白平衡是什么？机器视觉基础知识之白平衡的工作原理与设置

白平衡是电视摄像领域一个非常重要的概念，通过它可以解决色彩还原和色调处理的一系列问题。白平衡是随着电子影像再现色彩真实而产生的，在专业摄像领域白平衡应用的较早，现在家用电子产品（家用摄像机、数码照相机）中也广泛地使用，虽然技术的发展使得白平衡调整变得越来越简单容易，但许多使用者还不甚了解白平衡的工作原理，理解上存在诸多误区。

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？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。

        在了解白平衡之前还要搞清另一个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摄氏度时，就会变成暗红色，达到1050－1150摄氏度时，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10000K，阴天约为7000~9000K，晴天日光直射下的色温约为6000K，日出或日落时的色温约为2000K，烛光的色温约为1000K。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。

        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）。

二、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。

        白平衡是这样工作的：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。搞清楚白平衡的工作原理之后，再使用的时候就会大胆地尝试不同的效果，丰富了摄像创作。

三、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。

        预置功能是摄像机以3200K色温条件下设置的蓝、绿、红感光平衡。当环境色温为3200K时，摄像机色温滤光片放置在3200K，景物可以得到正确的色彩还原；当环境色温为5600K时，摄像机色温滤光片放置在5600K，景物可以得到正确的色彩还原。当环境色温在3200K上下1000K和5600K上下1000K范围内，利用白平衡预置功能可以得到人眼可以接受的色彩还原，由于色温偏差不大，使拍摄出的画面呈现出细微的色彩变化。这有一个好处，不同的生活环境本身会由于环境色和照明差异的影响而色彩基调不同，如果到处调白会使不同的环境呈现单一白光照明的效果，而利用白平衡预置则可以保留这种丰富的色彩变化。

        一般精细调白的方法是，在拍摄环境中以顺着拍摄方向的调白板（卡）来调整白平衡。这是一种普遍的情况，还有几种非常灵活的精细调白方法。利用一块透过性良好的标准白板，把它置于紧贴镜头的前面，在拍摄环境中对着光源照明方向或对着主拍摄方向来调整白平衡，专业的摄像机会给出一个色温读数，比如是5000K，如果希望拍摄还原正常的画面就以这个白平衡结果来拍摄。在摄像创作中，有时希望得到色彩偏差的画面来达到创作目的，这时可以利用任何景物来调整白平衡，被调白景物的色温同画面的色彩偏差呈补色关系，既以红色调白画面偏向青色，以绿色调白画面偏向品色，以兰色调白画面偏向黄色。白平衡自动跟踪功能（ATW）是随着镜头摄取景物的色温变化而时实调整，如果一个推镜头或摇镜头由于被摄景物的色温（镜头摄入景物的色温同环境照明色温是不同的）变化，会使画面在一个镜头内发生色彩变化。如镜头由人物全景推近脸部特写，因为景别的变化摄入镜头的色温会不同，画面中人物的肤色也就会发生变化，所以非特殊情况不建议使用该模式。