彩色攝像機白平衡調整技術

   這篇文章本來不是講專業(yè)監(jiān)控攝像機的白平衡調節(jié)技術，苦于專業(yè)監(jiān)控用攝像機技術少有整理成文的。且專業(yè)技術人員比較少，比較分散，在網(wǎng)上偶然看到此文所以轉過來，希望對監(jiān)控方面調節(jié)攝像機的白平衡有所幫助。金輝安防同盟將竭盡全力為安防技術普及推廣增加動力。

    摘要：白平衡的調整是拍攝過程中最常用最重要的步驟。正確掌握白平衡的調整技術，是拍攝理想畫面的關鍵。本文就彩色攝像機白平衡調整的重要性和調整方法以及常規(guī)、非常規(guī)白平衡的調整進行論述，提出實現(xiàn)主觀色彩的幾種途徑。 

    關鍵詞：白平衡 調整 色溫 

    各類彩色電視節(jié)目，最終將作為視覺形象在電視機的屏幕上顯現(xiàn)出來，因此，對重現(xiàn)色彩處理的得當與否，將直接影響電視節(jié)目內容的表達，電視制作質量的高低。重現(xiàn)色彩的逼真度，是彩色攝像機最重要的指標之一，它不僅決定于攝像機本身，而且還受到照明光源的種類和方法以及白平衡調整的技術等諸多因素的影響。光源色溫的判別、標準白的選擇及白平衡的調整是拍攝理想畫面的關鍵。 

    1、白平衡調整的重要性及其方法 

    國際上規(guī)定的標準白光有A、B、C、D、E五種，它們有不同的光譜功率分布和相應的色溫。在彩色電視系統(tǒng)中，采用6500K的D光源作為標準白光。 

    亮度信號（Y）由紅、綠、藍基色信號組成的比例關系為：Y=0.30R+0.59G+0.11B。當攝取黑白景物時，紅、綠、藍的電流應始終保持0.30、0.59、0.11的比例，使Y信號成為標準白光，這就是白平衡。為了保持攝像機紅、綠、藍三個基色信號電路有相同的放大倍率，應根據(jù)照明光源的變化，適時調整紅、綠、藍三個基色信號的合成比例。若合成的比例有偏差，Y信號就帶有某種顏色。例如，紅電流信號若超過0.3的比例，則Y信號將偏紅；藍電流信號若超過0.11的比例，則Y信號將偏藍。由此可見，白平衡的調整好壞，將直接影響彩色圖像的色調，關系到能否正確反映景物的顏色。 

    景物重現(xiàn)的色彩不僅與本身特征有關，而且與照明光源的光譜成分（即光源的色溫）有關。由于各種光源的色溫不相同，且色溫又隨著環(huán)境光源的強弱而變化，但攝像機所需的平衡色溫是固定的。同一物體在不同色溫的光源照明下，重現(xiàn)的顏色是不一樣的。例如，白色物體在高色溫光源照明下就偏藍，在低色溫光源照明下就偏紅。為適應不同的照明條件,在變焦距鏡頭與分色棱鏡之間加入色溫濾色片，利用它們的光譜響應特性來補償由于色溫不同所引起的光譜特征變化，即對光的不同波段進行有選擇性的吸收，使之符合攝像機的平衡色溫。由以上分析可見，白平衡的調整是十分重要的。

    自動白平衡調整電路通常使用兩種處理技術：一是將處理放大器輸出的紅、綠、藍三個基色信號送入白平衡電路，分別經(jīng)白平衡門脈沖取樣、整流，得到平均直流電平，再將紅路和藍路的平均電平分別與綠路的平均電平進行比較；以綠路電平為基準，將所得的誤差電壓放大后送回處理放大器的增益控制級，從而改變紅、藍兩路的增益，使其輸出信號電平與綠路信號電平相等來實現(xiàn)白平衡。二是將色差信號R－Y和B－Y送入自動白平衡電路，經(jīng)RC網(wǎng)絡積分后，與零電位進行比較；當攝取白色景物并達到白平衡時，兩個色差信號都為零。因此，色差信號和零電位進行比較時，若R－Y＞0，則比較器輸出電壓就加到紅路增益控制級使其增益減小，直至R－Y＝0。反之，若R－Y＜0，則紅路增益增大。同理，藍路增益由B－Y信號控制。 

    圖1采用第一種自動白平衡處理技術。被攝取的光像通過分色棱鏡分光成為紅、綠、藍基色光，再經(jīng)各自的CCD器件轉換為基色信號，CCD器件輸出的信號通過取樣保持電路，控制輪廓補償器和白平衡電路后進入處理電路（信號處理），最后經(jīng)編碼器形成NTSC或PAL信號輸出。當紅、綠、藍三路基色信號電平相等且為1（即ER=EG=EB=1，EY=1）時，信號中的色度信號幅度為零，編碼輸出的僅為亮度電平，幅度為1，從而實現(xiàn)白平衡。 

    2、常規(guī)白平衡調整的技術 

    在實際拍攝過程中，要通過白平衡調整來校正因光源的色溫變化而引起的圖像偏色。白平衡調整的步驟：1）大范圍內的調整。根據(jù)拍攝現(xiàn)場照明光源的色溫選擇合適的色溫濾色片。例如，在低色溫光源下拍攝，景物會偏紅，應選用①號（3200K）偏藍的色溫濾色片，使畫面增添藍色成份；在高色溫光源下拍攝，景物會偏藍，應選用③號（5600K）偏桔紅的色溫濾色片，使畫面增添紅色成份。2）在大范圍調整的基礎上，采用自動白平衡調整方法，以保證準確的色彩還原。實際操作時要注意以下幾點：（1）白紙應占畫框的80%以上；（2）要有足夠的照度；（3）尋像器中尚未顯示“OK”字符時），不要移開攝像機；（4）要與被攝景物在同一色溫的光源下進行；（5場景或照明光源變化較大時，應重新進行調整。為了獲得準確的白平衡，必須選擇標準紙作為白平衡調整的基準。若每次都隨意選擇一個“白”色物體（如白紙、白布、白墻等）作為基準，由于這些物體“白”的程度不一樣，將使白平衡數(shù)值有差異，造成畫面的色調不一致。因此，要采用攝像機附件中提供的白平衡調整卡紙來進行，即使沒有專用的卡紙，應通過實踐比較的辦法，選出效果最好的作為調整卡紙。 

    在實際拍攝過程中，經(jīng)常遇到照明光源為混合光。室內拍攝時，有人工照明光源，室外陽光的直射光和散射光，都直接或者間接地入射到被攝景物，造成光源的色溫不一致。例如，室內用3200K的新聞燈照明，窗口有5600K的散射光入射，兩者之間存在著較大的色溫差。在這種情況下，若選擇①號色溫濾色片，拍攝出來的畫面為：以新聞燈為主的景物色彩還原較正常，而以散射光照明為主的景物色彩偏藍；若選擇③號色溫濾色片，會使以新聞燈為主的景物色彩發(fā)黃偏紅，而以散射光照明為主的景物色彩較正常。從拍攝出來的畫面中看，好像光源中多了藍燈或紅燈似的，而這種現(xiàn)象總是在自然光的照度不夠而采用人工照明的情況下發(fā)生的。由此可見，不同色溫的光源混合照明，不會得到理想的色彩還原。因此，要盡量避免在同一景物中存在兩種以上不同色溫的光源。通常采用以下兩種方法加以解決：（1）采用窗簾布滿或桔紅色的透明紙遮擋入射室內的散射光，以①號色溫濾色片調整白平衡。（2）以③號色溫濾色片調整白平衡，采用高色溫照明光源；或者采用淺藍色的透明紙置于新聞燈前面，提高光譜色溫，以求同室外散射光的色溫一致。 

    3、非常規(guī)白平衡調整的技術 

    根據(jù)拍攝現(xiàn)場照明光源的色溫按常規(guī)方法調整白平衡，能使景物的色彩逼真地重現(xiàn)。但是某些畫面為了強調藝術效果，有時并不需要忠實地重現(xiàn)原來的色彩，而是根據(jù)內容情節(jié)，對被攝景物的色彩進行再創(chuàng)作。

    若兩種顏色以適當比例混合后形成白色，那么這兩種顏色稱為補色。例如，藍與黃、紅與青等。由于卡紙所給出的基準白是攝像機在白平衡時確定紅、綠、藍幅度比例的依據(jù)，因此，在拍攝中可通過選擇不同顏色的卡紙調整白平衡來控制畫面色調。例如，用淡紅色的卡紙調整白平衡時，不論照明光源的色溫如何，均可通過自動白平衡調整電路控制增益，使紅信號的幅度減小，即增大綠、藍信號的幅度，使之滿足ER=EG=EB，從而使淡紅色的卡紙在彩色監(jiān)視器上顯示白色。由于淡紅色的卡紙與標準白的差別不是因照明光源色溫的高低所引起，所以，當用該攝像機拍攝同一光源下的景物時，就會因綠、藍信號幅度的增大而使所攝的畫面鋪上一層淡青色，從而形成冷色調。同理，若把卡紙換為淡青色，自動白平衡的結果將通過增益控制使紅信號的幅度增大，給畫面增添暖色調�？�紙所含紅色或青色的比例越大，所獲得的冷或暖的程度越高。由此可見，偏色卡紙所確定的紅、綠、藍合成比例，正是增大了卡紙偏色的補色，也就是說，白平衡是平衡在偏色的補色上，其實質是使白平衡“不平衡”而獲得所需要的色彩。根據(jù)這個原理，若在卡紙上有意摻入某種顏色，然后按常規(guī)方法調整白平衡，則畫面將偏向卡紙偏色的補色（見圖2）。

    若選擇卡紙含任一端的顏色，在調整白平衡后畫面則偏向另一端的顏色。通常在103º～167º（紅、黃）和283º～347º（青、藍）的兩條矢量線間的色區(qū)中選擇卡紙的顏色來實現(xiàn)某種藝術效果。例如，拍攝日出朝霞或夕陽西下景象，適當夸張黃紅色；青山綠水的自然景象，適當夸張青綠色；表現(xiàn)海水、月夜等冷色調時，適當偏青藍色。筆者在獲全國黨員電教片紅星三等獎的專題片《闖海的學者》中拍攝海邊日落一景，使用DXC—327P型攝像機，用天藍色卡紙調整白平衡后得以實現(xiàn)。又如，在四集電視系列片《南天頭雁》中拍攝夕陽下海邊織漁網(wǎng)的場景，也采用同樣的方法調整白平衡，達到了較好的藝術效果。

    3.2 卡紙放置角度的選擇 

    若卡紙的顏色不變，而選擇其放置的角度，使卡紙所接受的光譜成份的比例不同，將造成色溫上的差異，調整白平衡后的色彩還原將發(fā)生變化。在一般的情況下，被攝景物都在鏡頭光軸延長線的垂直方向上，卡紙的受光情況與實際拍攝情況相同。若把卡紙向上傾斜，使卡紙接受光照的比例增大（即在高色溫上調整白平衡），由于拍攝時的色溫低于調整時的色溫，因此畫面將偏向暖色調。反之，若把卡紙向下傾斜，使卡紙主要接受地面的散射光（即低色溫），畫面將偏向冷色調。 

    由于選擇不同角度放置卡紙而造成的色溫差是隨環(huán)境而變的，因此，調整白平衡后偏色的幅度并沒有明顯變化。若不超出色溫的偏差范圍，調整白平衡后就不會在監(jiān)視器上明顯感覺到色的差異，同時，在光源色溫較低時，允許的色溫差值小，而在光源色溫較高時，允許的色溫差值很大（見圖3）。

    3.3 色溫濾色片的選擇

    利用色溫濾色片的某一檔調整白平衡，再用比該檔色溫高（或者低）的另一檔色溫濾色片在同一光源下拍攝，就能獲得暖色調（或者冷色調）的效果。也就是采用色溫濾色片“低調高用”或者“高調低用”的方法，有意使色溫不平衡，可以實現(xiàn)對色彩的主觀要求。其方法是：先用低色溫濾色片（如3200K）把光源的色溫降低到接近攝像機的平衡色溫。然后通過自動白平衡來補償大范圍調整后剩余色溫差，使光源的色溫與攝像機的平衡色溫在數(shù)值上相等，即達到色溫平衡，再換到高檔（如5600K）拍攝。由于照明光源的色溫不變，而此時的白平衡電路是根據(jù)“低調” 色溫濾色片變換后剩余誤差保持平衡的，色溫值高的比色溫值低的色溫濾色片色溫降低幅度大，使光源的實際色溫比攝像機的平衡色溫低，所以畫面偏暖色調。同理，采用色溫濾色片“高調低用”，可使畫面偏冷色調。色調的暖冷程度視色溫濾色片的色溫值的差異而定。若調整時與拍攝時的色溫值相差越大，畫面所獲得的暖冷色調越重，反之則越輕。筆者在四集電視系列片《特區(qū)先鋒》中拍攝人物在爐火前思索的臉部表情時，就是采用3200K色溫濾色片調整白平衡后，再改用5600K色溫濾色片進行拍攝，使人物臉部偏暖色調，從而實現(xiàn)表達人物的內心世界的目的。

    3.4 光路色溫的選擇

    在攝像機前加入顏色濾紙調整白平衡（濾紙顏色的濃淡視要求暖冷色調的程度而定），然后舍去濾紙進行拍攝，可使畫面的色調發(fā)生變化。這是因為在光路中加入顏色濾紙后改變了入射光源的光譜成份，即提高（或者降低）了光源的色溫，而實際拍攝時的光源是加入濾紙之前的低（或者高）色溫。筆者在拍攝燭光下學習的場景時，既要人物色彩的真實重現(xiàn)，又要燭光的效果，就是在照明燈之前加入藍色濾紙后調整白平衡的。由于在高色溫的環(huán)境下調整，而在該光源下拍攝，人物的色彩還原較好，因燭光火焰的色溫比加入藍色濾紙后的光源色溫低得多，所以畫面偏暖色調。

    在太陽的直射光（暖色）和天空的散射光（冷色）環(huán)境下拍攝，被攝景物中存在著雙色性（即混合光）。根據(jù)瑞利散射結論：f（λ）/λ4（式中f（λ）為光源中強度按波長分布的函數(shù)，可知，散射光的強度與波長的四次方成反比，說明了短波光的散射比長波光強得多，即散射光中短波光占優(yōu)勢，因而色溫較高。根據(jù)這一結論，若在逆光下調整白平衡，而在順光下拍攝，就能使畫面偏暖色調；反之可獲得冷色調。

    以上幾種白平衡調整技術各有特點，且校色的幅度也有所不同。因此，不論使用哪種技術，都應根據(jù)攝像機的性能和功能來選擇，在拍攝過程中采用彩色監(jiān)視器進行現(xiàn)場監(jiān)視畫面效果，并及時加以調整，就能夠達到電視創(chuàng)作的理想要求。