白平衡与色温

色温

色温定义

色温从对黑体进行加温测量而来，指某一温度下黑体所辐射的光谱

所以色温只表示光线的颜色，不表示光线的温度

为什么是黑体？

因为黑体吸收所有光谱，既不反射也不透过，因此，我们看到的黑体的颜色只与其表面温度相关。

怎样测量？

色温使用的单位是热力学温度单位K(开尔文)，开尔文与摄氏温度只是计量起点不同，但变化值是相同等价，每变化1K相当于变化1℃。摄氏温度以冰水混合物的温度0℃为起点，而开尔文是以绝对零度-273.15℃作为起点，即-273.15℃=0K

从绝对零度0K开始，对黑体进行加热，当黑体的温度不断上升会发出可见辐射光线，光线会出现相应颜色，并且光线的颜色随着温度不断的上升也在变化，我们使用黑体发出相应光线的温度来定义色温。

这样，黑体在受热升温过程中，温度每升高1度，那么黑体的辐射值就升高一个值，就得到一个颜色，这样我们就得到每一个色温的颜色。

注意：色温只用来区分颜色，有一定区分冷暖色的作用，但是并不代表和温度有关，例如，黑体在7000K的时候散发蓝光，但是并不代表其他散发蓝光的物体也有7000K，例如蓝天

色温变化

黑体温度升高时，辐射的峰值波长在向短波方向移动，温度越高，能量越大，而红-橙-黄-绿-蓝-锭-紫，波长依次减小，光子能量依次增大。

因此，色温越高，光线越偏冷色，色温越低，光线越偏暖色。

颜色	色温范围
红橙色	2500K——3200K左右
橙黄色	3200K——4500K左右
黄色	4500K——5400K左右
白色	5400K——5600K左右，也称为正常色温，其中色温值是在5500K时光线发出颜色与正午的阳光颜色相同，被称为标准色温值
青色	5600K——6500K左右
蓝色	6500K——7500K左右
蓝紫色	7500K以上

当色温越高的时候，光源发出的颜色就越偏冷，大致是：红->橙红->黄->黄白->白->蓝白的渐变过程。

不同的光源色温

色温	光源
1700K	火柴光
1850K	蜡烛
2800K	钨灯、白炽灯的常见色温
3000k	卤素灯及黄光日光灯的常见色温
3350K	演播室“CP”灯
3400K	演播室台灯、照相泛光灯
4100K	月光、浅黄光日光灯
5000K	日光
5500K	平均日光、电子闪光
5770K	有效太阳温度
6420K	氙弧灯
6500K	最常见的白光日光灯色温

为什么定义色温

感知的光源色彩随观察者和其它条件的不同而变化。色温是对光源色彩的一种客观衡量标准，它是根据物体在被加热后辐射出同一波长的光所需达到的温度来定义的。

白平衡

前置色彩小常识

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。

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、蓝三原色按比例混合形成。

当一种光线中的三原色(RGB)成分比例相同的时候，称之为消色，黑、白、灰、金和银所反射的光都是消色。

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，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。

白平衡作用

白平衡，就是指将白色还原为白色的过程。

通过前置色彩小常识，我们知道，如果我们身处一个黄色光源的环境之中，那么这个环境中的白色会被渲染成黄色，由于人眼独特的适应性，在不同光照条件下观看物体时不会出现偏色，而相机就没这么智能，相机没有自动色差矫正，所以看到什么颜色就是什么颜色。

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。

为什么会这样？我们后面解释。

PS：其实传感器拍摄出来的色彩才准确，但是我们拍摄照片显然是给人看，所以白平衡是为了消除光源对于图像传感器成像的影响，模拟人类视觉系统的颜色恒常性。保证在任何场景下看到的白色是真正的白色。

白平衡原理

当我们用肉眼观看世界时，在不同的光线下，对相同的颜色的感觉基本是相同的，比如在早晨旭日初升时，我们看一个白色的物体，感到它是白的；而我们在夜晚昏暗的灯光下，看到的白色物体，感到它仍然是白的。这是由于人类从出生以后的成长过程中，人的大脑已经对不同光线下的物体的彩色还原有了适应性。

但是，数码相机没有人眼的适应性，在不同的光线下，数码相机彩色还原和人眼看到的色彩不一致。

为了处理这种情况，相机会提供白平衡功能(通过设置色温，来改变色彩还原)

相机内部有三个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，白平衡的调整环境色温来改变了这种比例关系。

比如，当环境色温被设置为6000K，那么相机就会认为环境光中蓝光比例多，色温偏高，所以就会调整电路放大比例中，让感受蓝光的感光电路放大比例小一点，通过这样的方式减小环境光线带来的影响。

手动白平衡规则

先上结论：

1. 当机内色温设置值等于环境色温时，相机就能正确的表现白色。例如，机内色温也设置为5500K时，环境色温是5500K，白色就能被相机还原为白色
2. 当机内色温设置值大于环境色温时，相机这时候画面就会偏暖。例如，机内色温值设置为5500K时，环境色温是4000K，画面就会偏暖
3. 当机内色温设置值小于环境色温时，相机这时候画面就会偏冷。例如，机内色温值设置为5500K时，环境色温是7000K，画面就会偏冷

为什么机内色温大于环境色温就偏暖，小于就偏冷呢？

这是因为当环境色温为5500K，我们把机内色温值设置为7000K时，就相当于告诉相机，环境光线的色温是7000K，环境光线偏冷(蓝)，你要减小蓝色感光电路的放大比例来平衡环境光中的蓝色带来的影响。

相机会想为什么会出现这种偏差呢？相机这种实诚孩子，肯定不会认为你在骗它。所以相机就会认为环境光线的色温偏蓝色，为了还原被摄物体真实色彩效果，相机就减小了蓝色感光电路的放大比例，就相当于增加了黄色以平衡蓝色。

但是，你的确骗了相机，环境实际的色温是5500K，本来我们把机内色温设置为5500K，相机RGB感光电路放大比例1:1:1就正常，但是，现在环境色温设置为了7000K，相当于相机缩小了B(Blue，蓝色)感光电路的放大比例，可能R:G:B变成了2:2:1，因此拍摄出来的画面就会比实际画面偏黄(暖)。道理很简单，相当于配颜料，红色和绿色加多了，就变黄了。

黄色:RGB(255,255,0)

同理，机内色温小于环境色温时，相机就会认为环境的色温偏暖(黄)，因此减小RG电路感光比例以平衡黄色，因此拍摄出来的画面偏冷。

这也能合理解释：

为什么在日光灯(4100K)的房间里拍摄的影像会显得发绿？
为什么在室内钨丝(2800K)灯光下拍摄出来的景物就会偏黄？
为什么在日光阴影(7000K)处拍摄到的照片则莫名其妙地偏蓝？

PS:一般机内默认色温是标准色温5500K

色温与心理

色温	色调
色温大于5000K	属于冷色调，颜色为偏蓝，具有冷的氛围效果
色温在3300-5000K	属于中间色调，白，具有爽快明朗的氛围效果
色温小于3300K	属于暖色调，颜色为偏红，具有温暖稳重的氛围效果

不同的色温能够给人不同的心理感受。

暖色能够给人一种温暖、温馨、和谐的感觉，它能够使人联想到太阳、火焰、热血等意象，适合表达热烈、明亮、柔和的场景氛围。拍摄食物时，让机内色温略大于环境色温，或将照明灯色温值调低，使画面呈现暖色，面条的视觉效果就更加诱人了

冷色调给人一种平静、阴凉、寒冷的感觉，它能够使人联想到冰块、蓝天、黎明等意象，适合表达清新、忧郁、宁静的场景氛围。拍摄寒天雪地时，让机内色温略小于环境光色温，这样可以使冰雪呈现蓝色，加强寒冷的视觉印象，更有身临其境之感。

中性色则能给人一种安宁、舒适、稳定的感觉，适合表达理性、中立、和谐的场景氛围。

在后期创作的时候，可以使用不同的色温去辅助我们表达不同的感情效果。

自动白平衡

前面我们介绍了因为相机不智能，我们通过调节色温，从而实现手动白平衡的过程。

相机不智能，但是人智能，所以工程师设计了一些算法来解决相机没法自适应的问题，例如处理白平衡的算法：灰度世界法，完美反射法、动态阈值法。

自动白平衡是基于假设场景的色彩的平均值落在一个特定的范围内，如果测量得到结果偏离该范围，则调整对应参数，校正直到其均值落入指定范围。对于传感器来说，通常的处理方式是通过校正R/B增益，使得UV值落在一个指定的范围内，从而实现自动白平衡。

基本过程就是：

1. 根据相机拍摄到的图像计算RGB三个通道的平均灰度
2. 根据相机设置的色温计算三个通道的增益系数
3. 原始值乘上增益系数

不同的算法有差异，如果对自动白平衡感兴趣，可以参考：自动白平衡算法