彩色摄像机白平衡调整技术

   这篇文章本来不是讲专业监控摄像机的白平衡调节技术，苦于专业监控用摄像机技术少有整理成文的。且专业技术人员比较少，比较分散，在网上偶然看到此文所以转过来，希望对监控方面调节摄像机的白平衡有所帮助。金辉安防同盟将竭尽全力为安防技术普及推广增加动力。

    摘要：白平衡的调整是拍摄过程中最常用最重要的步骤。正确掌握白平衡的调整技术，是拍摄理想画面的关键。本文就彩色摄像机白平衡调整的重要性和调整方法以及常规、非常规白平衡的调整进行论述，提出实现主观色彩的几种途径。 

    关键词：白平衡 调整 色温 

    各类彩色电视节目，最终将作为视觉形象在电视机的屏幕上显现出来，因此，对重现色彩处理的得当与否，将直接影响电视节目内容的表达，电视制作质量的高低。重现色彩的逼真度，是彩色摄像机最重要的指标之一，它不仅决定于摄像机本身，而且还受到照明光源的种类和方法以及白平衡调整的技术等诸多因素的影响。光源色温的判别、标准白的选择及白平衡的调整是拍摄理想画面的关键。 

    1、白平衡调整的重要性及其方法 

    国际上规定的标准白光有A、B、C、D、E五种，它们有不同的光谱功率分布和相应的色温。在彩色电视系统中，采用6500K的D光源作为标准白光。 

    亮度信号（Y）由红、绿、蓝基色信号组成的比例关系为：Y=0.30R+0.59G+0.11B。当摄取黑白景物时，红、绿、蓝的电流应始终保持0.30、0.59、0.11的比例，使Y信号成为标准白光，这就是白平衡。为了保持摄像机红、绿、蓝三个基色信号电路有相同的放大倍率，应根据照明光源的变化，适时调整红、绿、蓝三个基色信号的合成比例。若合成的比例有偏差，Y信号就带有某种颜色。例如，红电流信号若超过0.3的比例，则Y信号将偏红；蓝电流信号若超过0.11的比例，则Y信号将偏蓝。由此可见，白平衡的调整好坏，将直接影响彩色图像的色调，关系到能否正确反映景物的颜色。 

    景物重现的色彩不仅与本身特征有关，而且与照明光源的光谱成分（即光源的色温）有关。由于各种光源的色温不相同，且色温又随着环境光源的强弱而变化，但摄像机所需的平衡色温是固定的。同一物体在不同色温的光源照明下，重现的颜色是不一样的。例如，白色物体在高色温光源照明下就偏蓝，在低色温光源照明下就偏红。为适应不同的照明条件,在变焦距镜头与分色棱镜之间加入色温滤色片，利用它们的光谱响应特性来补偿由于色温不同所引起的光谱特征变化，即对光的不同波段进行有选择性的吸收，使之符合摄像机的平衡色温。由以上分析可见，白平衡的调整是十分重要的。

    自动白平衡调整电路通常使用两种处理技术：一是将处理放大器输出的红、绿、蓝三个基色信号送入白平衡电路，分别经白平衡门脉冲取样、整流，得到平均直流电平，再将红路和蓝路的平均电平分别与绿路的平均电平进行比较；以绿路电平为基准，将所得的误差电压放大后送回处理放大器的增益控制级，从而改变红、蓝两路的增益，使其输出信号电平与绿路信号电平相等来实现白平衡。二是将色差信号R－Y和B－Y送入自动白平衡电路，经RC网络积分后，与零电位进行比较；当摄取白色景物并达到白平衡时，两个色差信号都为零。因此，色差信号和零电位进行比较时，若R－Y＞0，则比较器输出电压就加到红路增益控制级使其增益减小，直至R－Y＝0。反之，若R－Y＜0，则红路增益增大。同理，蓝路增益由B－Y信号控制。 

    图1采用第一种自动白平衡处理技术。被摄取的光像通过分色棱镜分光成为红、绿、蓝基色光，再经各自的CCD器件转换为基色信号，CCD器件输出的信号通过取样保持电路，控制轮廓补偿器和白平衡电路后进入处理电路（信号处理），最后经编码器形成NTSC或PAL信号输出。当红、绿、蓝三路基色信号电平相等且为1（即ER=EG=EB=1，EY=1）时，信号中的色度信号幅度为零，编码输出的仅为亮度电平，幅度为1，从而实现白平衡。 

    2、常规白平衡调整的技术 

    在实际拍摄过程中，要通过白平衡调整来校正因光源的色温变化而引起的图像偏色。白平衡调整的步骤：1）大范围内的调整。根据拍摄现场照明光源的色温选择合适的色温滤色片。例如，在低色温光源下拍摄，景物会偏红，应选用①号（3200K）偏蓝的色温滤色片，使画面增添蓝色成份；在高色温光源下拍摄，景物会偏蓝，应选用③号（5600K）偏桔红的色温滤色片，使画面增添红色成份。2）在大范围调整的基础上，采用自动白平衡调整方法，以保证准确的色彩还原。实际操作时要注意以下几点：（1）白纸应占画框的80%以上；（2）要有足够的照度；（3）寻像器中尚未显示“OK”字符时），不要移开摄像机；（4）要与被摄景物在同一色温的光源下进行；（5场景或照明光源变化较大时，应重新进行调整。为了获得准确的白平衡，必须选择标准纸作为白平衡调整的基准。若每次都随意选择一个“白”色物体（如白纸、白布、白墙等）作为基准，由于这些物体“白”的程度不一样，将使白平衡数值有差异，造成画面的色调不一致。因此，要采用摄像机附件中提供的白平衡调整卡纸来进行，即使没有专用的卡纸，应通过实践比较的办法，选出效果最好的作为调整卡纸。 

    在实际拍摄过程中，经常遇到照明光源为混合光。室内拍摄时，有人工照明光源，室外阳光的直射光和散射光，都直接或者间接地入射到被摄景物，造成光源的色温不一致。例如，室内用3200K的新闻灯照明，窗口有5600K的散射光入射，两者之间存在着较大的色温差。在这种情况下，若选择①号色温滤色片，拍摄出来的画面为：以新闻灯为主的景物色彩还原较正常，而以散射光照明为主的景物色彩偏蓝；若选择③号色温滤色片，会使以新闻灯为主的景物色彩发黄偏红，而以散射光照明为主的景物色彩较正常。从拍摄出来的画面中看，好像光源中多了蓝灯或红灯似的，而这种现象总是在自然光的照度不够而采用人工照明的情况下发生的。由此可见，不同色温的光源混合照明，不会得到理想的色彩还原。因此，要尽量避免在同一景物中存在两种以上不同色温的光源。通常采用以下两种方法加以解决：（1）采用窗帘布满或桔红色的透明纸遮挡入射室内的散射光，以①号色温滤色片调整白平衡。（2）以③号色温滤色片调整白平衡，采用高色温照明光源；或者采用浅蓝色的透明纸置于新闻灯前面，提高光谱色温，以求同室外散射光的色温一致。 

    3、非常规白平衡调整的技术 

    根据拍摄现场照明光源的色温按常规方法调整白平衡，能使景物的色彩逼真地重现。但是某些画面为了强调艺术效果，有时并不需要忠实地重现原来的色彩，而是根据内容情节，对被摄景物的色彩进行再创作。

    若两种颜色以适当比例混合后形成白色，那么这两种颜色称为补色。例如，蓝与黄、红与青等。由于卡纸所给出的基准白是摄像机在白平衡时确定红、绿、蓝幅度比例的依据，因此，在拍摄中可通过选择不同颜色的卡纸调整白平衡来控制画面色调。例如，用淡红色的卡纸调整白平衡时，不论照明光源的色温如何，均可通过自动白平衡调整电路控制增益，使红信号的幅度减小，即增大绿、蓝信号的幅度，使之满足ER=EG=EB，从而使淡红色的卡纸在彩色监视器上显示白色。由于淡红色的卡纸与标准白的差别不是因照明光源色温的高低所引起，所以，当用该摄像机拍摄同一光源下的景物时，就会因绿、蓝信号幅度的增大而使所摄的画面铺上一层淡青色，从而形成冷色调。同理，若把卡纸换为淡青色，自动白平衡的结果将通过增益控制使红信号的幅度增大，给画面增添暖色调。卡纸所含红色或青色的比例越大，所获得的冷或暖的程度越高。由此可见，偏色卡纸所确定的红、绿、蓝合成比例，正是增大了卡纸偏色的补色，也就是说，白平衡是平衡在偏色的补色上，其实质是使白平衡“不平衡”而获得所需要的色彩。根据这个原理，若在卡纸上有意掺入某种颜色，然后按常规方法调整白平衡，则画面将偏向卡纸偏色的补色（见图2）。

    若选择卡纸含任一端的颜色，在调整白平衡后画面则偏向另一端的颜色。通常在103º～167º（红、黄）和283º～347º（青、蓝）的两条矢量线间的色区中选择卡纸的颜色来实现某种艺术效果。例如，拍摄日出朝霞或夕阳西下景象，适当夸张黄红色；青山绿水的自然景象，适当夸张青绿色；表现海水、月夜等冷色调时，适当偏青蓝色。笔者在获全国党员电教片红星三等奖的专题片《闯海的学者》中拍摄海边日落一景，使用DXC—327P型摄像机，用天蓝色卡纸调整白平衡后得以实现。又如，在四集电视系列片《南天头雁》中拍摄夕阳下海边织渔网的场景，也采用同样的方法调整白平衡，达到了较好的艺术效果。

    3.2 卡纸放置角度的选择 

    若卡纸的颜色不变，而选择其放置的角度，使卡纸所接受的光谱成份的比例不同，将造成色温上的差异，调整白平衡后的色彩还原将发生变化。在一般的情况下，被摄景物都在镜头光轴延长线的垂直方向上，卡纸的受光情况与实际拍摄情况相同。若把卡纸向上傾斜，使卡纸接受光照的比例增大（即在高色温上调整白平衡），由于拍摄时的色温低于调整时的色温，因此画面将偏向暖色调。反之，若把卡纸向下傾斜，使卡纸主要接受地面的散射光（即低色温），画面将偏向冷色调。 

    由于选择不同角度放置卡纸而造成的色温差是随环境而变的，因此，调整白平衡后偏色的幅度并没有明显变化。若不超出色温的偏差范围，调整白平衡后就不会在监视器上明显感觉到色的差异，同时，在光源色温较低时，允许的色温差值小，而在光源色温较高时，允许的色温差值很大（见图3）。

    3.3 色温滤色片的选择

    利用色温滤色片的某一档调整白平衡，再用比该档色温高（或者低）的另一档色温滤色片在同一光源下拍摄，就能获得暖色调（或者冷色调）的效果。也就是采用色温滤色片“低调高用”或者“高调低用”的方法，有意使色温不平衡，可以实现对色彩的主观要求。其方法是：先用低色温滤色片（如3200K）把光源的色温降低到接近摄像机的平衡色温。然后通过自动白平衡来补偿大范围调整后剩余色温差，使光源的色温与摄像机的平衡色温在数值上相等，即达到色温平衡，再换到高档（如5600K）拍摄。由于照明光源的色温不变，而此时的白平衡电路是根据“低调” 色温滤色片变换后剩余误差保持平衡的，色温值高的比色温值低的色温滤色片色温降低幅度大，使光源的实际色温比摄像机的平衡色温低，所以画面偏暖色调。同理，采用色温滤色片“高调低用”，可使画面偏冷色调。色调的暖冷程度视色温滤色片的色温值的差异而定。若调整时与拍摄时的色温值相差越大，画面所获得的暖冷色调越重，反之则越轻。笔者在四集电视系列片《特区先锋》中拍摄人物在炉火前思索的脸部表情时，就是采用3200K色温滤色片调整白平衡后，再改用5600K色温滤色片进行拍摄，使人物脸部偏暖色调，从而实现表达人物的内心世界的目的。

    3.4 光路色温的选择

    在摄像机前加入颜色滤纸调整白平衡（滤纸颜色的浓淡视要求暖冷色调的程度而定），然后舍去滤纸进行拍摄，可使画面的色调发生变化。这是因为在光路中加入颜色滤纸后改变了入射光源的光谱成份，即提高（或者降低）了光源的色温，而实际拍摄时的光源是加入滤纸之前的低（或者高）色温。笔者在拍摄烛光下学习的场景时，既要人物色彩的真实重现，又要烛光的效果，就是在照明灯之前加入蓝色滤纸后调整白平衡的。由于在高色温的环境下调整，而在该光源下拍摄，人物的色彩还原较好，因烛光火焰的色温比加入蓝色滤纸后的光源色温低得多，所以画面偏暖色调。

    在太阳的直射光（暖色）和天空的散射光（冷色）环境下拍摄，被摄景物中存在着双色性（即混合光）。根据瑞利散射结论：f（λ）/λ4（式中f（λ）为光源中强度按波长分布的函数，可知，散射光的强度与波长的四次方成反比，说明了短波光的散射比长波光强得多，即散射光中短波光占优势，因而色温较高。根据这一结论，若在逆光下调整白平衡，而在顺光下拍摄，就能使画面偏暖色调；反之可获得冷色调。

    以上几种白平衡调整技术各有特点，且校色的幅度也有所不同。因此，不论使用哪种技术，都应根据摄像机的性能和功能来选择，在拍摄过程中采用彩色监视器进行现场监视画面效果，并及时加以调整，就能够达到电视创作的理想要求。