【ISP】色温
1.黑体
任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质。辐射出去的电磁波在各个频率上是功率不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(blackbody)，以此作为热辐射研究的标准物体。理想黑体能够完全吸收任何频率、以任何角度入射到它表面的电磁波，并将吸收的辐射能以热能的形式向外辐射，其热辐射的光谱特征仅与该黑体的温度有关，与黑体的材质无关。
基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff law)指出，处于热平衡状态的物体对外辐射的功率与吸收辐射功率之比与物体本身物性无关，只与波长和温度有关。根据基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大的物体，可以叫作完全辐射体。例如太阳为气体星球，可以认为射向太阳的电磁辐射很难被反射回来，所以认为太阳是一个黑体。理论上黑体会放射频谱上所有波长之电磁波。
自然界中显然不存在真正的理想黑体，但是很多物体可以作为较好的近似黑体，如下图所示。
2.黑体辐射公式
正确的黑体辐射公式是由德国物理学家普朗克(Planck)于1900年导出的，其基础是维恩位移定律(Wien displacement law)和斯忒潘-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)。
由图中可以看出：
- 在一定温度下，黑体的谱辐射亮度存在一个极值λm，这个极值的位置与温度有关， 由维恩位移定律给出，即 λm=b/T，b=2898(μm·K)。
- 当黑体温度逐渐升高时，黑体的谱辐射亮度的极值位置向短波（蓝光）方向移动，反之向长波（红光）方向移动。
- 在任一波长处,高温黑体的谱辐射亮度绝对大于低温黑体的谱辐射亮度，不论这个波长是否是光谱最大辐射亮度处。
如果把E(λ，T)对所有的波长积分，同时也对各个辐射方向积分，那么可得到黑体的总辐射功率公式，即斯特番—波耳兹曼定律，
E(T)= δT^4 (W/m2)
其中 δ=5.67×10^-8 W/m^2·K^4，为斯忒潘-玻尔兹曼常数。
下图是太阳的全波段辐射谱，可以看到太阳表面的辐射谱与5500K的理想黑体辐射谱几乎完全一致，因此太阳可以认为是一个比较理想的黑体。
3.色温
色温是衡量光源光色的一种尺度，单位是开尔文。英国物理学家开尔文提出，假设一个理想黑体，能够将落在其上的所有辐射能量吸收而没有损失，同时又能够将因吸收辐射而增加的能量全部以光的形式释放出来，它便会因吸收辐射能量的高低而呈现不同的颜色。如果某光线的颜色与黑体在温度T时所发出的光的光谱相同，则定义该光线的色温是T。
色温在天体物理学上有着非常重要的作用，物理学家们很早就发现不同的恒星具有不同的颜色，而颜色取决于该恒星的表面温度，如下图所示。
因此，天体物理学根据恒星的色温和相对光度对恒星进行分类，将天体分为主序星、 巨星、超巨星、白矮星等。如下图所示。
下图给出了日常生活中几种常见光源的典型色温和对应的色调。
4.光源和色温
根据ISO3664:2000的规定，色温是5000K的D50光源是用来观察颜色的标准光源，该光源略偏暖色调。从下图的黑体辐射谱中可以看到，5000K时光谱中的红光强度比蓝光稍大，这是D50偏暖的主要原因。
另外一些常用的光源和色温有，
- D65光源是一种色温为6500K略偏冷色调的人工光源，在欧洲已经逐步被D50光源取代，在中国仍然广泛使用。
- D75光源是一种色温为7500K偏冷色调的光源，模拟北方平均太阳光。
- CWF光源是一种色温为4200K的冷白光源，为美国商店的标准光源，英文全称是Cool White Fluorescent
- TL84光源是一种色温为4000K的白光源，为欧洲、日本、中国商店的标准光源
- TL83光源是一种色温为3000K的暖白光源， 欧洲商店用的标准暖白光源(WarmWhite)
- U30光源是一种色温为3000K的暖光源， 为美国商店用的暖白光源(WarmWhite)，是一种白帜灯
- U35光源是一种色温为3500K的暖光源， 美国零售商Target指定对色灯管
- A光源一种色温为2856K的暖光源， 美式厨窗射灯白帜灯
- F光源是一种色温为2700K的的暖光源，用于家庭和酒店
- Horizon光源是一种色温为2300K的的暖光源，模拟日出日落时的太阳光
下图是日光、白炽灯、荧光灯、卤素灯、冷白LED灯、荧光灯泡等几种常见光源的可见光辐射谱。可以看到在所有常见光源中，只有太阳的谱线最丰富，在可见光波段的功率分布也最平坦，因此日光是用来观察颜色的最好光源，其显色指数被定义为1。
值得注意的是冷白LED光源在蓝光处有一个辐射峰明显高于其它谱线，这是导致该光源色调偏冷的原因。
5.白光与白色
白光的定义是无色的光，它包含了可见光光谱中的所有波长并且辐射强度均等，如下图所示。
当一个物体的表面发射或者反射白光时，该物体在人眼看来就是白色的。当一个物体的表面不发射或反射任何光线时，该物体在人眼看来就是黑色的。
把白色与黑色之间按对数关系分成若干级，称为“灰度等级”。范围一般从0到255，黑色为0，白色为255，或者从0到4095，黑色为0，白色为4095。黑白图片也称灰度图像，在医学、图像识别领域有很广泛的用途。
国际照明协会曾经规定观察颜色用的标准白光是色温6500K的D65光源，光谱接近白天的日光。最近的规定已经将色温标准修改为5000K，但是6500K的早期标准仍然在中国等地区被广泛采用。
6.色温的应用
人们研究发现，不同的色温会引起不同的情绪反应。一般可以把光源的色温分成三大类，即
- 暖色光，色温在3300K以下，与白炽灯光色接近，光谱中红光成分较多，给人以温暖、健康、舒适的感觉，适合家庭、酒店、超市食品区等场合。
- 暖白光，色温在3300~5300K之间，光线柔和，给人以舒适、愉快、安详的感觉，适用于商店、医院、办公室等最为普遍的场合。
- 冷白光，色温在5300K以上，光谱接近日光，给人以明亮、清醒的感觉，使人精力集中，适用于办公室、会议室、图书馆、工厂车间等需要较高注意力的场合。
下图是不同色温的光源应用于室内照明时的效果对比。
下图是不同色温的光源应用于人像照明时的效果对比。
7.典型应用场景
工厂车间：特别细致的工作4500-5000K，其他一般性工作5000-5500K
医院：一般病房4000-4500K，诊室5000-5500K，让病人安静，信赖医生，配合医生的检查和治疗。
学校：教室、图书室、理科实验室4500-5000K
艺术教室、文科活动室3000-4500K
商场主要照明：3500-4500K，色温自然又不失活泼。能引起人们的购买欲望，颜色在商品的反射，给人放心，舒适的感觉。
商场食品区：3000-3500K，能引起食欲。
8. 色彩恒常性
知觉恒常性是人类知觉客观事物的一个重要特性，当客观条件在一定范围内改变时，我们的知觉映象在相当程度上却保持着它的稳定性，即知觉恒常性。如一个成人从近处走向远处，我们视网膜上的像虽然相应缩小，但不会把他知觉为儿童。
知觉恒常性可分为大小恒常性、形状恒常性、颜色恒常性、距离恒常性、速度恒常性等。
颜色恒常性属于知觉恒常性的一种。当物体的颜色因光照条件改变而改变时，个体对熟悉物体的颜色知觉仍趋于一致的知觉特性。
某一个特定物体，由于环境（尤其特指光照环境）的变化，该物体表面的反射谱会有不同。人类的视觉识别系统能够识别出这种变化，并能够判断出该变化是由光照环境的变化而产生的，当光照变化在一定范围内变动时，人类识别机制会在这一变化范围内认为该物体表面颜色是恒定不变的。
从演化上来看，这是因为自然世界中的物品大多数不会变色，会改变的通常是光源，因此大脑才演化出根据光源和周遭各种物体信息来调整物体最后颜色的色彩恒常性。一种观点认为，视觉系统其实时时刻刻都在设法排除光源对色彩知觉的影响，因此当某个物体的颜色不确定时，就会想办法“丢弃”光源。
下图是一件衣服的照片，研究表明，在某些人看来这件衣服是白金色的，而在另一些人眼中它是蓝黑色的。这个实验表明不同人对相同的颜色刺激做了不同的解释。
我们可以透过 PS 软件来模拟大脑中的颜色矫正过程：当利用 PS 把蓝色移除后，就可以见到了白金色（下图左）；而用 PS 把白金色拿掉，就可以见到蓝黑衣（下图右）。
9.色温与白平衡
在摄像机领域，用于感光成像的CMOS/CCD sensor 器件本质上是用于光子技术的线性元件，它会尽量忠实地记录入射到像素单元上的光子的多少，但不可能像人眼那样具备自动抑制光源成分实现色彩恒常功能，所以必须通过摄像机的控制软件对sensor 的参数进行实时调整，以取得类似色彩恒常的效果，这个过程就是白平衡，它的主要目标是补偿光源色温的变化，使捕捉到的物体图像等效于标准日光下的成效效果。
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10.照明国家标准数据
中华人民共和国国家标准《建筑照明设计标准》GB 50034-2013规定了新建、改建和扩建的居住、公共和工业建筑的一般照度标准值。
符合下列条件之一及以上时，作业面或参考平面的照度，可按照度标准值分级提高一级。
- 视觉要求高的精细作业场所，眼睛至识别对象的距离大于5 ( X ) nun 时；
- 连续长时间紧张的视觉作业，对视觉器官有不良影响时；
- 识别移动对象，要求识别时间短促而辨认困难时；
- 视觉作业对操作安全有重要影响时；
- 识别对象亮度对比小于0.3时；
- 作业精度要求较高，且产生差错会造成很大损失时；
- 视觉能力低于正常能力时；
- 建筑等级和功能要求高时。
符合下列条件之一及以上时，作业面或参考平面的照度，可按照度标准值分级降低一级。
- 进行很短时间的作业时；
- 作业精度或速度无关紧要时；
- 建筑等级和功能要求较低时。
在一般情况下，设计照度值与照度标准值相比较，可有-10%—+10%的偏差。
参考
(4条消息) 为何恒星/太阳（辐射）可以被视为黑体（辐射）？_teengad的博客-CSDN博客
Understanding Color Temperature - 知乎