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2015
11-23

深入理解白平衡,自定义白平衡原理

 白平衡  NOTE:Mainly to see the colored fonts! 英文名称     White Balance  白平衡是描述显示器中红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色混合生成后白色精确度的一项指标。

一、什么是白平衡

白平衡没有缺陷的显示器,在改变色彩及亮度时不会影响白色纯净度,也就是说不会出现偏色,更不会有其它的杂色掺杂其中,因为对于一台高档大屏幕专用显示器而言,哪怕是很微小的“偏色”都会影响画面的色彩质量。  白平衡的应用  许多人在使用数码摄像机拍摄的时候都会遇到这样的问题:在日光灯的房间里拍摄的影像会显得发绿,在室内钨丝灯光下拍摄出来的景物就会偏黄,而在日光阴影处拍摄到的照片则莫名其妙地偏蓝,其原因就在于“白平衡”的设置上  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?这就涉及到一些色彩学的知识,白色是指反射到人眼中的光线由于蓝、绿、红三种色光比例相同且具有一定的亮度所形成的视觉反应。我们都知道白色光是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光组成的,而这七种色光又是有红、绿、蓝三原色按不同比例混合形成,当一种光线中的三原色成分比例相同的时候,习惯上人们称之为消色,黑、白、灰、金和银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。人眼所见到的白色或其他颜色同物体本身的固有色、  光源的色温、物体的反射或透射特性、人眼的视觉感应等诸多因素有关(请参阅《色彩学原理》),举个简单的例子,当有色光照射到消色物体时,物体反射光颜色与入射光颜色相同,既红光照射下白色物体呈红色,两种以上有色光同时照射到消色物体上时,物体颜色呈加色法效应,如红光和绿光同时照射白色物体,该物体就呈黄色。当有色光照射到有色物体上时,物体的颜色呈减色法效应。如黄色物体在品红光照射下呈现红色,在青色光照射下呈现绿色,在蓝色光照射下呈现灰色或黑色  色温    

在了解白平衡之前还要搞清另一个非常重要的概念-色温。所谓色温,简而言之,就是定量地以开尔文温度(K)来表示色彩。英国著名物理学家开尔文认为,假定某一黑体物质,能够将落在其上的所有热量吸收,而没有损失,同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话,它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。例如,当黑体受到的热力相当于500—550℃时,就会变成暗红色,达到1050-1150℃时,就变成黄色,温度继续升高会呈现蓝色。光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度是相对应的,任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温度”,这个温度就用来表示某种色光的特性以区别其它,这就是色温。打铁过程中,黑色的铁在炉温中逐渐变成红色,这便是黑体理论的最好例子。色温现象在日常生活中非常普遍,相信人们对它并不陌生。钨丝灯所发出的光由于色温较低表现为黄色调,不同的路灯也会发出不同颜色的光,天然气的火焰是蓝色的,原因是色温较高。万里无云的蓝天的色温约为10000 K,阴天约为7000~9000 K,晴天日光直射下的色温约为6000 K,日出或日落时的色温约为2000 K,烛光的色温约为1000 K。这时我们不难发现一个规律:色温越高,光色越偏蓝;色温越低则偏红。某一种色光比其它色光的色温高时,说明该色光比其它色光偏蓝,反之则偏红;同样,当一种色光比其它色光偏蓝时说明该色光的色温偏高,反之偏低。  

人眼具有独特的适应性  由于人眼具有独特的适应性,使我们有的时候不能发现色温的变化。比如在钨丝灯下呆久了,并不会觉得钨丝灯下的白纸偏红,如果突然把日光灯改为钨丝灯照明,就会觉查到白纸的颜色偏红了,但这种感觉也只能够持续一会儿。摄像机的CCD并不能像人眼那样具有适应性,所以如果摄像机的色彩调整同景物照明的色温不一致就会发生偏色。

那么什么是白平衡呢?白平衡就是针对不同色温条件下,通过调整摄像机内部的色彩电路使拍摄出来的影像抵消偏色,更接近人眼的视觉习惯。白平衡可以简单地理解为在任意色温条件下,摄像机镜头所拍摄的标准白色经过电路的调整,使之成像后仍然为白色。这是一种经常出现的情况,但不是全部,白平衡其实是通过摄像机内部的电路调整(改变蓝、绿、红三个CCD电平的平衡关系)使反射到镜头里的光线都呈现为消色。如果以偏红的色光来调整白平衡,那么该色光的影像就为消色,而其他色彩的景物就会偏蓝(补色关系)。  白平衡的工作原理  白平衡是一个很抽象的概念,最通俗的理解就是让白色所成的像依然为白色,如果白是白,那其他景物的影像就会接近人眼的色彩视觉习惯。调整白平衡的过程叫做白平衡调整,白平衡调整在前期设备上一般有三种方式:预置白平衡、手动白平衡调整和自动跟踪白平衡调整。通常按照白平衡调整的程序,推动白平衡的调整开关,白平衡调整电路开始工作,自动完成调校工作,并记录调校结果。如果掌握了白平衡的工作原理,那么使用起来会更加有的放矢,得心应手。

二、理解白平衡

1、感性理解

有人认为,自定义白平衡最准,其实这要看所用光源了。你若在马路钠光灯下用白纸自定义那就会失误,因为橙黄色的钠光灯被你自 定义变成了白色,其它物体的颜色肯定会变成鬼蓝魔绿色!而相机的自动白平衡是以“点测白光”工作的,而且具有取白点中RGB三色 参数最接近的那个白点为平衡依据的智能色温表,即使环境中混合色光成份很复杂,但多点区域内“点检测”捕捉白点的功能是传统 价格昂贵的专业“泛色温”(平均模糊法)测量表所根本做不到的。需要说明的是,传统色温表或者用白平衡滤镜,以及白纸灰板的自 定义测量,它们只对单一相对固定的光源色温起作用,比如阴天、阳光天的某一时段,影室固定灯光、闪光灯等,在混合光下用白板 定义肯定完败!

2.工作原理

白平衡是怎样工作的 

摄像机内部有三个CCD电子耦合元件,他们分别感受蓝色、绿色、红色的光线,在预置情况下这三个感光电路电子放大比例是相同的,为1:1:1的关系,白平衡的调整就是根据被调校的景物改变了这种比例关系。比如被调校景物的蓝、绿、红色光的比例关系是2:1:1(蓝光比例多,色温偏高),那末白平衡调整后的比例关系为1:2:2,调整后的电路放大比例中明显蓝的比例减少,增加了绿和红的比例,这样被调校景物通过白平衡调整电路到所拍摄的影像,蓝、绿、红的比例才会相同。也就是说如果被调校的白色偏一点蓝,那么白平衡调整就改变正常的比例关系减弱蓝电路的放大,同时增加绿和红的比例,使所成影像依然为白色。    换一个思路来考虑白平衡调整的问题,摄像机在白平衡调整容度之内不会“拒绝”放在镜头前面的被调校景物,就是说镜头可以对着任何景物来调整白平衡。大多情况下使用白色的调白板(卡)来调整白平衡,是因为白色调白板(卡)可最有效地反映环境的色温,其实很多时候某种环境下白板(卡)并不是白色,多多少少会偏一点蓝或其它的颜色,经验丰富的摄像也会利用蓝天来调白平衡,从而得到偏红黄色调的画面。  白平衡调整  在生活中日光的色温是不断变化的,可以说没有两个地方的色温会完全一样,不同的地域、季节、地面环境、天气、早晚等等都会对色温造成影响,还有大量的人工光源,色温也不尽相同。摄像师调整白平衡的方法大体分粗调、精细调整和自动跟踪(ATW)三种:粗调指在预置情况下改变色温滤光片,使色温接近到到3200K的出厂设置;精细调整是指在色温滤光片的配合下通过摄像机白平衡调整功能,针对特定环境色温得到一个更为精确的调整结果;自动跟踪是指依靠摄像机的自动跟踪功能(ATW),摄像机自身根据画面的色温变化随时调整。 

3、进一步理解白平衡

对于白平衡,可能很多人跟我有过同样的误区,对白平衡定义最多的一句话 就是“白平衡就是把白还原成白”,其实这句话本没有错,但是它很容易把 人引入一个误区,就是白平衡就是完全按照白色去定义,其实白平衡更准确 的说应该是色彩平衡,或者说是消色平衡,所谓消色,指的就是黑白灰,那 么色彩平衡指的又是什么呢?相机中的每一个点(像素)的颜色都是由三种 原色控制的,即红绿蓝,在这一点上如果红色偏多,那表现出来的色彩就会 偏红,同理,如果绿色多就偏绿,蓝色多就偏蓝,如果红绿同时多就显示出 红绿的混合色——黄色,所有相机中的斑斓色彩都是由红绿蓝这三种颜色相 互作用最终显示出来的,

如下图的色环所示,任何两种颜色混合,表现出来 的就是他们之间短弧所夹的那种颜色,正对的颜色混合,则色彩消失,为白 色。 相机中把每一点的色彩亮度划分了一个范围,从0到255,亮度反应的其实就是这一点反射的光线的强度,光线完全不反射,数值为0,光线完全被反射,数值为255,如果某一点的红色亮度为0,则这一点上,没有红色光线被反射,红色被完全吸收,红色完全消失,相应的表现出来的是蓝绿的混合色,同理,如果绿色为0,则绿色消失,蓝色为0,则蓝色消失,如果某一点,红绿都为0,蓝色不为0,则表现出来的色彩是纯蓝色,如果某一点的红绿蓝值相同,那三种颜色相互抵消,色彩也就随之消失了,表现出来的就是消色,如果某一点红绿蓝都为0,那这一点的颜色就是纯黑色,因为没有任何光线被反射,光线全被吸收,如果某一点的红绿蓝都为255,那这一点表现的颜色就是白色,因为所有的光线都被反射了出来,而我们知道所有的颜色完全反射出来的色彩就是白色,如果某一点的红绿蓝的数值都是50,那这一点表现出来的色彩就是浅灰色,如果数值是200,那就是深灰色,所以摄影上,灰色有着很长的一个跨度,而白色和黑色,只有一个,如下图,所谓的消色,即红绿蓝三色的比例关系为1:1:1,即色彩消失了。

提到白平衡还要接触的一个概念就是色温,所谓色温就是用开氏温度表示色彩,色温越高,色彩越偏蓝色,色温越低,色彩越偏红色,反之亦然,光线偏蓝色,表明色温偏高,光线偏红色,表明色温偏低,如果环境光为纯蓝色光,那么光线照到白色物体上,因为白色物体不吸收任何光线,会全部反射照到它上面的光线,那么这种情况下,白色物体就会反射出蓝色光线,相应的它的颜色就已经是蓝色的了,只是人脑存在意识,我们知道那个物体是白色的,虽然蓝色光线照在它上面,但我们依然知道它是白色的,但是相机跟人眼不一样,相机不知道物体本来的颜色是什么,相机只是忠实的记录物体反射出来的颜色,相应的拍出来的物体就是蓝色的了,这样色彩就出现了偏差,为了平衡这个偏差,相机设置了白平衡这一功能,把色彩还原到本来的样子,比如上面的蓝色光,因为蓝光是被百分之百的反射的,所以蓝光的亮度值为255,为了平衡色彩,抵消掉蓝色,就需要把红色和绿色的比例提高,将红色和绿色都提高到255,这样三色都为255,混合后即为白色,这样就把白还原成了白,同理也可以把灰还原成灰,白平衡其实就是让消色的物体回到消色的状态,抵消色彩偏差,所以设定白平衡其实并不是在设置白色,而是在设置红绿蓝三色的比例,让这三色比例恢复到1:1:1的状态,这样,拍出的照片色彩就还原为真实的色彩了.

灰的拍成白的,深红拍成浅红,那只是亮度的问题,跟白平衡无关,前面我已经解释过了,白平衡只是色彩的比例,并不涉及亮度,下面就分别是灰板灰面和白面的分别自定义的片子,几乎没有差别,只是由于实验条件不是十分严格,略有不同。

用灰板灰面作为自定义白平衡拍的片子,灰面为参照物

用灰板白面作为自定义白平衡拍的片子,灰面为参照物

下面是用灰板的灰面自定义白平衡后的片子,白面作为参考,拍摄条件和参数都是一样的


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