白平衡是什么？怎么理解白平衡？

首先要明白什么是白平衡, 它指的是在图像处理的过程中, 对原本材质为白色的物体的图像进行色彩还原, 去除外部光源色温的影响, 使其在照片上也显示白色。

 

那色温是怎么理解的呢？这个概念其实有点绕, 它是开尔文通过黑体(blackbody) 这一理想光源, 在不同温度下, 所发出光线的颜色特性来定义的。黑体是一个理想化的概念。它是这么一个物体, 能发光, 但会吸收掉任何来自外部的光线, 同时又会把吸收的所有能量以光的形式完全释放出来, 所以叫做黑体。黑体的温度单叫做开尔(K)。从 3300K 到 9300K 的温度变化情况下, 它发光的颜色分别是, 红色, 白色、蓝色。便于理解, 你可以这么想象, 火焰你肯定见过, 内焰温度较低, 外焰温度较高(蓝色), 内焰温度较低的地方是黄色的(暖色), 于是火焰最外面温度最高的地方反而会是蓝色的(冷色), 是不是有点反常识。而色温就是借助黑体的这个温度变化特性来量化色彩倾向的。色温数值低, 偏黄, 色温数值高, 偏蓝, 所谓的冷暖色调就是一种比较感性的叫法了。

 

<3300K

暖色

 

3300~6000K

白色

 

>6000K

冷色

 

以下是几个常见场景的色温：

 

烛光 1930K, 钨丝灯 2900K, 中午阳光 5600K, 蓝天 18000K

 

讲白平衡是如何修正之前, 有两个很重要的理论需要知道：

 

灰度世界理论：这个理论蛮有意思, 与其说是色彩学, 我觉得更像是统计学的范畴, 它认为任何一幅图像, 当有足够的色彩变化时, 其R, G, B分量均值会趋于平衡(即 RGB 三个数值相等, 也就是说应当是黑白灰类型的颜色)。这个理论在全局白平衡中得到广泛应用, 特点是能够利用更多的图像信息来做判断, 但在面对色彩较为单一的图像时就显得有些乏力了。

 

全反射理论：一幅图像中亮度最大的点就是白点, 即假设在 YCbCr 空间中Ｙ值最大的点为白色, 以此来校正整幅图像。特点是只考虑色彩最亮的那部分, 跟上面的灰度世界理论正好相反, 在处理色彩偏单调的图像时效果好些, 但面对颜色丰富的图片时, 因为最亮的点不一定是白色的, 可能会出现偏色的情况。

 

这两个理论分别对应着两种色彩空间 RGB 和 YCbCr 调整白平衡的理论基础：判断一张图片白平衡是否准确, 如果不准确, 如何量化其偏离数值。

 

白平衡就是一个纠正画面整体偏色的过程, 那为什么人眼不需要呢？其实在你看到一个东西的时候, 眼睛就已经对它进行了色彩修正。相机肯定没有人眼那么智能(至少现在没有), 概括的说, 它的自动白平衡算法就是设定一个范围, 如果拍摄照片的色彩平均值落在这个范围里面, 那就 OK, 说明无需修正。如果偏离出这个范围, 就需要调整参数, 并校正色彩数据直到其均值落入指定的范围内。这就是WB白平衡修正的过程。

 

下面就来简单介绍几个白平衡算法大致原理, 但具体的增益计算和数学建模过程就不作赘述了, 这东西正常人看了都会头大的。

 

1. 灰度世界算法(Gray World Assumption)

这个算法原理很简单, 就是根据前面所说的灰度世界理论, 将原始图像的RGB均值分别调整到R=G=B即可。不完美的地方就是这个算法对颜色不丰富的图像敏感程度一般, 处理起来效果也就不会很理想, 局限性较大。

 

2. 标准差加权灰度世界算法(Standard DeviationWeighted Gray World Assumption)

标准差加权灰度世界算法是针对上一个算法的改进, 它的原理是把图像等分成几块, 然后对每个块利用统计学进行分析, 看里面颜色的丰富程度, 颜色多的就加权, 颜色少得就减少权重, 最后求和得出一个均值。根据这个相对精确的数值来进行RGB数值的修正。

 

3. 全反射算法(Perfect Reflector Assumpution)

这个是基于前面介绍的全反射理论生成的算法, 理解起来也不难, 它认为中最亮的那个点就一定是白色的, 如果原始图像中最亮的那个点不是, 那就针对偏离白色的数值进行逆向修正。缺点就是如果图像色彩复杂或者就是没有高光点, 它的修正效果就会比较乏力。

 

上面三个算法比较简单, 运算量不大, 但各有优缺点, 也就进一步衍生出了更加有效但是却要复杂的多一些混合算法, 例如：亮度加权灰度世界算法与全反射算法的正交组合算法(QuadraticCombining Luminance Weighted Gray World & Prefect Reflector Assumption)。看这么长的名字就知道, 这个算法很复杂, 白平衡修正效果也是蛮不错的, 而且它本身是收敛的, 在对图像处理的时候不会带来太多损失, 但可惜运算量巨大, 对硬件资源的要求过高。

 

算法方面挺枯燥的, 非理工科对数学没兴趣的也可以直接略过, 大体知道这么回事儿就行。但我可以给出的结论是：最终效果越好的算法, 其复杂程度就越高, 运算量就越大, 对硬件电路的要求也高。具体的实现还需要在白平衡校正能力, 算法执行效率, 处理器硬件性能三个方面进行权衡。

 

而通过上面的了解你就会发现, 如果ISP图像处理器的性能够高, 白平衡算法施展的空间就会大了很多。某些时候白平衡不准确, 一定程度上确实是与ISP性能跟不上有关, 当然, 这里也要看各家厂商在算法优化方面的功底。一般来说同一代各个品牌的旗舰处理性能差别不会特别大, 虽然软件方面下的功夫不容易看到, 但重要性确实毋庸置疑的, 能否把硬件整体性能充分发挥出来才是关键。

 

举例来说, 在单反刚刚数码化的那个年代, 相机的图像处理器性能比较低下, 难以承受高运算强度的白平衡算法的蹂躏, 于是很多单反相机(如佳能1D, 尼康D2, 奥林巴斯E-1等) 机身上是有一个白平衡感应装置的(就是机身正面的那个小白点), 这个可以辅助提高白平衡准确度。到后来随着相机图像处理器的性能飙升, 大概是从富士通给尼康代工的Expeed一代处理器开始, 就取消了外置白平衡感应器这个装置。通过越来越多的RGB测光分区数, 配合越发强大的处理器来进行更加准确的色温修正。这里多说两句, 分区越多, 白平衡采样处理就越准确, 但同时也会带来计算量上面的飙升, 从最初的只有几个分区, 到 D800 上面用的 9.1 万像素 RGB 感应器, 在同时完成测光和白平衡计算的同时, 甚至还能够余出力气进行人脸识别, 背后那块改用了 ARM 架构 Expeed 3 才是最大的功臣。而像 DC 啊, 手机摄像头啊这类连续取景的相机, 则是用前一帧图像的处理结果应用到后面的图像上去的, 实现方式同单反上面那个单独的测光感应器还不太一样的。这是产品本身结构差异性导致的。

 

下图这组图片中就是在设置不同的白平衡下拍摄的：

 

出处：www.zealer.com 李侃 http://www.zealer.com/question/4