也谈色温与白平衡(chinomango)

在问题的探讨前,我们要先定义几个术语：黑白(black & white)、灰阶(grey scale)、彩色(color)和单色（Monochromatic）。黑白非黑即白，灰阶包括由黑至灰至白的变化。RGB我们称为三基色，按一定比例混合可以呈现各种色彩和灰阶。各种色彩和灰阶都是光的传播接收所致，而光是一种电磁波，可以用波长和强度来区分。单色是指波长单一的光（实际上各色光的波长均有一定范围，互相之间有少许覆盖）。

黑体定义为能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何反射与透射的物体。黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关，因此各种色彩和灰度也都可以用黑体的表面温度(开尔文，K)来区分。将黑体加热并测量它的表面温度即为色温。光源的色温就是光源与热黑体辐射体的色彩相匹配时的黑体表面温度。

http://www_techmind_org/colour/coltemp.html
http://www_intl-lighttech_com/services/light-measurement-handbook

图像的摄录和重放(包括运动和静止图像，硬拷贝或显示观看)的过程涉及多级处理(色彩和灰度的获取，存储，变换和输出)，保证色彩不失真的手段叫做白平衡(White Balance)，就是说白色还得是白色不能加彩。黑色好办，没光或让信号截止。黑白搞定，中间的灰色就由系统的线性保证。图像的摄录和重放涉及多个系统/模块时，各系统均为线性的，独立校正互不干涉。

那么什么是白色？还得由色温来定义。不同产品和厂家的定义不同，5500~6500K居多。闪光灯用5500K，实际上是有点偏暖（黄）偏人的肤色。电视机有用6500K甚至更高的。

白平衡

彩色图像的处理都离不开三基色，即RGB信号。不失一般性，假设用RGB888,三基色各用8个二进制位表示，值域0~255。RGB等值时(n,n,n)应为灰阶，RGB按一定比例（与发光体和人眼特性有关）混合，等值时混合输出应是白色。混合的比例对指定系统是不变的，调整各通道的增益使输出为指定的色温。

特别的，显示输出系统的调整，是在模拟输入(n,n,n)下调整三通道的增益使输出为指定色温。照/摄像机则是在用标准光源拍摄标准色/灰板时，调整三通道的增益使RGB输出为中性灰值。值n因产品或彩色空间而异，取(128，128，128)是恰当的。

我们看到的不透明物体上的颜色，是它们反射的颜色。如果用单色（Monochromatic）红光（如LED）照射一个单色绿物体，该物体只反射绿色光，我们看到的将是黑色。现实情况下绿色物体仍然反射其它光谱，我们看到的色彩只是比用白光照射时要黑暗。

因此，环境光对色彩是有影响的。照/摄像时，如果用了一般色温是3000K的日光灯，在此灯下的一张白纸的某像素在像机传感器输出可能是（129，101，100），表明偏红且照度不足。如果用此值作为手动白平衡的基准，传感器输出全部加权（128/129，128/101，128/100），以上白纸输出就校正为（128，128，128），在显示器上就是中灰色。打印纸有点偏色，用标准灰板校正较好。如果像机也用灰板做亮度校正，白纸在显示器上就是白色了。

用像机的自动白平衡时，它会寻找画面的中灰用做白平衡基准。如果在上述灯照下背景恰好是灯的补色，背景在此灯下变为灰色(RGB值很接近)，像机就会认为光源是日光，白纸在显示器上就会偏色。这时如改变像机白平衡的设置（如日光灯）会有改善。或者，假设你用PS打开的文件是NIKON RAW，用吸管选取白纸区域内的一点做白平衡基准，可以校正得更好。只要你知道画面内有灰白点，就可以用它来校正白平衡。有人用手背，那只能用于黑白照片或灰度调整。如果画面内有标准灰，比如柯达胶片盒盖在一个不起眼的角落，不但可以校正白平衡，还可以用来调整画面的曝光（使该点的RGB值是中性灰）。

画面内不同点的色温可能是不同的。比如大太阳下和树下的阴影里。既便你用了日光灯白平衡在日光灯下拍摄还可能偏色，既便你用了灰板做基准主体还可能偏色，这些都是由于色温的变化。你的日光灯照环境可能与厂家的标准光源不同，你的灰板处的色温与主体不同；机器不一定有问题。但是，灰板或白纸校正在大部分场合都足够好了。

校正是乘一个因子而非加，因为加会改变黑电平。乘法假设了变化是成比例的，现实世界中不一定如此，因此软件允许你用曲线校色。最常见的曲线校正就是咖玛(Gamma)校正，它最早用来补偿CRT输出的非线性失真，不影响白平衡。校色或其它调整是为了片子好看，不一定是重现自然。例如曲线校色可以突出某光照范围内的细节。

前面说过灰板可以用来调整画面的曝光(亮度和对比度)，对比度的调整相当于乘法，亮度的调整相当于加法；它们的调整应当使全部灰阶(可观看直方图)都能显现，而且黑白分明(特别强调黑色)。

在家里拍照时，光照往往不足。办法之一是用多个同厂同瓦数的(省电)灯，拍照时校正白平衡。省电灯和日光灯都有5500K即白光的产品但不多见。

太阳光的色温由于瑞利散射（Rayleigh scattering）一直在变化，正午时是白光，像机白平衡通常无须校正。

瑞利散射是指半径比光的波长小很多的微粒对入射光的散射，瑞利散射光的强度和入射光波长λ的4次方成反比，也就是说，波长较短的蓝光比波长较长的红光更易散射。

正午太阳在我们的头顶，蓝光的散射布满整个天空使其呈现青蓝色，但是看太阳本身时你看到的是白光(所谓※※※※)，因为你看到的是直射光而不是散射光。太阳附近你看到一些波长较长的红黄色光，因为蓝绿色光有些被散射了。

日落或日出时，太阳几乎在我们视线的正前方，阳光在大气中要走相对很长的路程，你所看到的直射光中的蓝光大部分都被散射了，只剩下穿透性比较强的红橙色光；而天空的其它地方由于光线很弱，呈昏暗的蓝黑色。

中性灰值

Ansel Adams在1941年发明了灰区(Zone),共11区，居中的V区反射率约18%。此系统为印刷业广泛接受并由柯达沿用至今。但是ANSI对于测光表的规定是用直射约12.5%灰度进行校准，Bob Shell为此改写了柯达18%灰板的使用说明。12.5%接近灰阶图的※※(12.5%/8=1.6%，12.5%*8=100%)。即便是尼康公司内部，对于中性灰值也是众说纷纭。

从色彩校正的角度看，较大的值单位的变化率较小调整较细致。从曝光的角度看，胶片和印刷业可取18%为基准，而数码像片可以沿用上面曝光(亮度和对比度)的调整办法。

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