整理：色温和白平衡的一些理论基础

山羊

金陵独石 著


前言

最近跟好几个网友干了几架，得了些灌水的荣誉。很多朋友因此更加看清了金陵独石不学无术专职灌水的本质。为了混淆视听，进一步误导网友，打算把各处偷来的关于色温和白平衡的一些理论（常识），加以整理，改头换面，在这里跟大家共享。
通常，这样的事情是suiyali这样的老师干的，称之为编讲义。我这个可能“编”得有点离谱甚至有点面目全非，应该叫“著”。

一：引子 我们常常听人说起色温、白平衡、冷色、暖色这些词儿，到底什么意思呢？ 我们也常常听说自动白平衡不准，尤其是夜景、暗光、人造光源等场景最容易出现白平衡不准的问题。如何避免？如何纠正呢？ 为什么只有数码摄影才听说这个问题，胶片摄影从来没有白平衡这个概念，这是为什么？ 上述问题的解答，都与色温这个最基本的概念有关。通过这个专题讨论，我们不一定就能获得白平衡最佳的片子，但我的期望是我们对上述问题获得清晰的认识。 1.1 色温——简明近似的定义 色温，顾名思义，就是色彩的温度。这听起来等于废话，但确实是“政治正确”的。但是我们要这个政治正确毫无用处，所以要加以诠释。 当我们使用“色彩”这个词，指的是可见光的主观“光感”。而光是怎么来的？世界上所有的光，只有两种来源：热辐射和受激辐射，前者如太阳和传统照明灯具，后者最典型的就是激光。 我们把受激辐射放在一边，先看热辐射。 色温，就是发出这个颜色的光源物体的温度——先别急着纠正我，下面再补充，但是第一步，你先接受“色温就是发出这个颜色的光源物体的温度”这样一个简明的概念。

1.2 热辐射的物理学 好，现在我们知道了“色温就是发出这个颜色的光源物体的温度”。下面我们要概括一下热辐射的物理学，帮助理解颜色和温度这两个东西互相之间是什么关系。 我们所需要的热辐射物理学规律很简单，我将与我们这里相关的内容简述如下： 0 不存在绝对温度小于0K（K是绝对温度的单位，摄氏0度相当于273.15K）的物体或者物质 1. 任何绝对温度大于0K（K是绝对温度的单位，摄氏0度相当于273.15K）的物体都向外发射电磁辐射， 发射波长遍及0-无穷范围 2. 一个物体发射热辐射的能力与其吸收热辐射的能力总是相当的（也即发射越高效的物体，吸收也高效） 3. 一个能完全吸收所有波长辐射的物体称为黑体，黑体的热辐射的波长分布遵从普朗克定律。

1.3 普朗克热辐射定律 这个普朗克，就是那个现代量子物理学奠基人之一的普朗克。他引入的普朗克量子常数，是微观世界的最小构成“单元”，也是我们作为宏观物体的人与微观世界的一个分水岭：那边是微观世界，只可偷窥，不可逾越。 言归正传，普朗克辐射定律：黑体的射出辐射度——哇，你就当是辐射强度或者亮度——与波长和黑体热力学温度（热力学温度就是温度）的关系是：                                 登录/注册后可看大图 其中C1、C2分别称为普朗克第一常数和第二常数，我们不去管它，我们感兴趣的是它辐射出的光的波长分布：                                 登录/注册后可看大图

这个分布有什么特征？

* 黑体辐射光谱遍及所有波长，但只有一个峰值波长。
* 黑体温度越高，其发射愈强，峰值波长越短，发射谱向短波（蓝紫）方向移动；温度越低，其发射愈弱，峰值波长越长，发射谱向长波（红黄）方向移动。

这个就是维恩总结的维恩定律：黑体辐射的峰值波长与温度的乘积为一常数。

这个事情对我们有什么意义？太直接了。常说阴天偏紫蓝天空的色温高，而说日出日落的火烧云色温底，就是这个道理。换句话说，看起来冷（偏紫蓝）的光源，发射波长短，发射体的色温就高；反之亦反。

唉等等，你不是说“色温就是发出这个颜色的光源物体的温度”吗，那阴天的云，难道比清晨的太阳温度还高？

露馅了，下面接着圆场。

二 色温的确切意义 2.1 鸭子的鉴别方法 上面的疑问，让我想起美国记者（那个很著名的叫什么来着？）采访江总书记说的一段话。他说，他们美国人，判断鸭子，不是用DNA或者物种鉴别这样复杂的技术，他们很简单，要是一个玩意叫起来像鸭子，走起来像鸭子，发脾气放屁都像鸭子，那这个玩意儿就是鸭子（意即不仅仅是像鸭子）。 这个典故，不仅仅是反映美国人浅薄那么简单，它实际上反映近代科学的一种方法论，一种认识论。这个认识就是，一个事物的性质完全由它与外界的互动关系来界定。有人要说，那这个事物有一个性质或者品质是完全内在，与外界无关的，那怎么办。现代科学说，好办，完全无关的性质，不是科学关心的对象，没有存在的意义。 就这样，毙了。 回到色温上来，如果一片阴云，发出的光谱，跟一个9000K高温的黑体发出的光谱一样或类似，对我的需要而言，这云的（颜色的）温度就是9000K，我管你能不能生火做饭烤尿布，那些性质对我都不存在也没有意义。如果早晨太阳发出的光，到达我的眼睛的时候，其光谱跟一个4000K的炼钢炉融化的铁水差不多，对我来说，它就是一锅铁水，我管你后面导致发光的机制是核聚变还是核裂变，与我无关的性质，没有存在的价值。 这就是在“等效”、“有效”、“等价”、“折合”等等在教科书中常常出现的字眼背后的思维。 2.2 色温的比较准确的含义。 有了“色温就是发出这个颜色的光源物体的温度”的近似认识，再理解了热辐射的基本规律，又从美国人辨别鸭子中学习了一点方法论，我们就比较接近色温的准确含义了。 色温：是个温度值，是黑体的热力学温度，是那个发出跟所议光源的光谱一致或者相似的黑体的热力学温度。 （请特别注意，在这个色温定义中，我们已经摒除了“颜色”、“色彩”这样主观感受的字眼） 好了，我们现在有了这个比较准确的定义，至少可以说一些色温不是什么了。 首先，色温不是光源的温度，而是与之“等效”的黑体的温度。 其次，色温不是颜色的温度，颜色本身没有温度，但不同温度下黑体辐射不同的颜色组合，高温发射更多蓝紫色，而低温发射更多橘红色。因此，不精确但仍然有一定道理地，我们称蓝紫色色温高，橘红色温低。 课间休息。 放一个跟色温有关的片子。图中的天空地面本来色温都基本正常的，但是到了人身上，情况有所不同，对人的皮肤而言，水泥地面的反射光是主要光源，这个光源中主要是长波分量，其色温偏低，用其做光源，人的皮肤就偏红。这是所有沙滩照的特色。                                 登录/注册后可看大图 堂客说，太饶了，扯太远了，理论要联系实际，联系摄影的实际。她说得对，但是现在还做不到，要联系摄影实际，还要等把“白”这个概念交待清楚，才能有机会联系摄影实际。 况且，本帖是“理论基础”，而且我已经被村长定位是“空想家”，阐述有关的理论是我的事情，实践这些理论是村长这样实干家的事情。他现在正在等待我的理论指导他的实践。 我们继续。 2.3 色温的一些常识介绍 那为了让大家感觉轻松一点，也为了使色温这个概念跟我们更接近一点，我说几个有关的例子，增加对色温的感性认识。 天文观测中，恒星的温度，可以用色温来估计。具体做法其实很简单，就是记录恒星的光谱。用恒星光谱与黑体辐射的光谱比照，光谱与之最接近的那个黑体的温度（色温）就是该恒星的温度。这么做，有一个前提，即假定恒星是黑体。这个假定是可以成立的，因为恒星因为温度比较高，其表面没有清晰的界线，基本上是高温离子状态的气体，任何光（任何电磁辐射）进入恒星外层大气，都会被恒星大气中的各种粒子各种物理过程所吸收。这个完全吸收的状态，即是我们说的黑体。 色温的概念，来自于辐射，自然就跟物理学关系密切一点，但跟其它学科也有紧密联系。 比如，用到宇宙背景辐射，色温就是常常说的3.7K的宇宙背景，换句话说，宇宙的“色温”就是3.7K。 再比如，用到对地观测，在微波波段，色温就称为亮温，用来分析和鉴别积雪、水灾面积估计等等，非常有用。在红外大气窗区，色温也称为亮温，估算海洋洋面温度很有用处。 文革后期恢复教育秩序的时候，各种讲义和授课，都要把工农兵如何天才地无师自通地运用相关科学知识的事例讲一讲，以说明这个科学知识学不学也没关系，劳动人民反正都知道这些道理。 色温也是这样。炼钢工人就是凭借肉眼观察铁水、高炉的颜色来判断温度的。不要说最聪明的产业工人，哪怕是无业游民类的小炉匠——补锅的——也是根据烧化的铁水的颜色，来判断铁水是否达到可以补锅的温度。 色温的基础是非常普遍的热辐射现象，它的用途广泛就不足为奇了。 2.4 常见光源的色温： 太阳的色温在一天中随时间变化，也受晴朗程度大气水份尘埃等影响，但基本上，日出日落色温为2000-4000K，中午5500K。 天空的色温变化也很大，蓝天9000K以上，阴天在6500K以上。 人造光源大部分的色温都比较低，烛光只有2000K，白炽灯2000-3000K。比较“冷”（也就是色温高）的灯都不是热发射性质的，而是受激辐射，比如常见日光灯、闪光灯可以达到5000K以上。 高品质的光源，是所有幻灯机的一个关键环节，要求色温最接近日光，而且色谱宽广。色谱宽广的发光机制，仍然首推热发射，可是在家庭办公环境使用的幻灯机，怎么可能使用这么高温度的灯泡呢？还要散热，散热的风扇又有噪声也不行。现在的人真的难伺候啊。 所以现在时兴“冷”光源——这个冷真的是指非热发光机制--LED光源。LED是发光二极管的缩写，其发光机制是半导体的电子-空穴对的复合产生相对固定波长的光。这个机制与热运动无关，小功率发光器件几乎就在常温下工作，常见LED手电筒或者起夜灯就是如此。用于幻灯机投影仪的光源功率大得多，电流流过半导体会生热，器件工作温度会高一点，但一般也不需要散热风扇。 细心读者可能会发现上面的一个漏洞，就是“固定波长”。如果是固定波长，那就不符合要求，因为为了展示各种颜色，必须有宽广的频谱。解决这个问题的办法是“荧光技术”——超出本专题范围太远，就不说了，但要说明的是，其光谱虽然看起来“白”，但比热辐射的全光谱还是少了很多色彩。目前高品质的幻灯机投影仪，依然选用“热”灯做光源。在这个方面，实干家村长是有教训的。因为没有理论的指导，他盲目地买了一个扫描仪，结果就是LED光源的缺色导致色彩还原失真，他不得不再次投入他无比珍惜的血汗工厂的工人用血汗换来的宝贵的外汇，购入了另外一个“热”灯做光源的扫描仪。虽然在微观经济上他浪费了宝贵的外汇，是对工人血汗的挥霍，但是宏观上他对中美贸易平衡作出了贡献，是值得称道的。

山羊

三 白

这一节只讲一个字：白，白色，白光。分两个方面讲，一个是从光的按波长分布的光谱角度理解白，而是从色度学角度理解白。最后还要将二者统一起来，并与色温的概念相联系。在讨论清楚“白”之后，我们就能够处理白平衡以及“感光色温”这样深入一点的内容。
我重申，白，对理解色彩至关重要，不可不详细考察。

3.1 白：色度学的白

色度学的白，是一个消色系列的顶端，该系列由白、灰和黑组成。

这话听起来好像没有解释清楚什么是白呀？让我们看看消色这个概念。消色的意思就是消除了颜色的那个东西，或者说就是人眼的锥状细胞（负责解析色彩）和杆状细胞（负责感受明暗）的感受是同样的那种“色”，就是没有色。除了消色之外，都是彩色。

在消色的最亮的那一头，就是白。
有些色彩对可以混合成白色，它们就叫互补色，如红与青。三原色也可以混合成白色。

所以，色度学的白，是视觉感受的白。

课间休息

这次课间休息上一幅图，图中场景，是从我的小学的后墙翻出去的江边，那挡住半个落日的城墙的尖顶，正是儿时午睡时间偷偷跑出来游泳跳水的跳台。

                               
登录/注册后可看大图

2011-11-15 01:45 上传
下载附件 (132.77 KB)




这个图片是别人拍的，通红的天空令人震撼，落日余晖下的“跳台”，使我感慨万千。但是，撇开这些感性元素，这个片子的偏色也是比较明显的，原因正在于数码感光对这个场景的色温估计偏高（没错，是偏高）。我的这个判断主要是基于云底部的颜色——尤其是是天顶云层底部的颜色——而作出的。因为没有原片的RAW，没法直接调整色温，只能用PS三点生花妙笔来点一点，做个大致的修正。矫枉过正，大概是过头了一点点，目的就是说明个意思。

                               
登录/注册后可看大图

下面这张图光线散射的示意图，简直就天生是用来解释上面的日落云层图的。

                               
登录/注册后可看大图

日落的阳光直射时候，阳光穿越近地大气，主要是大尺度的颗粒（水汽尘埃）散射，叫米散射。米散射的强度在各个波长分布相对均匀，因此太阳耀斑和附近呈现白色。
偏离主射线的地方，云际天空出现蓝色，是天空瑞利散射（优先短波长蓝紫光的散射）的结果。天顶的云层，有大量大颗粒的冰晶，促成在各个波段的米散射，看起来就偏灰。

整个画面基调的红黄，则是阳光穿越大气，短波蓝紫被不断的散射，于是留下的长波成分偏红黄。

我们继续。


3.2 白光：物理学的白光

物理学的白光是所有波长电磁辐射——从微波到可见光到x射线——的等量混合。这样的白光谁也没有见过，最接近的是超新星爆发的电磁辐射谱。

物理学的可见的白光是所有颜色的可见光——从红到紫——的等量混合。这样的可见的白光也是谁也没有见过，大概氢弹爆炸的火球比较接近。

你不是说不存在的东西没有意义吗？既然这该死的白光谁也没见过，为什么要在这里说？

因为这种理想白光代表了我们现实中感知白光的共性：宽广均匀的连续光谱 (颜色)。

现实中的白光来自现实中光谱最宽的辐射——黑体热辐射。我们知道黑体热辐射的光谱（颜色）分布与温度有关，因此自然而然的，白光也有“温度”，就是它的色温。但是最常用、实用、耐用、够用的白光是正午的日光。

                               
登录/注册后可看大图

2011-11-16 01:00 上传
下载附件 (108.83 KB)




图中，实线是大气外层实测太阳光谱，虚线是6000K黑体的辐射光谱。
从图中可以看到，这个天然的白光与理想的物理学的白光相比，还是有很大差距的：在可见光频谱区中，绿黄光占有比较大的比重而两端比重减少。但是先入为主，太阳显然在物理学家还没有肚脐眼的时候，就普照人间，人还在猿猴阶段就适应了太阳光并且在视觉组织中发展了与之响应的三色感应锥体细胞，按照日光的分布分配比例，使得得到的视觉就是“白光”。

3.3 白光：人作为生物个体感受的白光

人类在日光照耀下建立“白光”视觉，其实是对日光的一种抽象，也是建立起视觉的本底。因为日光是最常见的光照条件，需要以此为参照来对视觉对象作出视觉鉴别，而“白光”本底包含了日光中的主要能量，最适合做明暗度的识别，今后在视觉观察中，所有与日光重叠的部分，都将被“忽略”，因为那是光照条件，而不是光照的对象。只有视觉信号中出现与“本底”（白光）不同的特征（颜色或者明暗）时候，人（猿）才会马上引起关注：是食物还是天敌。

这个“白光”的建立，是漫长的进化过程，同时还伴随另外一个过程，我称之为白光的“世俗化”进程。

在白光本底建立的同时，人猿同时面临另外一个适应性问题：怎样在不同光照条件下辨识同一视觉对象。如果你追猎一只梅花鹿，它从阳光下的开阔地跑进树林中，光照条件变了，梅花鹿身上的斑点颜色也变了，你必须发展出这种能力，将眼前的斑点与之前在树林外的斑点联系起来并认同为同一对象。亲爱的读者，这个能力你现在已经具备，但不要以为就是天成，这是进化的收获。这个在不同光照条件下识别同一对象的能力当然包括形状和明暗的判断，但毫无疑问，不同光照条件下颜色的锁定能力肯定也在其中。如果早上出门，家里留下的是白狗看家，黄昏回来白狗变成黄狗，人会非常困惑而不知所措。

归纳起来就是，人作为生物个体感受的白光，以正午日光为准，但也容纳别的修正 --- 这就为白平衡埋下了伏笔。

3.4 白光：小结

总结白光的各种含义，理想的、现实的、色度学的，人性化的，归结到一个图表，就是如图所示：

                               
登录/注册后可看大图

这个图表告诉我们，白光，还有不那么白的“白光”，都在那条曲线上。他们管那个叫普朗克（又是他，十处打锣，九处在场）白狐（一般翻译成普朗克轨迹，我觉得“白狐”更形象）。所有不同温度的黑体所发射的光的颜色（各种不同的白），都标记在这个线上了。我们常认的“白”，是在5500K到6000K之间，但是即使色温下降到2000K，只要是这种连续光谱的白光下，我们也能没有困难地辨认白衬衫。

另外，这个白狐，从色彩饱和度看，是色度空间中最不饱和的一条线，其它地方的色彩饱和度都比它高——那是当然，白光嘛。

课间休息。 生意好到这个份上，夫复何求？                                 登录/注册后可看大图

山羊

四 白平衡：一个主观的视觉过程

在理清了“白”这个至关重要的东西之后，我们离开白平衡之间还有一道鸿沟：主观视觉。不过，我们先让我们把“白”拓展到“灰”。大多数我们所说的关于“白”的内容，都适合“灰”，因为白不过是灰的两个极端之一（另外一个是黑）。灰的亮到极致，就是白；暗到极点，便是黑。以后的讨论中，除非特别声明，会混用白和灰。

4.1 三原色理论的生理基础

至今为止，我们在物理上讨论光的时候使用波长的概念，在色度学或者视觉感受的意义上使用颜色这一说法，但是没有讨论过二者之间的关系。现在是时候了。

物体在辐射光的时候，是没有“色彩”这个意识和分类的，只有波长。太阳（及其照射到物体上的反射）光谱的大部份集中在400-800nm段，而且是连续分布。假如人的视觉要全部接受并识别和加工这些信息，从编码角度，信息量将是巨大的，视觉系统将会极其庞大，大脑的负担也会特别沉重。

进化解决这个问题的手段与统计人员的手段差不多：采样。进化发展了三种色彩感应细胞（视锥细胞），分别称为L、M和S细胞，由它们对接受的光在可见光波长段进行采样，并输出强度信号给大脑。这就是“三原色”理论的生理基础。L细胞对长波波长断564–580 nm最敏感，可以精确感知这个我们现在称为橘黄色的光；M细胞擅长处理中间段534-545nm波长的光，人们后来把它归结为绿色光；S细胞则擅长感知短波长420-440nm的光，现在我们称之为蓝光。注意我使用模糊的“擅长”，而不是严格的“专职”，来描述各个感光细胞的波长相应范围，因为它们的职责范围实在是有重叠的，这从下图三种视锥细胞的波长敏感度曲线可以得到证实。

                               
登录/注册后可看大图

这个重叠的最大作用，是确保所有可见光谱的光信号都被接受，并且都得到足够的重视。只有这样，视觉系统才能够以最少的成本（三种辨色细胞）来最大限度获得色彩的还原。

自此，我们总算知道了，色彩如何从波长转换而来。

4.2 视觉的白 前面我们说过，进化使得人将5500K的太阳辐射视为”本底“——就是白。这个安排非常有益，使得人能够在视觉上区分光源（太阳）和其它视觉对象——这个区分就是色彩差异——，并且将关注的重点放在其它视觉对象上面。 那么三张视锥细胞如何建立白色本底？从5500K的太阳光的光谱中，人眼的三种视锥细胞分别对其取样，在长期的进化中，建立了稳定的刺激信号强度。这三种视锥细胞对太阳光的稳定的响应强度比例，就是视觉的“白”。这个比例，有各种估计和表达，但最恰当的值，应该是1：1：1，即白光下S、M和L视锥细胞末端的神经信号强度传达到大脑是等量齐观的。这个强行设定的值，无论准确与否，都不妨碍此后的讨论结论的准确性（或者出错的可能性），因为我们建立的只是“本底”，真正有意义的是在本底基础上的“偏离”——那就是色。 回到视觉的白，我们认识到，视觉的白，只是真实的白的一个表达，一个非常简略的表达。真实的白是5500K的太阳光谱，用普朗克定律表述，有复杂的指数关系，而视觉的白只是个1：1：1的比例关系。换句话说，任何光信号，只要它到达眼球并能够刺激S、M、L三种视锥细胞，使其在三种视锥细胞产生等量奇观的刺激，让它们产生等量的视觉信号给大脑，大脑就会把它当成白光。 上述事实，从信息论角度看，是人眼对无限自由度的连续光谱作有限次采样，损失原来样本信息量的必然结果；从数学角度看，是从高维空间向低维空间映射的不可逆性；从工程角度，是非常有效的工程设计。 进化过程中的这个设计，兼顾了几乎所有热辐射光源，但是没有考虑人造受激光源——那是当然，人眼色彩识别的进化完成时候，人类可能连蜡烛都没有，更不要说激光了。但是这个进化的缺陷，却是我们在日光灯下常常不能辨别颜色的原因，也是很多晚会上光彩照人的女士第二天看起来判若两人的原因。 总结起来，可以用两句话概括。 白本非白，说你白，只因别人不够白；世间何来灰，无非三色争宠，混成一体权作灰。

4.3 单一波长和视觉单色

从三色视锥细胞的波长敏感度上，可以看出，假如入射光线是单一波长，哪怕是所谓单色（红或者绿）的波长，其在视锥细胞激起的反应并非只是一种视锥信号，一般都是三种视锥细胞都有相应，只不过敏感区域与这波长相近的视锥细胞的响应要高于另外两中视锥细胞。这种情况在长波区域更加突出，因为L和M视锥细胞的敏感区域有很大的重叠，所以，单一波长的光，在人眼看来却并不单一。
反过来，视觉感受是“单一”的色彩，其波长分布却又不单一，而是一族波长接近又不同的光的组合。

4.4 L和M视锥波长敏感区域重叠的生物学意义和美学意义 我们注意到，三种视锥细胞的敏感区域，L（红）和M（绿）重叠较大，而S细胞的敏感区寓相对分离。 为什么进化用两种视锥细胞接受相近区域的光？ 这件事情的生物学意义完全是因为，绝大多数对人的生存有意义的视觉对象，都处在长波区，发射红、绿、黄光：异性的肤色、植物的绿色、果实的黄色、土地的黄或红色、猎物的毛色...，所以用两个相互交叉重叠的视锥细胞来鉴别其细微差别，是特别有意义的。我们的祖先，要在荒原上辨识作为猎物的红狐和作为天敌的野狼，也要在树丛里看清金钱豹，这些都需要长波光色的细微鉴别。 在摄影上，一个显然的事实是，人造的数码摄影在长波（红黄）色彩识别还原上，要远逊于进化给我们的能力：人眼对暖色感受、辨识和还原能力非常惊人。从古至今，几乎所有的视觉艺术——如果有色彩的话——几乎都是偏重暖色运用的。这种情况直到现代艺术出现，特别是现代荒诞艺术出现之后，才有所突破。

五 白平衡

在阐述了白（或者灰）之后，我们终于可以讨论白平衡了。

5.1 5500K白光下的灰板

让我们在中午太阳光5500K下，观察一个白板（灰板）。

之所以选择白板，因为白（灰）板在各个波长上的反射能力都是一样的，所以它不会附加任何颜色，因此，经过灰板反射的太阳光，其强度虽然有变，但光谱分布不变，仍然是色温5500K的白光。见下图：

                               
登录/注册后可看大图

2011-11-18 01:15 上传
下载附件 (81.86 KB)






这个5500K白光，在与视锥细胞S、M和L细胞相应的波长上的强度大致相同。这当然不是巧合，4000K的白光就没有这样的殊荣，这是进化以中午日光为基准对三原色的有意选择。三原色相应的波长位于（5500K白光）光谱的峰值区域，以获得最大的视觉信号信噪比，三原色波长处的光谱强度大致相同，给与三原色同等地位，便于颜色的分解、合成以及鉴别。在5500K白光下，三原色光谱强度的细微差别在经过视锥细胞的敏感因子调节后，也在三种视锥细胞上的响应达到均衡，三者之比为1：1：1.

                               
登录/注册后可看大图

2011-11-18 01:44 上传
下载附件 (92.96 KB)



（这个1：1：1只是一个定性的说明，并不是强行假定视锥细胞末端的神经信号电平就是1：1：1的关系，只要视觉心理建立起这个固定的比例关系就可以，但是为了叙述方便，我们假设这个视觉白光就是比例1：1：1的一组视锥信号。）

5.2 4000K白光下的灰板

如果我们在一个不同色温——比如4000K——的白光下观察同样的灰板，我们会看到什么？
显然4000K的白光(见52楼图一)已经不那么白了，它的短波（蓝紫光）的分量明显低于长波（橙色），可是根据经验，我们知道我们的眼睛会“还原”出一个灰板（至少是很接近灰板的灰板）。眼睛做这件事情其实很容易，就是把三种视锥细胞的敏感因子调节一下，使灰板视像在三个视锥上产生的输出比例均衡就可以了，真正是容易得“连眼都不眨”。

                               
登录/注册后可看大图

2011-11-18 11:07 上传
下载附件 (81.18 KB)



一旦白（或者叫灰）搞定，其它颜色就都能够还原，因为颜色不过是相对于白的偏离。

人眼（连眼都不眨一下就）完成的这件事情（把不同色温下的灰板视像还原成灰色），就是我们煞有其事说的白平衡，就是我这里费尽口舌还没有说清楚的白平衡。

5.3 感光色温

前面说了，人眼把不同色温下的灰板还原成灰板的诀窍是根据不同的色温调整其视锥细胞的敏感因子，使得三种细胞的视觉信号的（心理）强度一致。可是每种不同色温下的敏感因子都是不同的，比如5500K下S、M、L三种视锥细胞敏感因子的比例是1.103：0.992：1.0063，而4000K下这个比例是1.467：0.833：0.765，那么人眼怎么感知（估计）现场光源的色温呢？如果这个感知（估计）出现偏差会怎么样呢？

要回答这里的问题，先定义感光色温。
感光色温就是光感的接受者对现场光源色温的估计值。光感接受者凭借这个估计，将接收的物理光感映射到主观的色度空间（通俗说法是色彩还原）。
如果感光色温与实际现场光源色温一致，我们就说达到了白平衡，反之，我们说白平衡有偏差。

第一个问题，人眼怎么确定感光色温（不一定获得数值）？我没有答案，只有很肤浅的猜想。给人眼提供的东西，几乎没有一样是确定的，色温当然还不知道，现场的光感也是千变万化，灰板（以及各种视觉对象的反射谱）也不是事先确定的。这有点像这个复杂的社会，没有什么是绝对明确的东西，一切都只能自己去判断，所有的人都可能说谎，睿智的人就能够从各人的真实性各异的说法中，获得事实的真相。人的眼睛对色温的判断，大概就是这样一个模糊科学的过程：只要眼睛能够不受屏蔽地接受现场全部的光感信号，它就能八九不离十地得到基本正确的感光色温。但如果你有选择地给眼睛光感信号，那它百分之百会被误导，得到一个有偏差的感光色温，当然就无法还原事物的本来面目。
这很有点像人认识社会，你要是不让他接触全部的信息（比如像CU还有很多地方所做的那样屏蔽很多信息），他就不能得到一个准确的认识。任何的“舆论引导”，唯一作用就是帮倒忙。

第二个问题，如果感光色温出现偏差会怎么样？上面说了，就无法达到白平衡。黑白颠倒可能还不至于，但黑白肯定不能分明，是非也就混淆，肯定无法还原事物的本来面目。可是这个白平衡的失衡是怎么发生的？我们且听下回分解。

5.4 感光色温偏差对白平衡的影响

我们还是观察5500K日光下的灰板。在正常情况下，如同52楼5.2节所述，人眼睛连眼都不眨就能还原一个灰板，因为正常情况下人眼能够判断这是5500K的日光，选用1.103：0.992：1.006的视锥敏感因子，就能获得1：1：1的SLM视锥输出，得到“白色”的视觉感受。

问题是something wrong。因为各家网站的舆论引导或者信息屏蔽，观察者被误导，以为新社会比旧社会还要黑暗，今天的太阳没有昨天的亮，他于是判断太阳色温是4000K。（假想的）4000K的日光，其短波成分明显低于5500K的光谱，他于是要加强短波通道（S视锥细胞）的增益，并抑制长波通道（M和L视锥）的增益，以在三个通道获得均衡的信号强度。这个增益的比例，就是53楼5.2节中分析的4000K视锥敏感度因子，其比例为1.467：0.833：0.765。

当然太阳不会因为中国对它屏蔽就改变温度，它一视同仁洒向人间都是5500K那么热。于是，这个被误导的倒霉的观察者，从灰板上获得的视觉感受是S：M：L（大致是蓝：绿：红）=27.9：17.6：16.0，如下图所示。

                               
登录/注册后可看大图

2011-11-19 11:35 上传
下载附件 (105.9 KB)




读者当然马上知道，这个观察者获得的影像白平衡不对，偏色了。最糟糕的事情是，他并不觉得他有偏色，他固执的认为，现场光感受就是这样，那个“灰板”——他把它打上了引号——完全不是理想的灰板，本身就是发蓝的。他认为，原色就是那样。

还有比这更糟糕的，我们每个人的眼睛里，都有一个这样的倒霉鬼：各种生理的、心理的、环境的原因，都会引导我们误判色温，颠倒黑白，而我们并不自知。所以，在色彩感觉上，多听听别人的看法，一般都是有益的。没有人有绝对准确的色感，但如果你细心观摩和品味其它人的色彩感觉，会对你避免色偏，建立比较准确的好色，有很大的帮助。

5.6 照相机如何设定感光色温
胶片照相机很简单，一句话就交待完了：胶卷本身的感光化学决定了它的感光色温。所以，胶卷都有日光型、灯光型一说，具体技术指标中也会有色温值，表示该胶卷用该色温的光源曝光，可以获得消色——黑到灰到白。
数码机的色温说起来就麻烦多了，我得简单地述说。各家机子的感光色温都可以人为设定，也可以用灰版测定。前者，完全不需要相机费神，你说什么它就用什么；后者实际上跳过了色温，直接告诉机器，这就是灰（白），测出的色温也只是给你看的，机器不用。
其它几种色温模式（日光啦、阴天啦、夜色啦、闪光灯啦、自动啦）就要麻烦相机使用一定算法来获取白平衡。算法各庄有各庄的高招，但基本的依据都是冯*克里斯变换。
冯*克里斯变换原来是解释人眼视锥的白平衡调节机制的，因此色彩空间使用人眼的LMS三原色（长波、中波和短波，与红绿蓝接近）。冯*克里斯假定，当同一个视觉对象在两种不同的光照f1和f2下，人眼通过调整各个视锥后续神经组织的增益因子D，来获得相同（相近）的输出c’，

                               
登录/注册后可看大图

2011-12-08 09:23 上传
下载附件 (13.48 KB)




这其中的S是视锥的本征响应特性（即不随光源变化）。这两个D，只有相对比例的意义，即只要决定下面这三个对角元素即可

                               
登录/注册后可看大图

2011-12-08 09:23 上传
下载附件 (17.72 KB)




将这个变换应用到数码相机，LMS就是相应的RGB，而下标1表示标准5500K光源下RGB三通道的增益，可以在实验室事先测定。下标2表示实际现场，其RGB三通道增益与标准光源情况下的比值是通过与图像像素的蓝红两种像素比例的统计相关性和经验关系得到的，在这个统计相关算法上，各个厂家各有千秋，但对冯*克里斯变换的使用原则上一样。有了这个比值，就可以得出RGB各个通道的增益，进而从RGB三色传感器的原始电平（12bit）生成颜色值（8bit，0-255）。
由此可见，白平衡的过程，实际上越过色温计算，直接调整RGB三通道的增益，至于色温，是用这三通道的增益推算出来给用户使用的，数码相机不直接使用色温值。
各家的算法虽然千差万别，但各家在几个方面都非常类似：
1.        白平衡在晴朗日光下最好（废话，主要设计使用就是针对日光的）
2.        白平衡在弱光下都不够好（可以理解，因为弱光的信号信噪比低，用它来计算白平衡需要的三通道增益当然也不准）
3.        阴雨天出图一般偏冷（比实际感觉要偏蓝），而日出日落又比实际感觉偏红。
由于统计样本的有限，经验关系的误差，特别是现场光源的多样化，都会导致白平衡（尤其是在一些极端情况下）不准。
如何获得准确的白平衡图像呢？下回分解。

山羊

六 如何获取正确的白平衡图像 按照本帖的出发点，是交待一些色温和白平衡的理论基础。在这个意义上，前述五个章节（引子、色温的确切意义、白、白平衡：主观视觉过程、白平衡）已经完成了这个历史使命，剩下的实际问题，本不是我这样的“空想家”关心的，但是有鉴于前面有几位网友直接提出了这样的实际问题，我就勉为其难，点到为止。

6.1 如何获取正确白平衡的胶片照片

最简单，选用感光色温适合拍摄场景的胶卷。我手边没有各种胶卷的具体色温数据，但每种胶卷的包装上都会注明其适合的拍摄条件，大量常见的是日光型。
使用的胶卷感光色温与现场色温不一致怎么办？滤色片。滤色片的作用，是人为改变进入镜头光线的色谱，使之与胶卷色温一致或者接近。滤色片的使用，五花八门，别问我，这是胶片摄影专业和玩家的功课，我也不懂的。

6.2 如何获取正确白平衡的数码照片：前期 所谓前期，在这里的意思就是现场测定色温，定制白平衡。大致有几种方法。 第一种是使用色温计现场测得色温，再直接设置数码机的感光色温值。坦白告诉你，我没有用过色温计。 第二种是现场拍摄灰板，然后告诉照相机，这就是这个色温下的“灰”，照相机就会作出相应的白平衡调整。这个方法比较适合我们业余爱好者，因为要求不太高的话，灰板不是很贵的。 第三种是根据经验或者需要强制设定色温。这个方法适合现场没有色温计，又没有灰板，自动白平衡不灵的情况。又或者有多色温光源，需要人为偏向其中之一。 第四种是根据现场类型，选用数码机器事先定制的几种白平衡（阴雨啦、闪光灯之类的）之一。

6.3 如何获取正确白平衡的数码照片：后期（RAW）


数码照片后期中也可以调整白平衡。最简单常用的方法就是拍摄的时候使用RAW模式，在导入RAW图片时候，无论使用PS还是使用相机厂方提供处理软件，都可以调整感光色温来得到（看起来）正确的白平衡图片。下面举个例子。

如图是阴天黄昏在一条峡谷小径中拍摄使用自动白平衡拍摄的。自动白平衡在多数情况下对色温判断都比较准确，不准的情况往往出现在弱光下或者人工光源下，阴雨天、雪天也有可能色温不准，需要后期调整。

但是这个调整主要就是靠人为设定RAW片的感光色温，然后根据屏幕上的图像判断白平衡是否准确。这个过程最主要的两个误差来源是显示器色彩是否准确（关键是灰色是否真灰）以及肉眼判断的误差。前者的误差，我只有假定你的显示器已经调校准确（调校显示器是另外一个话题了）；后者的误差，神仙也没有办法，只好见人就问“您看这色彩正了吗”。

                               
登录/注册后可看大图

2011-12-14 10:36 上传
下载附件 (164.43 KB)




图1（上图）是AWB（自动白平衡）测定色温6050K的情况。从偏蓝的球面、鞋面，尤其是偏冷的肤色，可以判定是感光色温偏低（因此现场高色温的白，在低色温的感光看来是偏蓝）。当色温调整到7500K（图2，下图）的时候，白色比较正，而肤色的红润显现，我们知道这个7500K比6050K好多了。

                               
登录/注册后可看大图

2011-12-14 10:35 上传
下载附件 (167.23 KB)




通过这个实例，我们可以总结一下用后期RAW调整色温的几点要点：
1.        弱光、人造光源容易出现色温偏差
2.        用于后期调整色温偏差的图中，最好有已知的灰调元素，可以据此判断调整色温是否准确。一般软件都能即时读取鼠标下的RGB值，在灰色元素上，色温正确的话，RGB三者相差数值可以在5之内。
3.        人的肤色，虽然不是灰调，但人眼对肤色建立的视觉感受非常稳定和精确，可以用作色温调整的很好的参照物。