• paper 107:图像的白平衡


    所谓白平衡(White Balance):指在图像处理的过程中,对原本材质为白色的物体的图像进行色彩还原,去除外部光源色温的影响,使其在照片上也显示白色。也就是不管在任何光源下,都能将白色物体还原为白色。

         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,而这七种色光又是由红、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。

    那么,什么是色温呢?

    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。从3300K~9300K的温度变化下,它所发出的光线的颜色分别是红色,白色,蓝色。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(2900K)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。正午阳光直射下的色温约为5600 K,阴天更接近室内色温3200K。日出或日落时的色温约为2000K,烛光的色温约为1930K。蓝天(18000K),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。所谓的冷暖色调,只是一种感性的叫法。

    < 3300K 暖色 3300~6000K 白色  >6000K 冷色。

    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。

    而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。因为摄像头没有人眼那么智能(人眼在看到物体的时候,自动做色彩矫正),所以相机设定了一个范围,如果拍摄到的照片色彩平均值落在该设定范围内,则无需修正,如果偏离出该范围,则需要调整参数让其落在该范围内。这就是WB白平衡修正过程。

         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),那么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。也就是说,对在特定光源下拍摄时出现的偏色现象,通过加强对应的补色来进行补偿。各种白平衡下的照片所产生的偏色显示出补偿时的补色。使用胶片相机时,为了对这些偏色进行补偿,拍摄时要用各种彩色滤镜。数码相机的基本原理与其类似,白平衡功能就相当于彩色滤镜。但在彩色滤镜中并没有类似自动白平衡的滤镜,在这一点上两者有很大区别。一般使用时选择自动白平衡(AWB)就足够了,但在特定条件下如果色调不理想,可以选择使用其他的各种白平衡选项。
          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。

        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。

         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。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。

    那么如何修正白平衡呢?,首先 有两个很重要的理论需要知道:
    灰度世界理论:认为任何一幅图像, 当有足够的色彩变化时, 其R, G, B分量均值会趋于平衡(即 RGB三个数值相等, 也就是说应当是黑白灰类型的颜色)。这个理论在全局白平衡中得到⼴泛应用, 特点是能够利用更多的图像信息来做判断, 但在面对⾊色彩较为单一的图像时就显得有些乏力了。
    全反射理论:一幅图像中亮度最大的点就是白点, 即假设在 YCbCr 空间中Y值最⼤的点为白色, 以此来校正整幅图像。特点是只考虑色彩最亮的那部分, 跟上面的灰度世界理论正好相反, 在处理色彩偏单调的图像时效果好些, 但面对颜色丰富的图片时,因为最亮的点不一定是⽩色的, 可能会出现偏色的情况。
    这两个理论分别对应着两种色彩空间 RGB 和 YCbCr 调整白平衡的理论基础:判断一张图片白平衡是否准确, 如果不准确, 如何量化其偏离数值。
    几种白平衡算法:
    1.灰度世界算法:
    根据灰度世界理论,将原始图的RGB均值分别调整到R= G = B即可。不完美的地方就是这个算法对颜色不丰富的图像敏感程度一般,处理起来效果也就不会很理想,局限性很大。
    2.标准差加权灰度世界算法:
    该算法是针对上面算法的改进,它的原理是把图像等分成几块,然后对每块利用统计学进行分析,看里面颜色的丰富程度,颜色多的加权,颜色少的就减少权重,最后求和得到一个均值,根据这个相对精确的数值来进行RGB数值的修正。
    3.全反射算法:
    该算法认为最亮的那个点就是白色,如果不是,就针对偏离白色的数值进行逆向修正。缺点是没有高亮点或者图像色彩复杂,它的修正效果就会比较乏力。
    还有:亮度加权灰度世界算法与全反射算法的正交组合算法,该算法效果不错,但运算量巨大。不过它本身是收敛的,不会对图像造成损失。
    以上算法,见《白平衡修正算法》。
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