白平衡理论

简介

    光映射到人的眼睛，波长决定了光的色相。在电磁波辐射范围内，只有波长380nm到700nm的辐射能会引起视感觉，这段光波为可见光。

    光源表现的光色用色温来描述。当光源与黑体的辐射具有相同的色度值时，黑体所具有的温度为该光源的色温，用绝对温度K表示。黑体在不同温度下辐射呈现不同的颜色，所呈现颜色的色度可在色度图上标出弯月形曲线，称为普朗克轨迹。

    人工光源中，只有白炽灯与黑体加热发光相似，其色温为2856K，呈现的昏黄色与黑体在2856K时发出的颜色一样，而灯丝也接近此温度。其它人工光源的光色，不是黑体辐射，只能比照黑体辐射同颜色时的温度，这样确定的色温叫相关色温。平时我们所说的色温大多是指相关色温。

    和普朗克轨迹相交的直线为等温线，线上各点的相关色温相同，等于这条线与普朗克轨迹交点的黑体色温。

    光源的颜色包含两方面：色表和显色性。人眼直接观察光源所看到的颜色印象称为色表，用色温表示，是衡量光源色的指标。光源照射到物体后，人眼所看到的物体外观呈现的色彩客观效果，称为显色性，用显色指数表示，是衡量光源视觉质量的指标。

    摄影对象的颜色会因投射光线的颜色产生改变，在不同光线的场合下拍摄出的照片会有不同的色温，例如在钨丝灯照明下拍出的照片会偏黄。人类的眼睛会自动修正这种因光线而产生的改变，但相机传感器却不具备这样的功能。所以，通过白平衡的修正，调整整个图像红绿蓝三色的强度，以修正外部光线所造成的误差。

    理论是灰色的，实践之树常青。就此打住，不多费口舌。下面深入讨论NC白平衡调整原理。

彻底剖析NC白平衡调整

    所有Raw转换软件，白平衡用两个参数调节：色温(精确一点是指相关色温)和色调(tint)。调整色温实际上是沿着色度图上的普朗克轨迹(上图中的弯月线)，补偿光源的光色(即色表，光源的视觉外貌)。调整色调是沿着横跨普朗克轨迹的相关色温等值线(上图中的胡须线)，补偿光源的视觉质量(即显色性，对影像的实际影响与相同色温的参考光源下呈现之色彩的差异)。

    然而，相机并不测量或者记录光源色温，软件内部也不用色温作为白平衡调整参数。那么，平时所说的白平衡数据，究竟是指什么？

    Raw拍摄时记录的白平衡信息，存放在Raw文件的标签资料里面，属于厂商自定义数据(MakerNote)，一般Exif软件无法读出。NEF文件包含的白平衡信息共有三项：WhiteBalance(名称, 如白炽灯)，WhiteBalanceBias(微调, 如+1)，ColorBalance (数值)，标签代号分别为0x0005, 0x000b, 0x000c。真正有意义的是第3项ColorBalance ，就是我们需要的白平衡数据，它指红色与蓝色通道的增益值，所谓的增益(gain)是指信号的放大或缩小比例。对尼康单反而言，白平衡数据包含4个16位整数，前2个整数的比值代表红色通道的增益值，后2个整数的比值代表蓝色通道的增益值。

    这组数据可以是相机工作时根据捕获的影像自动计算而得(自动白平衡)，或者选用预设的白平衡数据(日光、荧光灯等)，称之为相机白平衡，红蓝通道增益值分别为R1和B1。用Raw拍摄，R1和B1数值保留在NEF文件的标签资料里，供Raw转换软件使用。用Jpeg拍摄，R1和B1数值仅在记录影像文件时使用，没有保留在Jpeg文件里，因此后期无法修正Jpeg白平衡。

    针对D70/D70s相机，我把所有的预设白平衡数据整理出来，供大家参考(下图)。

    Raw转换软件打开NEF文件调整白平衡时，并不直接修改R1和B1数值，而是调整增益系数。以NC为例，新白平衡数据等于相机白平衡数值乘以增益系数，即

R2 = R1 * a
B2 = B1 * b

    式中，R1和B1为相机白平衡数据，R2和B2为新白平衡数据，a和b为红蓝增益系数，就是灰点调色板的红蓝文本框中的数值。

    举例说明，用NC打开一个NEF文件，调色板显示相机白平衡为自动白平衡(Auto)，但不显示R1和B1数值(可以用其它方法，读出该NEF文件内相机纪录的白平衡数据R1=1.98, B1=1.76)，设置灰点的红蓝文本框中的数值全部为1(a=1, b=1)，此时，新白平衡等于相机白平衡(R2=R1, B2=B1)。

    现在，把白平衡改为阴天(色温6000K)，设置灰点调色板显示的红蓝增益系数变为a=1.14, b=0.83，此时，新白平衡数据等于R2=1.14*R1=2.26, B2=0.83*B1=1.46，正是阴天6000K的白平衡预设值。

    也就是说，白平衡调色板尽管分别有设置色温和设置灰点两项，两者的功能却完全等同，说白了，一个班子两块牌子而已。用设置色温来修改白平衡与直接输入红蓝增益系数是同一回事情。

    下面来看一下用取样灰点指定图像白平衡，实质是使用一个单独的像素或被选区域里所有像素的平均值来定义a和b。可以简单估算如下：

a=G/R=132/113=1.17     b=G/B=132/145=0.91

    因为是简单估算，所得数值和NC计算结果有点偏差。NC计算方法不会这么简单，估计还要考虑三原色感光元素的亮度值等等，具体算法不详。

    以上就是NC白平衡调整的工作原理，就是这么简单。仔细来看，预设白平衡的数据是否准确十分重要，这方面，我们应该信任尼康工程师所做的标定工作。

- 扩充NC白平衡调整功能

    D70/D70s相机共分白炽灯、萤光灯、直射阳光、闪光灯、阴天、阴影6种预设白平衡，其实只是白炽灯、萤光灯、日光、闪光灯4种，直射阳光、阴天、阴影实质是一种，分别对应不同色温段而已。见下图。

    根据说明书，尼康建议在大多数光源下使用自动白平衡。如果不能通过自动白平衡获得预期效果，可从6种预设白平衡中选择一项。问题来了，NC并无显示自动白平衡的增益数值或者色温，如果想降低或升高色温，需要先选用一项预设白平衡才可以做得到。

    这其实并不容易，下图所列3项预设白平衡都具有相同色温5000K，但红蓝增益数值完全不同(这是因为不同光源的显色性不一致，并非尼康误设增益数值)，据此调整白平衡，效果当然不同。

    可以解决这个问题。我用自动白平衡分别在+3至-3的微调范围内拍摄，不同场景进行了2轮测试，然后把增益数值画成曲线。可以看出，自动白平衡增益曲线是条直线，斜率固定。根据测试结果，我整理出自动白平衡微调换算表，供D70/D70s用户参考。

    如何运用表格中的数据？比如，用了D70/D70s自动白平衡Auto±0拍摄，想要修改为Auto-2(增加暖色调)，只需打开设置灰点调色板，直接输入增益系数a=1.05, b=0.93就可以了。