自動白平衡基本原理與應用實例看圖說話(轉載)

原文地址：自動白平衡基本原理與應用實例看圖說話(轉載)作者：阿珠珠

柯納：
“從這個圖可以看到場景識別系統就是把1005像素CCD獲取的信息不僅提供給AE（自動測光）系統而且還提供給AF（自動對焦）系統和AWB（自動白平衡）系統”。

資料來源，柯納的技術文章：
《點評D300》作者：柯納
相關技術文章：
《點評D3》作者：柯納
《點評D700》作者：柯納

這裏就以尼康數碼單反相機爲例，說明自動白平衡的基本原理功能與特點

1005像素CCD傳感器位於單反相機45°反光鏡下，這塊傳感器除了擔任自動測光和RGB3D測光外，還肩負着多點捕獲檢測白點爲白平衡服務的功能，爲證明這個原理，筆者做了大量的測試拍攝，請看拍攝測試測試結果：
相機：D700 自動白平衡設置

拍攝光線：馬路鈉光燈以及各種複雜光線環境

從照片上看出，傳感器捕獲採樣白點爲平衡的精確性是不容置疑的，即：爲了真實再現鈉光環境光的顏色，相機在畫面中多點找尋相對平衡的RGB值，因此無論環境中光線多複雜，實際測試拍攝到的照片效果非常接近人眼所見的實際顏色。

自動白平衡測試片例：

手動白平衡測試片例：
鈉光與鎢絲燈色溫基本相似，從RAW格式文件解碼後，在PS3軟件上顯示大概色溫在3000-3300K之間。因此爲了驗證鈉光燈白平衡，我將D700白平衡設置在“鎢絲燈”選項上拍攝了同一場景，結果表明白熾燈白平衡設置並未將鈉光平衡成白色，反到將本應是白色的光源偏色成青藍色，樹葉雖然綠了，但是已經嚴重脫離人眼在現場看到的顏色。

記得柯納早先曾說過一句話，大意是他不喜歡用自動自動白平衡，原因是不知道自動到底跟隨什麼顏色。其實使用自動白平衡是最明智的做法，即使有少許偏差在後期調整上也簡單方便。因爲我們並不知道所處環境裏到底自定義那種白平衡才能忠實還原現場色溫下看到的顏色，搞不好反而壞了大事。別以爲自定義白平衡就顯得你是高手。我要問的是，你沒有色溫表測量現場光線，憑環境光照射到白紙上自定義，等於違反了人眼所見實際顏色！請問那些對現場光線含混不清就開貼憑想象講述理論的人，舞臺場景裏色光紛亂混合屬於泛色溫，你以何顏色的光線來自定義？再複雜的舞臺光線裏總有白色或者近白色吧，這就是點測捕捉的依據。所以，拍攝舞臺、T臺等混合色光復雜的片子，正確的選擇應該是自動白平衡！

需要強調的是，自動白平衡是以捕獲白點或近似白爲依據的，如果場景裏沒有RGB相對平衡的白色，傳感就捕獲近白色爲平衡依據，看下片例：
片例1說明：該片小女孩的內衣即使自動白平衡捕獲的點點目標，因此白衣服還原真實了，其它的顏色就是當時大環境的實際色溫。

片例2說明：夜，百貨攤。主光源：鹵素鎢絲燈和白熾路燈，貨架下有白色熒光燈，因此點測以此爲平衡依據，照片色彩還原同眼睛看到的一致。

片例3說明：夜，街頭邊。主光源鈉燈，環境裏有熒光燈，摩托的紅色轉閃和白色頻閃燈混合光源，自動白平衡檢測到白色平衡後的表現，與現場眼睛看到的相符。

原理同上，白色表現準確，大環境主光源鈉燈照射的顏色就是眼睛看到的顏色，很準。

片例4說明：直接對發光光源的測試拍攝。主光源（最高強度）是RGB霓虹燈，旁有鎢絲串燈，上有室內熒光燈，我們可以領略一下自動白平衡的檢測能力，非常精確。白點在哪裏？你看，中間那個卡通人誇張的白眼仁！，僅此這麼一小點就成全了照片的色彩還原非常準。

原理同上，光源很複雜，場景裏有發黃光的暖白熒光燈，有刺眼冷白熒光燈，還有溫和的鹵素鎢絲燈等。但自動白平衡點測檢測能力強大無比，看那男人白衣服，一個字——準！

有關自動白平衡威力的更多片例請看下：

《尼康高感夜眼，老編的色、光、影紀實抓拍習作燴菜鍋》

理解自動白平衡
有人認爲，自定義白平衡最準，其實這要看所用光源了。
你若在馬路鈉光燈下用白紙自定義那就會失誤，因爲橙黃色的鈉光燈被你自定義變成了白色，其它物體的顏色肯定會變成鬼藍魔綠色！
而相機的自動白平衡是以“點測白光”工作的，而且具有取白點中RGB三色參數最接近的那個白點爲平衡依據的智能色溫表，即使環境中混合色光成份很複雜，但多點區域內“點檢測”捕捉白點的功能是傳統價格昂貴的專業“泛色溫”（平均模糊法）測量表所根本做不到的。需要說明的是，傳統色溫表或者用白平衡濾鏡，以及白紙灰板的自定義測量，它們只對單一相對固定的光源色溫起作用，比如陰天、陽光天的某一時段，影室固定燈光、閃光燈等，在混合光下用白板定義肯定完敗！

極端色溫反差與自動白平衡的智能糾偏及出錯
本帖看到此處，可能有人會提出，上面那些片例中熒光燈色溫並不是純白色，爲什麼照片上白色比較準，整體顏色還原也基本準確？我們把這個問題展開如下。

先請看下：
尼康數碼單反相機自動白平衡範圍（默認）：3500-8000°K
各種光源的基本色溫值（來源：尼康數碼相機說明書）：
白熾燈：3000°K
熒光燈：
1、納氣燈：2700°K
暖白熒光燈：3000°K
白色熒光燈：3700°K
冷白熒光燈：4200°K
日光白熒光燈：5000°K
日光色熒光燈：6500°K
高壓汞氣燈：7200°K
閃光燈：5400°K
直射陽光：5200°K
陰天：6000°K
陰影：8000°K（近紫外線邊緣）

下面的片例大環境主光是馬路鈉燈，外圍有其它光源，樹下是公交站的熒光燈廣告燈箱，遠處漫射的是高壓汞燈照明光，色溫非常複雜。
但是照片顯示的顏色卻基本符合大環境的主色調，雖然產生了極端色溫的反差，但近白色依舊存在，我們從樹後隱約可見的樓房和電線杆上的廣告條幅上找到了近似於白色的顏色，而且也找到了更白色的顏色。

OK，現在讓我們把問題回到各種燈的色溫上來分析。我們知道陽光天氣裏陰影的色溫是8000°K接近紫外邊緣，超出人眼可見光範圍，但相機把它形成了人眼看的見陰影藍，這個“陰影”白平衡設置就是給用戶用來消除陰影藍用的。一般在陽光天使用自動白平衡時，相機以捕獲場景中的白點平衡色彩的，場景中的建築等其它物體一定有白色、近白色或RGB參數接近平衡的物體，所以照片的顏色當然就很準，而人眼看不見的陰影高色溫也就被機器記錄並用藍色顯現了出來。這就是自動白平衡的出錯。

此片例中的青藍色，實際上按上面的色溫參數看，鈉光：2700°K，日光色熒光燈：6500°K（估計廣告燈箱用此色溫的燈管），高壓汞氣燈：7200°K。我在現場拍攝時眼睛的感覺公交站的廣告燈箱是白色。按上述燈光的色溫分析，主光源鈉光的色溫2700°K與樹後漫射的高壓氣燈：7200°K，形成極端的色溫反差，最終將接近陰影的色溫反映出青藍色來，由於中間還有車燈等光源，最終自動白平衡將中間色折衷爲近白色，這可能就是自動白平衡的智能在起作用，它在無的適從中形成了富有“藝術”感的色彩。我想，這可能就是雪景陰影高反差色溫形成的原因。按照直射陽光色溫5200°K與陰影色溫8000°K來看陰影藍的形成，上述分析是符合此物理規律的。

分析到這裏問題又出來了，上面片例2的百貨攤中那盞熒光燈到底多少色溫，不得而知，但是白色還原的比較準。白熾的燈色溫是3000°K，這裏我們把那盞熒光燈假設爲冷白4200°K來分析一下。顯然，主光源是低色溫的鎢絲燈，它自動白平衡不起作用。那盞冷白熒光燈4200°K的色溫顯然要比白熾燈色溫3000°K高很多，它的RGB平衡比白熾燈高很多，這就可以理解自動白平衡是以白色或近白色爲點測原理的根據了。也即：場景中哪個白色更接近RGB=1:1:1平衡，就以哪個做爲確定平衡的參照色(光)，如果場景裏沒有RGB=1:1:1的白色點（光），自動白平衡則以接近白色的物體或光源爲參照，經過計算把它折中爲中間色白色，以便把產生色偏的可能降低到最低程度。例如片例3的插圖二所示。

其實我們人眼與大腦的協同，就是以白色與黑色的對比作爲參照來辨別顏色的，稱謂“生理白平衡”（生理校色吧），比如陽光下的純白紙和鎢絲燈下的白紙。我們看着都是白色，後者雖然在其它光源比照下有黃的感覺，但畢竟常識印象讓我們知道它應該是白的，因此近白色也就被人腦認爲是“白”了。相機的自動白平衡是在模擬人眼的這種功能。但是相機畢竟是物理性質的光學記錄儀器，能夠看到人眼可見光以外的紫外藍，而且它不能校色。因此攝影后期就有必要糾正去除掉機器記錄到的顏色，例如色溫爲8000°K時產生的紫外陰影藍。

如何解決早晨和旁晚，本應是低色溫時段照片上卻硬生生的出現陰影藍呢，下面片例告訴我們，使用“陰影”白平衡設置效果很好！原理：
太陽尚無照射到大地，雖然天已經大亮，但此時的色溫就正陰影的8000°K，當然選擇“陰影”白平衡拍照是正確的，只有這樣慘能忠實的再現日出日落前後的景色，灰色的建築業不會變成藍色了。

最後說個攝影常識的問題

照相機自打有了自動測光功能後，拍接片就不能用自動曝光，這是攝影人知道的起碼常識！膠片時代拍接片需要固定曝光程序，以便使場景各個角度的分鏡頭照片曝光統一起來，後期洗印時也必須固定統一的曝光時間，並且嚴格控制顯影時間的統一，這樣接片時就不會出現每個分鏡頭照片顏色和層次不一樣的現象了。現在進入數碼相機時代，大家都用自動程序曝光，即使用固定白平衡，拍攝接片當鏡頭轉向另一場景哪怕是很小一個角度，相機馬上就自動調整曝光程序，這樣拍得的照片即使顏色統一了，但曝光層次鐵定是不同的！如果使用自動白平衡拍接片，場景中白點參照很多，鐵定也是每張的顏色不一樣！失敗者的原因是嚴重缺乏攝影常識！需要補課。

用數碼單反相機拍攝接片正確的正確方法：
1、選擇手動曝光程式，如果覺得對曝光沒把握，可以先選用自動程序曝光在相機上記下快門和光圈值，再按這個曝光值選擇手動曝光值。
2、選擇手動白平衡，按場景天氣光線選擇正確的白平衡設置，比如陽光天就選“日光”....或用白板自定義白平衡。
3、絕對不能用廣角鏡頭拍接片，這是大忌！！！中近景應該用標頭。遠景接片最好用定焦的中長焦鏡頭，例如85或更長的定焦，成像質量好的變焦鏡牛頭也很好，但必須固定一個焦距，中途不能改變。用長焦鏡拍接片變形最小，接片也容易。
4、相機上腳架，預測預視，大概計劃分幾張拍攝，然後按預測預視角度分別轉鏡頭進行拍攝....OK

在電腦上打開文件再看，色彩和曝光層次非常統一，如果需要調整也必須實現預接片，同時調整顏色和曝光層次，最後做細緻的精細接片。

本文未經仔細檢查，文字中如果錯別字還清觀者諒解。

[老編 編輯於 2008-11-23 05:08]

[2008-11-23 05:14 補充如下]

唉，無忌這個限時功能很不方便
片例5，不用說明了吧，看場景中的白色...

[2008-11-26 05:45 補充如下]

我們知道，長波段紅光對霧氣和塵埃的穿透力最強，也是讓傳感器陷入混亂無奈的元兇，因此凡是數碼相機傳感器前面都有一個過濾紅光的低通濾波器。即使這樣，很多數碼相機仍對紅色表現的很無奈，比如舞臺照經常會產生明顯的紅霧顏色傾向。這張照片是在紅光直射下拍攝的，片子上既有直射紅光，也有反射紅光，是一張比較典型的測試片。由此可見尼康新型數碼相機（D300D3D700）在抑制“色傾向”（泛色暈）上下足了功夫，在無產生“紅霧現象”的同時，白色和黑色被忠實的還原了出來。基本做到了眼見爲實且優異色彩還原能力。自動白平衡性能非常好！

再次說明：
本帖是以尼康數碼單反相機爲測試的結果，由於尼康用一片1005像素的CCD作爲各種測光，包括先進的RGB 3D矩陣測光，多點白平衡檢測等用途，所以得到的顏色比較準確。各相機廠家有自己的自動白平衡檢測方法，功能不盡相同，所以本帖的測試結果並不能做爲衡量其它型號相機自動白平衡衡的標準。特此

[2008-11-27 23:25 補充如下]

固有色釋義
所謂固有色是指標準日光色溫5200K或與此上下有差異的單一近白光源（例如5400K色溫的閃光燈、6500K色溫的日光燈、6000K色溫的陰天等等）下白平衡準確時（正常人眼看到的，即：客觀的顏色，也叫記憶色）物體的“固有”的顏色，如果環境裏有很多種顏色的光線，物體的固有色只在白平衡找準的那個區域顯示出來，其它被色光干擾了的物體上的顏色就是色光的顏色，那就不是固有色了。應該叫光色或者叫色溫反差色，此現象在相機感應上比人眼所見誇張得多（見本帖上面的片例）。
固有色片例見下:

“固有色”是相機廠商或專業人士經常用來測試產品色彩真實還原的重要手段！

在標準光源下測試的色彩還原是檢驗相機的科學方法，這個測試如果過關，相機才能比較準的記錄和還原其它複雜光源環境裏的顏色。
[2008-12-03 01:21 補充如下]

關於人眼看色的“恆常性”
既然照片中有白色，說明相機白平衡點測是準的，餘下的被認爲是偏色的顏色，可以解釋爲下：
1、片中有白（非過溢的RGB=255）說明白平衡正確，
2、在上述條件下，你看到的其它“偏色”即是大環境的真實色溫表現，包括灰色物體上的色偏。
3、鑑於人眼的所謂“恆常性”是建立在白與黑參照基礎上的，因爲大腦參與了眼睛的白平衡過程，因此它很頑固，所以人眼的生理白平衡並不能有效平衡顯示器上看見的照片固定色彩；這是因爲顯示器上照片的顏色本身已經被陰極罩的RGB點陣濃縮了（相紙照片或打印、出版物類同），它們的色彩濃度比自然物質粒靠反射顏色的色度要強得多。
這樣，人眼始終都會覺得照片上稍有一點偏色就覺得很彆扭，但又無奈用生理白平衡去糾正它。恆常性的實質也在於此，所以後期校色就顯得非常重要，當我們把照片上那些覺得彆扭的顏色去除掉後，眼睛看着就順當多了。事實告訴我們，即使是把照片上不該校掉的現場色溫調子去除掉，最後的出片仍很愉悅眼睛！起碼看着比“偏色”的照片通透靚麗的多。同時這樣的照片存放久了也不會因氧化發黃的快，何樂而不爲呢？再說了，這樣的照片在大多光線環境下觀賞，也正符合人眼生理白平衡的習慣。

[2008-12-04 01:00 補充如下]

切記一個常識
無論光線色溫有多麼標準，數碼相機的白平衡設置有多平衡，只要是相機拍攝的數碼照片中是找不到大面積的絕對平衡（個別像素級可能會有絕對中性灰），哪怕拍攝環境中有一絲牆壁、有色物體等反射光，照片中就會出現色干擾。一般來說，一張照片是否顏色還原準確，看它的白、灰、黑基本平衡，整體色彩沒有明顯的顏色傾向即算是很優異了。
千萬別幹在照片上找絕對平衡的中性色，那很愚蠢幼稚！！！無忌有個別人喜歡在照片上找絕對平衡來抵制反對國際通用標準中性灰還要色彩的科學理論，就讓他們幼稚去吧。

“絕對色”是指圖像中大面積色塊的絕對值，例如在一些圖像軟件中用填充方式形成的色塊圖像。

[2008-12-07 01:27 補充如下]

《實用數碼攝影進階－－一棵泡菜的學習總結》作者：慎之

引用:

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原文由 慎之發表
準確設定白平衡
白平衡，簡單地說就是拍攝現場中標準白色的再現情況。如果白色被精確還原表現，其它顏色也會被精確地還原－－因爲白色是由其它顏色組成的。

傳統攝影需要根據拍攝現場的光線來決定採用何種類型白平衡的膠片，如日光型還是燈光型等。數碼攝影在拍攝時，首要考慮的問題也是白平衡的設定問題。許多人認爲，如果用RAW格式拍攝，照片的白平衡事後是可以調整好的。需要指出，這是一個錯誤概念。拍攝時白平衡偏差太大，在很多情況下，事後是無法糾正回來的，尤其是複雜光線的情況下。因此，如同傳統攝影事先選擇膠片一樣，數碼攝影到達拍攝現場的首要工作也應是確定白平衡。

設定白平衡的若干方法
1、依賴機器的自動白平衡功能。我的經驗，根據現場情況選用機器的其它白平衡設定，如燈光或者日光，白平衡都不很準確，往往還不如自動白平衡效果來得好。在對白平衡設定沒有太多經驗的情況下，自動白平衡可以應付絕大數的場合，使用RAW拍攝時，事後也有相當的調整餘地。佳能1系列的機器，自動白平衡功能比其它系列要更爲精確一些。
小竅門：日出、日落的拍攝可以設定機器的白平衡爲“多雲”，色彩將更爲濃郁；而用“熒光燈”模式拍攝夜景，天空將不再發紅髮黃而是呈獻爲某種深蘭。(當然，這些也可以事後用RAW來調整）。