图像学-色温、白平衡与色彩恒常性

1. 色温

• 色温这个概念是从黑体辐射来的。
• 根据日常的经验我们可以知道，给一个铁块加热，随着温度升高，铁块开始是暗红色，逐渐变成亮红色，如果能达到炼钢炉里那样的高温，铁融化成铁水，发出耀眼的金黄色光芒。
• 而天文学家也告诉我们，宇宙中的恒星可以看做一个个黑体，随着恒星温度的升高，恒星的颜色也是从红色到黄色，非常高温度的恒星甚至发出偏蓝色的光。

直接渲染了不同温度下黑体辐射的颜色。下图就是渲染出的不同温度黑体的颜色。

​ （黑体辐射的颜色）

• 从这个例子里可以看出，随着温度的升高，黑体的颜色从暗红到亮红，逐渐到金黄色，再慢慢到蓝色。

• 在下面这个色品图上可以看得更清楚，随着温度升高，黑体颜色在色品图上移动，形成一条曲线轨迹

• 这条轨迹从右下角的红色区域出发，经过黄色区域，中间的白色区域，到达左侧的蓝色区域。这条轨迹就叫做 普朗克轨迹。下图显示了色品图上的普朗克轨迹（来自维基百科 普朗克轨迹）

​ （普朗克轨迹）

• 我们日常生活中，最重要的光源就是太阳，太阳发出的光很接近黑体光谱。我们的太阳表面温度约为 5500K，这个温度的黑体发出的光，基本就是白色。
• 读过本专栏之前文章的读者朋友肯定能理解，这当然不是巧合。在色彩空间中我们需要定义一个白点，而常见的一些标准白点，就是以 5500K 左右的黑体辐射（也就是我们的太阳）为基础的。
• CIE 委员会规定的几种标准白点中，D50、D55 和 D65 是常用的白点，参照了 5000K、5500K 和 6500K 的黑体辐射来定义，模拟了不同条件下（比如地平线方向的光照，上下午的室外，正午室外）的光照。
• 色彩空间 sRGB 所依赖的白点就是 D65。

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注意：

• 对于色温，通常有几个误解。第一个误解是混淆了色温和情感上的温度倾向。我们必须理解，色温是根据黑体辐射温度来定义的，是物理上的温度，而不是情感上的温度。
  • 从我们的情感上来说，橙色红色给人感觉温暖，蓝色给人感觉寒冷。但从色温的定义来看，红色橙色是温度较低的黑体发出的颜色，而温度高的黑体颜色反而是蓝色。
• 第二个误解是混淆了色温针对的对象。狭义上来说，色温是针对光源的。比如晴朗正午的室外，光源是太阳（以及部分蓝天），这个时候的光源接近标准光源 D65，色温接近 6500K；
  • 又比如说傍晚日落，经过大气层的散射，阳光中的蓝光大大减少，光线颜色偏黄，光源颜色也许接近 3500K 的黑体。

2. 白平衡

• 物理世界里是无所谓「颜色」这个概念的，一切都是 光谱功率分布，所谓的「颜色」，是人类视觉过程产生的一种感受。

• 正是如此，我们才有了「三原色」理论，我们才可以用三种颜色的光来模拟世间万物的颜色。

• 生活常识告诉我们，光源的颜色不同，照射到同一个物体上，会引起物体颜色的变化。从单纯的物理的角度来看，这个事情再正常不过了。

• 光源有光谱功率分布，物体对不同波长的光线又有不同的反射率，那么光源照射到物体上，再反射到眼睛里的光，它的光谱功率分布就和光源密切相关了。

• 不同的光源，照射到同样的物体上，物体反射光的光谱功率分布就会不一样。

下图展示了一个例子，物体的反射率是对蓝色光更高，对红色光更低。

• 第一行的光源是一个接近白色的光源，照射到物体上之后，反射的光线就是蓝色；
• 而第二行的光源是一个黄色的光源，照射到物体上之后，反射的光线是偏棕红色的。

​ （不同光源下物体有不同颜色）

• 这里需要再强调一下，物理上没有所谓的「颜色」的概念，只有「光谱功率分布」、「反射率」这些概念。一个物体的反射率是固定不变的，但是这个物体的「颜色」在不同条件下是不一样的。
  • 我们可以用一个标准白点（比如 D65）作为光源，照射到物体上。我们认为这个时候物体表现出来的「颜色」就是物体「本来」的颜色，可以定义为物体的「固有色」。
  • 很显然，固有色的光谱功率分布曲线与物体本身的反射率曲线两者是很接近的（参见上图中第一行的例子）。

• 白平衡（White Balance）要做的，就是在不同的光线条件下，根据当时得到的物体颜色，尽量恢复物体的「固有色」，

  • 或者说，尽量减小光源颜色对物体颜色的影响。（在下一节会继续讨论这个定义的合理性，本小节中先按照这个定义进行讨论）。
  • 我们可以在色彩转换的过程中根据光源的情况指定不同的白点，从而得到相应正确的色彩转换结果。举例来说，在晴天正午室外拍摄的一张照片，光源近似于标准白点 D65，那么我们就用 D65 点作为白点进行色彩转换（实际上就是直接用 sRGB 空间进行展示）。
  • 又比如在黄昏的光线下拍摄了照片，此时光源接近 2500K 的黑体，那么我们从普朗克曲线上找到 2500K 的点，作为新的白点，进行色彩转换，就能得到正确的颜色。
  • 由于色彩空间的线性性质，这个转换过程就是一个矩阵乘法，非常方便。详细的计算过程可以参见之前的文章，这里不再赘述。

• 这就是相机上色温调节的原理。

  • 也就是说，相机上的色温选项，调节的是色彩转换中的白点的位置，在普朗克曲线上选取与色温相对应的点作为白点进行色彩转换，从而得到正确的颜色。
  • 这个色温选项，是要与拍摄时的光源色温相匹配的，这也是为什么在晴朗的白天拍摄，色温控制在 5000K ~ 6000K 是比较合适的，而在黄昏时候拍摄，色温需要设置成 2500K ~ 3000K 才比较合适。

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注意：

• 可以看到，沿着普朗克线移动白点，总体上是调节了画面偏蓝或者偏黄的色彩倾向。
• 当然，完整的白平衡要求白点可以任意设置，所以必须增加第二个移动方向。
  • 最合理的选择就是与普朗克线正交的另一个方向
  • 从色品图上看大致是从左上角到右下侧直线边的方向，也就是绿色到品红的方向。
• 正因为如此，我们可以看到，Photoshop、Lightroom这样的照片处理软件，白平衡的面板上总是会有两个调节滑块
  • 一个调节黄-蓝平衡，通常叫色温（Temperature）
  • 一个调节绿-品红平衡，通常叫色调（Tint）
  • 这两个方向互相配合，才能使得白点位于色品图中的任意位置，才能对任意光线条件下拍摄的照片进行白平衡的调节。

​ （Photoshop 中的白平衡调节面板）

​ （色温和色调调节）

3. 色彩恒常性

• 白平衡解决了「怎样才能正确得到白色」的问题，在上一小节中，我提出白平衡的目的是「在不同的光线条件下，根据当时得到的物体颜色，尽量恢复物体的固有色」，这句话看似简单，仔细想想，却又并不那么显然
• 一个很明显的疑问是：我们怎么知道什么是物体的固有色？白炽灯照明下的一张白纸，与阳光照明下的一张橙黄色的纸，两者从物理上而言可以是几乎一样的，或者说两者的光谱功率分布函数，可以是几乎一样的。那么我们凭什么说一张是白纸，一张是橙黄色的纸呢？

答案是，不能区分。如果仅仅看这张纸的话，我们不能区分哪张是白纸，哪张是黄纸。

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• 但是，我们不仅仅只看了纸，我们还看到了周围的景物，也许是摆放纸张的书桌，也许是周围的植物盆景，也许是旁边的水果，甚至是我们自己的手。

• 所有这一切，都帮助我们认识周围的环境，根据环境去推测这张纸本来的颜色。

• 人类视觉过程不仅仅有视网膜的参与，更重要的还有大脑的参与。视觉是人类获取外界信息最重要的手段，在日复一日的使用中，人类大脑对外界环境建立起了复杂的感知和对应。我们的大脑早就知道，植物叶子是绿色的，樱桃是红色的，我们的皮肤是黄色

• 通过对这些周围环境的感知，我们的大脑推断出了这个时候光源的情况——是白炽灯还是阳光，从而自动完成了「白平衡」的过程，使得我们迅速感知到一个物体本来的颜色是什么。这就是人类视觉的色彩恒常性。

​ 没有红色的草莓

• 上图是一个很好的例子（图片来自 Color constancy），在这幅图中，如果我们单独一个一个像素点来看，没有一个像素点是红色的，所有的像素点都是绿色、青色、灰色，图中选取的几个像素点的 RGB 值也充分说明了这一点
• 但是当我们从整体来这张图，立刻会产生「红色草莓」、「黄色木桌」、「白色盘子」的印象。这就是我们大脑根据一些「先验知识」进行自动白平衡的结果。

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当然，在没有一个强有力的先验知识的情况下，人类也很容易给出错误的答案。君不见引起网络大撕逼的「白金、蓝黑」神奇衣服？

• 在我看来，这些争论都是没什么意义的，因为图片提供的场景信息太少，人类的大脑还不足以利用先验知识，建立对当场光源的感知，只能凭借自身的经验进行推断，而每个人自身经验千差万别，自然也没办法正确推断衣服的颜色了。

• 如果大家能在现场看一眼，或者图片作者能上传一段附带周围环境的视频，我想大概就不会有人对这件衣服的颜色有疑问了。

​ （白金？蓝黑？）

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当然，我们可以有意识地利用这种错觉，造成一些有趣的结果。比如下图中，绿色条纹和蓝色条纹，其实是同一种颜色（图片来自 independent）。

​ （绿色？蓝色？）

4. 小结

1. 色温是根据黑体辐射进行定义的，橙黄色色温低，蓝色色温高；

2. 相机中的色温设置，需要与当时光源的色温相匹配；

3. 白平衡的目的，是希望在不同光线条件下，都能正确得到物体的固有色；

4. 白平衡本质上是调节两个参数：色温和色调

   • 色温条件蓝->黄 的色调
   • 色调调节绿->品红偏色
   • 白平衡通过调节两个参数，来设置白点的位置，从而得到正确的色彩转换

5. 人类视觉具有色彩恒常性，是大脑对外界环境感知的反应。当外界环境信息不足时，无法建立正确的色彩恒常感知。

参考博客 ： https://zhuanlan.zhihu.com/p/27165715