色温与电视摄像技术中的黑、白平衡调整.doc

色温与电视摄像技术中的黑、白平衡调整乔瑞华摘 要： 在影视摄像技术中，色温与黑、白平衡调整是两个很重要的术语，在摄像过程中，能够根据光源色温正确地选择色温滤色片和调整黑、白平衡，对于电视系统逼真的色彩重现有着重要的意义。关键字：色温 微倒度 白平衡实现正确的色彩重现是对电视系统的基本要求也是设计电视系统的主要目的,重现逼真的色彩不仅取决于摄像机本身的性能，还受到照明光源的种类及白平衡调整技术等因素的影响，其中正确判别照明光源的色温和准确的黑、白平衡调节是拍摄高质量画面的关键。一、光源色温1.色温的概念色温是电视光源的一个重要参数，它从一个方面反映了光源的颜色质量。通常人眼所见到的光线，是由光的三原色（红、绿、蓝）组成的7 种色光的光谱所组成。色温就是专门用来量度光线的颜色成分的。用以计算光线颜色成分的方法是19世纪末由英国物理学家洛德凯尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法，而其具体界定的标准是基于以一个绝对黑体所发出来的波长。凯尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。当绝对黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时，它就由黑到暗红，由红转变橙黄色、黄色最后变成白色。这种现象说明在不同温度下，“完全辐射体”辐射出的光谱成分会产生一系列的光色变化。任何一种实际的光源，凡是有类似的光谱质量，就可以列为具有这种“色温”，尽管它们实际的工作温度可能完全不同。色温凯尔文温标以绝对零度（-273oC ）为基准，以OK （或K ）为符号。绝对温度（K）=摄氏温度（oC）+273oC2.色温、微倒数与允许偏差光源的色温可以用绝对温度表示，也可以用绝对温度的倒数即“倒度”来表示，实际生活中常用“微倒度”来表示。微倒度M与色温T的关系：M=（1/T）106（微倒度）研究证明，虽然电视摄像机、人眼和胶片等对光源色温的允许偏差不是恒定的，但对光源的微倒度值的允许偏差则是恒定的，允许上下偏差17微倒度。1.jpg (40.56 KB)2008-8-22 08:36分析上表，我们可以发现：一、光源的色温较低时，允许的色温偏差值较小；光源色温较高时，允许的色温偏差值较大。 以下内容需要回复才能看到二、光源色温的上偏差（正的偏差值的绝对值）总是大于下偏差（负的偏差值的绝对值）。3.光源色温与摄像之间的关系人的视觉对色彩具有适应性，当我们用肉眼观看大千世界时，在不同的光线下，对相同颜色的感觉基本是相同的。而对于摄像机，它本身不可能适应广泛的色温变换，在不同的色温光源下拍摄同一物体，也会造成摄像机彩色还原失真。为了适应不同照明条件，使重现色彩正确，目前最常用的补偿方法是在变焦距镜头与分色棱镜之间加入数片色温滤色片，利用它们的光谱响应特性来补偿因光源色温不同引起的光谱特性变化。目前摄像机是按照演播室内光照色温3200K调整的，其光谱特性如下图所示：2.jpg (5.9 KB)2008-8-22 08:35当光源色温为6000K时，其光谱中蓝色成分显著提高，则摄像的光谱特性变成所示形状，如果插入的色温滤色片的光谱特性具有所示的形状，电视图像就不会因光源色温为6000K而产生颜色失真，即达到补偿作用。通过这种方式，在各种不同色温的照明光源条件下，可以相应地加不同的滤光镜进行色温校正，把照明光源色温变换成3200K。当然实际中摄像机遇到的色温变化是连续的，而采用上述方法只能分档进行，校正比较粗略。随着摄像机的型号不同，滤光镜也各异，分别有把3000K,4300K,4700K,5600K,6300K,7500K等各种色温转换成3200K的不同滤光镜，但在有限的3 4个位置上,至少有一个3200K左右的用于灯光和一个5600K左右的用于自然光。有些摄像机在色温滤色镜的位置还同时装有中性灰滤光镜（ND），它不会改变光线的颜色，只是使进入镜头的各种波长的入射光的光通量均匀减小，起到一种宽频谱的光线衰减作用。3.jpg (17.57 KB)2008-8-22 08:35二、摄像机的黑、白平衡调整1.黑、白平衡调整的必要性“白平衡（White Balance,简称WB）”只用于彩色摄像机，其用途是实现摄像机图像能够精确反映景物状况。如上所述，色温滤色镜的作用是校正色温，把照明光源色温变换为3200K，而实际上照明光源的色温并不完全正好等于滤色镜所能校正的那种色温，因此，校正后的光谱特性也不能完全与3200K光源的色温一致。同时，在电视图像中，任何一种颜色都是由红、绿、蓝三个基色按不同比例组成的。在摄像机里的三个基色信号分别通过许多级放大电路，由于元件参数的误差、温度的变化以及其它调整等有关因素的影响，这三个信号可能得不到相同的放大量，这样就破坏了三原色原有的比例关系，所拍摄出来的图像就可能偏离原来的颜色。所以为了获得较真实的图像色彩，还必须通过微调三路基色信号放大器的增益，也就是调整白平衡电路，才能使色彩准确地还原。就是说，加用滤光镜可以看做是白平衡的粗调，而调整白平衡则是获得标准色温的重要保证。一般来说，在摄像过程中白平衡的调整相对比较重要，然而，摄像机在拍摄黑色物体时，三个基色电平也应相等，这时显像管荧光屏上才能反映出不带任何其它颜色的纯黑色，这种现象叫黑平衡，摄像机只有白平衡和黑平衡都调整正确，所拍摄的图像才可能不论亮暗均不偏色。2.自动白平衡和手动白平衡根据三基色原理，亮度信号(Y)是由红(R)、绿(G)蓝(B)三个基色信号按Y=0.30R+0.59G+0.11B的关系组成。取黑白景物时，三路基色信号的电流应该始终保持0.30：0.59：0.11的比例,电平相等,幅度为0.7Vp-p,使信号中的色度信号幅度为零，Y信号成为标准白光，这就是白平衡原理。(1)自动白平衡白平衡分为自动白平衡和手动白平衡。自动白平衡（AWB，Automatic White Balance）使得摄像机能够在一定色温范围内自动地进行白平衡校正，其能够自动校正的色温范围在2500K 7000K 之间，超过此范围，摄像机将无法进行自动校正而造成拍摄画面色彩失真，此时就应当使用手动白平衡功能进行白平衡的校正。自动白平衡又分为自动跟踪白平衡和自动控制白平衡。自动跟踪白平衡（Automatic Tracking WhiteBalance,ATW）是指全程检测照明环境，随着景物色温的改变而连续地调整，范围一般为2800K6000K。这种方式对于景物色温在拍摄期间不断改变的场合是最适宜的，使色彩表现自然，但对于景物中很少甚至没有白色时，比如场景大部分是蓝天白云或夕阳等高色温物体以及场景比较昏暗的场合下，连续的白平衡不能产生最佳的彩色效果。自动跟踪白平衡调整的调整过程大约需要10秒钟的时间，在此期间不要进行拍摄记录，因为这段时间白平衡电路正在调整，画面色彩还原不正常。自动控制白平衡（Automatic White BalanceControl,AWC）,需要先将摄像机对准白色参考物，然后再通过菜单或开关设置从手动改变为自动方式，保留在该位置几秒钟或者至图像呈现白色为止在白平衡被执行后，将自动方式开关拨回手动位置以锁定该白平衡的设置，此时白平衡设置将保持在摄像机的存储器中，直至再次执行被改变为止，其范围为2300K10000K在此期间，即使摄像机断电也不会丢失该设置，以按钮方式设置白平衡最为可靠和精确，适用于大部分应用场合。(2)手动白平衡要想把白平衡调整得更精确，或者为了拍摄某一特定场景（如晚霞照射下的景物），把偏色的现象呈现出来，可以利用手动方式来调整。然而大部分摄像机机身外部不设手动白平衡调整钮，而要通过摄像机控制器（CCU）来进行。3.调整白平衡和黑平衡为了实现色彩重现，在滤光镜选好后，就应进行白平衡与黑平衡的调整。(1)首先选一个白色物体作为调整的标准。白色物可以是摄像机附带的白板或测试卡，如灰度测试卡，通常其白色比较标准，如果没有测试卡，也可以用较白的纸，甚至在外拍要求不高时，为抢时间，也可以利用白墙、白衬衣等来调整白平衡。( 2 ) 将选好的白色物置于实际拍摄场景的光照之下，而且是放在被摄主体的位置，使得到的照明光线与之相同，但需要注意白色物上不要出现反光点。(3)把摄像机的镜头对准白色物，调整镜头焦距，使白色物充满整个荧光屏画面。(4)拨动自动白平衡的触发开关钮，电路就开始自动调节，过23秒钟后，白平衡指示灯亮或寻像器上显示文字“OK”，就表明白平衡已经调好，并将其状态存入记忆电路。(5)把自动白平衡的触发钮向相反方向拨动，自动黑平衡电路就开始工作，此时光圈先自动关上，然后电路再对黑平衡进行自动调节，过几秒钟，黑平衡指示灯（一般与白平衡共用一个指示灯）亮或寻像器上显示出“OK”表明黑平衡已调好，并存入记忆电路。通常黑平衡的调整会影响白平衡的状态，所以调整完黑平衡后应再调一次白平衡，即调整次序为：白平衡黑平衡白平衡。有时为了简化，也可省去第一次的白平衡调整，即：黑平衡白平衡。4.白平衡调整应注意的问题(1)标准白色被摄物体的选择极为重要，应尽可能采用不反光（即“标准白”）的纯白物体，同时注意拍摄角度，防止反光。(2)聚焦时不要聚得太实，应该处于虚焦状态。此时可使通过镜头的光线处于漫射状态，CCD器件感受的白色比较均匀，以保证白平衡调整精确。(3)在日光下进行白平衡调整，要注意太阳光和天空光的比例，太阳光的色温低于天空光，它对于白纸的反射角度不同，摄像机取得的白平衡也不同，把白纸按顺光放置取得白平衡时，白纸几乎不反射天空光，摄像机平衡在比较低的色温上，一般来说，将白纸放在能反射阳光的45角上调整白平衡，所取得的效果不错。阴天时，可以把白纸稍微向地面倾斜，以达到降低色温的目的。(4)室内混合光照明条件下，要按照拍摄方向及景别调整白平衡。一般情况下有两种处