白平衡是什么？機器視覺基礎(chǔ)知識之白平衡的工作原理與設(shè)置

白平衡是電視攝像領(lǐng)域一個非常重要的概念，通過它可以解決色彩還原和色調(diào)處理的一系列問題。白平衡是隨著電子影像再現(xiàn)色彩真實而產(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、數(shù)碼照相機）中也廣泛地使用，雖然技術(shù)的發(fā)展使得白平衡調(diào)整變得越來越簡單容易，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)。

白平衡是什么

一、什么是白平衡

白平衡，字面上的理解是白色的平衡。那什么是白色？這就涉及到一些色彩學(xué)的知識，白色是指反射到人眼中的光線由于藍(lán)、綠、紅三種色光比例相同且具有一定的亮度所形成的視覺反應(yīng)。我們都知道白色光是由赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種色光組成的，而這七種色光又是有紅、綠、藍(lán)三原色按不同比例混合形成，當(dāng)一種光線中的三原色成分比例相同的時候，習(xí)慣上人們稱之為消色，黑、白、灰、金和銀所反射的光都是消色。通俗的理解白色是不含有色彩成份的亮度。人眼所見到的白色或其他顏色同物體本身的固有色、光源的色溫、物體的反射或透射特性、人眼的視覺感應(yīng)等諸多因素有關(guān)（請參閱《色彩學(xué)原理》），舉個簡單的例子，當(dāng)有色光照射到消色物體時，物體反射光顏色與入射光顏色相同，既紅光照射下白色物體呈紅色，兩種以上有色光同時照射到消色物體上時，物體顏色呈加色法效應(yīng)，如紅光和綠光同時照射白色物體，該物體就呈黃色。當(dāng)有色光照射到有色物體上時，物體的顏色呈減色法效應(yīng)。如黃色物體在品紅光照射下呈現(xiàn)紅色，在青色光照射下呈現(xiàn)綠色，在藍(lán)色光照射下呈現(xiàn)灰色或黑色。

在了解白平衡之前還要搞清另一個一個非常重要的概念――色溫。所謂色溫，簡而言之，就是定量地以開爾文溫度（K）來表示色彩。英國著名物理學(xué)家開爾文認(rèn)為，假定某一黑體物質(zhì)，能夠?qū)⒙湓谄渖系乃袩崃课?，而沒有損失，同時又能夠?qū)崃可傻哪芰咳恳浴肮狻钡男问结尫懦鰜淼脑挘銜蚴艿綗崃Φ母叩投兂刹煌念伾?。例如，?dāng)黑體受到的熱力相當(dāng)于500—550攝氏度時，就會變成暗紅色，達(dá)到1050－1150攝氏度時，就變成黃色，溫度繼續(xù)升高會呈現(xiàn)藍(lán)色。光源的顏色成分是與該黑體所受的熱力溫度是相對應(yīng)的，任何光線的色溫是相當(dāng)于上述黑體散發(fā)出同樣顏色時所受到的“溫度”，這個溫度就用來表示某種色光的特性以區(qū)別其它，這就是色溫。打鐵過程中，黑色的鐵在爐溫中逐漸變成紅色，這便是黑體理論的最好例子。色溫現(xiàn)象在日常生活中非常普遍，相信人們對它并不陌生。鎢絲燈所發(fā)出的光由于色溫較低表現(xiàn)為黃色調(diào)，不同的路燈也會發(fā)出不同顏色的光，天然氣的火焰是藍(lán)色的，原因是色溫較高。萬里無云的藍(lán)天的色溫約為10000K，陰天約為7000~9000K，晴天日光直射下的色溫約為6000K，日出或日落時的色溫約為2000K，燭光的色溫約為1000K。這時我們不難發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律：色溫越高，光色越偏藍(lán)；色溫越低則偏紅。某一種色光比其它色光的色溫高時，說明該色光比其它色光偏藍(lán)，反之則偏紅；同樣，當(dāng)一種色光比其它色光偏藍(lán)時說明該色光的色溫偏高，反之偏低。

由于人眼具有獨特的適應(yīng)性，使我們有的時候不能發(fā)現(xiàn)色溫的變化。比如在鎢絲燈下呆久了，并不會覺得鎢絲燈下的白紙偏紅，如果突然把日光燈改為鎢絲燈照明，就會覺查到白紙的顏色偏紅了，但這種感覺也只能夠持續(xù)一會兒。攝像機的CCD并不能像人眼那樣具有適應(yīng)性，所以如果攝像機的色彩調(diào)整同景物照明的色溫不一致就會發(fā)生偏色。那么什么是白平衡呢？白平衡就是針對不同色溫條件下，通過調(diào)整攝像機內(nèi)部的色彩電路使拍攝出來的影像抵消偏色，更接近人眼的視覺習(xí)慣。白平衡可以簡單地理解為在任意色溫條件下，攝像機鏡頭所拍攝的標(biāo)準(zhǔn)白色經(jīng)過電路的調(diào)整，使之成像后仍然為白色。這是一種經(jīng)常出現(xiàn)的情況，但不是全部，白平衡其實是通過攝像機內(nèi)部的電路調(diào)整（改變藍(lán)、綠、紅三個CCD電平的平衡關(guān)系）使反射到鏡頭里的光線都呈現(xiàn)為消色。如果以偏紅的色光來調(diào)整白平衡，那么該色光的影像就為消色，而其他色彩的景物就會偏藍(lán)（補色關(guān)系）。

二、白平衡的工作原理

白平衡是一個很抽象的概念，最通俗的理解就是讓白色所成的像依然為白色，如果白是白，那其他景物的影像就會接近人眼的色彩視覺習(xí)慣。調(diào)整白平衡的過程叫做白平衡調(diào)整，白平衡調(diào)整在前期設(shè)備上一般有三種方式：預(yù)置白平衡、手動白平衡調(diào)整和自動跟蹤白平衡調(diào)整。通常按照白平衡調(diào)整的程序，推動白平衡的調(diào)整開關(guān)，白平衡調(diào)整電路開始工作，自動完成調(diào)校工作，并記錄調(diào)校結(jié)果。如果掌握了白平衡的工作原理，那么使用起來會更加有的放矢，得心應(yīng)手。

白平衡是這樣工作的：攝像機內(nèi)部有三個ＣＣＤ電子耦合元件，他們分別感受藍(lán)色、綠色、紅色的光線，在預(yù)置情況下這三個感光電路電子放大比例是相同的，為１：１：１的關(guān)系，白平衡的調(diào)整就是根據(jù)被調(diào)校的景物改變了這種比例關(guān)系。比如被調(diào)校景物的藍(lán)、綠、紅色光的比例關(guān)系是２：１：１（藍(lán)光比例多，色溫偏高），那末白平衡調(diào)整后的比例關(guān)系為１：２：２，調(diào)整后的電路放大比例中明顯藍(lán)的比例減少，增加了綠和紅的比例，這樣被調(diào)校景物通過白平衡調(diào)整電路到所拍攝的影像，藍(lán)、綠、紅的比例才會相同。也就是說如果被調(diào)校的白色偏一點藍(lán)，那么白平衡調(diào)整就改變正常的比例關(guān)系減弱藍(lán)電路的放大，同時增加綠和紅的比例，使所成影像依然為白色。

換一個思路來考慮白平衡調(diào)整的問題，攝像機在白平衡調(diào)整容度之內(nèi)不會“拒絕”放在鏡頭前面的被調(diào)校景物，就是說鏡頭可以對著任何景物來調(diào)整白平衡。大多情況下使用白色的調(diào)白板（卡）來調(diào)整白平衡，是因為白色調(diào)白板（卡）可最有效地反映環(huán)境的色溫，其實很多時候某種環(huán)境下白板（卡）并不是白色，多多少少會偏一點藍(lán)或其它的顏色，經(jīng)驗豐富的攝像也會利用藍(lán)天來調(diào)白平衡，從而得到偏紅黃色調(diào)的畫面。搞清楚白平衡的工作原理之后，再使用的時候就會大膽地嘗試不同的效果，豐富了攝像創(chuàng)作。

三、白平衡調(diào)整

在生活中日光的色溫是不斷變化的，可以說沒有兩個地方的色溫會完全一樣，不同的地域、季節(jié)、地面環(huán)境、天氣、早晚等等都會對色溫造成影響，還有大量的人工光源，色溫也不盡相同。攝像師調(diào)整白平衡的方法大體分粗調(diào)、精細(xì)調(diào)整和自動跟蹤（ATW）三種：粗調(diào)指在預(yù)置情況下改變色溫濾光片，使色溫接近到到3200K的出廠設(shè)置；精細(xì)調(diào)整是指在色溫濾光片的配合下通過攝像機白平衡調(diào)整功能，針對特定環(huán)境色溫得到一個更為精確的調(diào)整結(jié)果；自動跟蹤是指依靠攝像機的自動跟蹤功能（ATW），攝像機自身根據(jù)畫面的色溫變化隨時調(diào)整。

預(yù)置功能是攝像機以3200K色溫條件下設(shè)置的藍(lán)、綠、紅感光平衡。當(dāng)環(huán)境色溫為3200K時，攝像機色溫濾光片放置在3200K，景物可以得到正確的色彩還原；當(dāng)環(huán)境色溫為5600K時，攝像機色溫濾光片放置在5600K，景物可以得到正確的色彩還原。當(dāng)環(huán)境色溫在3200K上下1000K和5600K上下1000K范圍內(nèi)，利用白平衡預(yù)置功能可以得到人眼可以接受的色彩還原，由于色溫偏差不大，使拍攝出的畫面呈現(xiàn)出細(xì)微的色彩變化。這有一個好處，不同的生活環(huán)境本身會由于環(huán)境色和照明差異的影響而色彩基調(diào)不同，如果到處調(diào)白會使不同的環(huán)境呈現(xiàn)單一白光照明的效果，而利用白平衡預(yù)置則可以保留這種豐富的色彩變化。

一般精細(xì)調(diào)白的方法是，在拍攝環(huán)境中以順著拍攝方向的調(diào)白板（卡）來調(diào)整白平衡。這是一種普遍的情況，還有幾種非常靈活的精細(xì)調(diào)白方法。利用一塊透過性良好的標(biāo)準(zhǔn)白板，把它置于緊貼鏡頭的前面，在拍攝環(huán)境中對著光源照明方向或?qū)χ髋臄z方向來調(diào)整白平衡，專業(yè)的攝像機會給出一個色溫讀數(shù)，比如是5000K，如果希望拍攝還原正常的畫面就以這個白平衡結(jié)果來拍攝。在攝像創(chuàng)作中，有時希望得到色彩偏差的畫面來達(dá)到創(chuàng)作目的，這時可以利用任何景物來調(diào)整白平衡，被調(diào)白景物的色溫同畫面的色彩偏差呈補色關(guān)系，既以紅色調(diào)白畫面偏向青色，以綠色調(diào)白畫面偏向品色，以蘭色調(diào)白畫面偏向黃色。白平衡自動跟蹤功能（ATW）是隨著鏡頭攝取景物的色溫變化而時實調(diào)整，如果一個推鏡頭或搖鏡頭由于被攝景物的色溫（鏡頭攝入景物的色溫同環(huán)境照明色溫是不同的）變化，會使畫面在一個鏡頭內(nèi)發(fā)生色彩變化。如鏡頭由人物全景推近臉部特寫，因為景別的變化攝入鏡頭的色溫會不同，畫面中人物的膚色也就會發(fā)生變化，所以非特殊情況不建議使用該模式。