彩色攝像機(jī)白平衡調(diào)整技術(shù)

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

    摘要：白平衡的調(diào)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(diào)整技術(shù)，是拍攝理想畫面的關(guān)鍵。本文就彩色攝像機(jī)白平衡調(diào)整的重要性和調(diào)整方法以及常規(guī)、非常規(guī)白平衡的調(diào)整進(jìn)行論述，提出實現(xiàn)主觀色彩的幾種途徑。 

    關(guān)鍵詞：白平衡 調(diào)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(jī)的屏幕上顯現(xiàn)出來，因此，對重現(xiàn)色彩處理的得當(dāng)與否，將直接影響電視節(jié)目內(nèi)容的表達(dá)，電視制作質(zhì)量的高低。重現(xiàn)色彩的逼真度，是彩色攝像機(jī)最重要的指標(biāo)之一，它不僅決定于攝像機(jī)本身，而且還受到照明光源的種類和方法以及白平衡調(diào)整的技術(shù)等諸多因素的影響。光源色溫的判別、標(biāo)準(zhǔn)白的選擇及白平衡的調(diào)整是拍攝理想畫面的關(guān)鍵。 

    1、白平衡調(diào)整的重要性及其方法 

    國際上規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的色溫。在彩色電視系統(tǒng)中，采用6500K的D光源作為標(biāo)準(zhǔn)白光。 

    亮度信號（Y）由紅、綠、藍(lán)基色信號組成的比例關(guān)系為：Y=0.30R+0.59G+0.11B。當(dāng)攝取黑白景物時，紅、綠、藍(lán)的電流應(yīng)始終保持0.30、0.59、0.11的比例，使Y信號成為標(biāo)準(zhǔn)白光，這就是白平衡。為了保持?jǐn)z像機(jī)紅、綠、藍(lán)三個基色信號電路有相同的放大倍率，應(yīng)根據(jù)照明光源的變化，適時調(diào)整紅、綠、藍(lán)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(lán)電流信號若超過0.11的比例，則Y信號將偏藍(lán)。由此可見，白平衡的調(diào)整好壞，將直接影響彩色圖像的色調(diào)，關(guān)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(guān)，而且與照明光源的光譜成分（即光源的色溫）有關(guān)。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(jī)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(lán)，在低色溫光源照明下就偏紅。為適應(yīng)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(yīng)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(jìn)行有選擇性的吸收，使之符合攝像機(jī)的平衡色溫。由以上分析可見，白平衡的調(diào)整是十分重要的。

    自動白平衡調(diào)整電路通常使用兩種處理技術(shù)：一是將處理放大器輸出的紅、綠、藍(lán)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(lán)路的平均電平分別與綠路的平均電平進(jìn)行比較；以綠路電平為基準(zhǔn)，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(lán)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(luò)積分后，與零電位進(jìn)行比較；當(dāng)攝取白色景物并達(dá)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(jìn)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(lán)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(shù)。被攝取的光像通過分色棱鏡分光成為紅、綠、藍(lán)基色光，再經(jīng)各自的CCD器件轉(zhuǎn)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(jìn)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(dāng)紅、綠、藍(lán)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(diào)整的技術(shù) 

    在實際拍攝過程中，要通過白平衡調(diào)整來校正因光源的色溫變化而引起的圖像偏色。白平衡調(diào)整的步驟：1）大范圍內(nèi)的調(diào)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(yīng)選用①號（3200K）偏藍(lán)的色溫濾色片，使畫面增添藍(lán)色成份；在高色溫光源下拍攝，景物會偏藍(lán)，應(yīng)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(diào)整的基礎(chǔ)上，采用自動白平衡調(diào)整方法，以保證準(zhǔn)確的色彩還原。實際操作時要注意以下幾點：（1）白紙應(yīng)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(jī)；（4）要與被攝景物在同一色溫的光源下進(jìn)行；（5場景或照明光源變化較大時，應(yīng)重新進(jìn)行調(diào)整。為了獲得準(zhǔn)確的白平衡，必須選擇標(biāo)準(zhǔn)紙作為白平衡調(diào)整的基準(zhǔn)。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(zhǔn)，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(diào)不一致。因此，要采用攝像機(jī)附件中提供的白平衡調(diào)整卡紙來進(jìn)行，即使沒有專用的卡紙，應(yīng)通過實踐比較的辦法，選出效果最好的作為調(diào)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(nèi)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(nèi)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(lán)；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(lán)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(nèi)的散射光，以①號色溫濾色片調(diào)整白平衡。（2）以③號色溫濾色片調(diào)整白平衡，采用高色溫照明光源；或者采用淺藍(lán)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(diào)整的技術(shù) 

    根據(jù)拍攝現(xiàn)場照明光源的色溫按常規(guī)方法調(diào)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(diào)藝術(shù)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(nèi)容情節(jié)，對被攝景物的色彩進(jìn)行再創(chuàng)作。

    若兩種顏色以適當(dāng)比例混合后形成白色，那么這兩種顏色稱為補色。例如，藍(lán)與黃、紅與青等。由于卡紙所給出的基準(zhǔn)白是攝像機(jī)在白平衡時確定紅、綠、藍(lán)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(diào)整白平衡來控制畫面色調(diào)。例如，用淡紅色的卡紙調(diào)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(diào)整電路控制增益，使紅信號的幅度減小，即增大綠、藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)白的差別不是因照明光源色溫的高低所引起，所以，當(dāng)用該攝像機(jī)拍攝同一光源下的景物時，就會因綠、藍(lán)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(diào)。同理，若把卡紙換為淡青色，自動白平衡的結(jié)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(diào)�？�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(lán)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(zhì)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(diào)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(diào)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(lán)）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(shù)效果。例如，拍攝日出朝霞或夕陽西下景象，適當(dāng)夸張黃紅色；青山綠水的自然景象，適當(dāng)夸張青綠色；表現(xiàn)海水、月夜等冷色調(diào)時，適當(dāng)偏青藍(lán)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(xué)者》中拍攝海邊日落一景，使用DXC—327P型攝像機(jī)，用天藍(lán)色卡紙調(diào)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(diào)整白平衡，達(dá)到了較好的藝術(shù)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(diào)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(diào)整白平衡），由于拍攝時的色溫低于調(diào)整時的色溫，因此畫面將偏向暖色調(diào)。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(diào)。 

    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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)（或者冷色調(diào)）的效果。也就是采用色溫濾色片“低調(diào)高用”或者“高調(diào)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(jī)的平衡色溫。然后通過自動白平衡來補償大范圍調(diào)整后剩余色溫差，使光源的色溫與攝像機(jī)的平衡色溫在數(shù)值上相等，即達(dá)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(diào)” 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(jī)的平衡色溫低，所以畫面偏暖色調(diào)。同理，采用色溫濾色片“高調(diào)低用”，可使畫面偏冷色調(diào)。色調(diào)的暖冷程度視色溫濾色片的色溫值的差異而定。若調(diào)整時與拍攝時的色溫值相差越大，畫面所獲得的暖冷色調(diào)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(diào)整白平衡后，再改用5600K色溫濾色片進(jìn)行拍攝，使人物臉部偏暖色調(diào)，從而實現(xiàn)表達(dá)人物的內(nèi)心世界的目的。

    3.4 光路色溫的選擇

    在攝像機(jī)前加入顏色濾紙調(diào)整白平衡（濾紙顏色的濃淡視要求暖冷色調(diào)的程度而定），然后舍去濾紙進(jìn)行拍攝，可使畫面的色調(diào)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(xué)習(xí)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(lán)色濾紙后調(diào)整白平衡的。由于在高色溫的環(huán)境下調(diào)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(lán)色濾紙后的光源色溫低得多，所以畫面偏暖色調(diào)。

    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(jié)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(jié)論，若在逆光下調(diào)整白平衡，而在順光下拍攝，就能使畫面偏暖色調(diào)；反之可獲得冷色調(diào)。

    以上幾種白平衡調(diào)整技術(shù)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(shù)，都應(yīng)根據(jù)攝像機(jī)的性能和功能來選擇，在拍攝過程中采用彩色監(jiān)視器進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)視畫面效果，并及時加以調(diào)整，就能夠達(dá)到電視創(chuàng)作的理想要求。