟不上有關(guān)， 當(dāng)然， 這里也要看各家廠商在算法優(yōu)化方面的功底。一般來(lái)說(shuō)同一代各個(gè)品牌的旗艦處理性能差別不會(huì)特別大， 雖然軟件方面下的功夫不容易看到， 但重要性確實(shí)毋庸置疑的， 能否把硬件整體性能充分發(fā)揮出來(lái)才是關(guān)鍵。

舉例來(lái)說(shuō)， 在單反剛剛數(shù)碼化的那個(gè)年代， 相機(jī)的圖像處理器性能比較低下， 難以承受高運(yùn)算強(qiáng)度的白平衡算法的蹂躪， 于是很多單反相機(jī)（如佳能1D， 尼康D2， 奧林巴斯E-1等） 機(jī)身上是有一個(gè)白平衡感應(yīng)裝置的（就是機(jī)身正面的那個(gè)小白點(diǎn)）， 這個(gè)可以輔助提高白平衡準(zhǔn)確度。到后來(lái)隨著相機(jī)圖像處理器的性能飆升， 大概是從富士通給尼康代工的Expeed一代處理器開始， 就取消了外置白平衡感應(yīng)器這個(gè)裝置。通過(guò)越來(lái)越多的RGB測(cè)光分區(qū)數(shù)， 配合越發(fā)強(qiáng)大的處理器來(lái)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的色溫修正。這里多說(shuō)兩句， 分區(qū)越多， 白平衡采樣處理就越準(zhǔn)確， 但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)計(jì)算量上面的飆升， 從最初的只有幾個(gè)分區(qū)， 到 D800 上面用的 9.1 萬(wàn)像素 RGB 感應(yīng)器， 在同時(shí)完成測(cè)光和白平衡計(jì)算的同時(shí)， 甚至還能夠余出力氣進(jìn)行人臉識(shí)別， 背后那塊改用了 ARM 架構(gòu) Expeed 3 才是最大的功臣。而像 DC 啊， 手機(jī)攝像頭啊這類連續(xù)取景的相機(jī)， 則是用前一幀圖像的處理結(jié)果應(yīng)用到后面的圖像上去的， 實(shí)現(xiàn)方式同單反上面那個(gè)單獨(dú)的測(cè)光感應(yīng)器還不太一樣的。這是產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)差異性導(dǎo)致的。

下圖這組圖片中就是在設(shè)置不同的白平衡下拍攝的：

白平衡漂移

相機(jī)的設(shè)置菜單中有白平衡漂移/包圍一欄，以前也沒(méi)有用過(guò)，這次討教以后知道可以根據(jù)場(chǎng)景與需要加以控制。遂在家中做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)拍攝對(duì)象是掛在墻上的一幅小品，光線是窗外的散射光。分別將白平衡漂移點(diǎn)放在中央、四個(gè)邊上（離邊緣差一個(gè)點(diǎn)）、以及四個(gè)角上，得到9幅圖像如下：

用photoshop中的Camera RAW檢查每幅圖像，發(fā)現(xiàn)每個(gè)圖像的色溫和色調(diào)都不一樣，具體為

中央：5150，+14

左側(cè)：4450，+14

右側(cè)：6200，+11

上側(cè)；5100，-20

下側(cè)：5150，+46

左上：4250，-16

左下：4450，+43

右上：6200，-27

右下：6100，+48

所以可以斷定，其實(shí)改變白平衡漂移，就是人為改變色溫與色調(diào)。為了證實(shí)這一點(diǎn)，又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將白平衡漂移點(diǎn)在中央（即無(wú)漂移）的圖像，在Camera RAW中改變其色溫與色調(diào)，改變后的值與漂移的圖像的值一致，結(jié)果是改變后的圖像與設(shè)置白平衡漂移得到的圖像幾乎完全一樣：

由此可見，改變白平衡漂移，可以在拍攝前期得到需要的色彩效果。