相机白平衡的起源原理以及作用

起源

白平衡（White Balance, WB）概念的起源与色温理论密切相关。色温理论最早由英国物理学家威廉·开尔文（William Kelvin）在19世纪末提出，用以描述光源的颜色特性。随着摄影技术的发展，尤其是彩色摄影的出现，白平衡成为一种重要的技术手段，用来校正光源色温变化对图像色彩的影响。

作用

白平衡的主要作用是校正不同光源下拍摄对象的颜色，使得图像中的白色看起来真实自然，从而保证整体色彩还原的准确性。不同光源（如日光、荧光灯、钨丝灯等）具有不同的色温，如果不进行白平衡校正，相机会捕捉到不同的颜色偏移（如偏黄、偏蓝等）。

白平衡的原理

白平衡通过调整图像中红、绿、蓝三色通道的比例，使得图像中的白色区域呈现中性白色（无色偏）。其基本原理如下：

1. 色温的测量：不同光源有不同的色温，色温用开尔文（Kelvin）表示。日光色温大约在5500K左右，钨丝灯色温大约在3200K左右。色温越高，光源越偏蓝；色温越低，光源越偏红。

2. 色温校正：相机通过自动检测或者手动设定光源的色温，调整红、绿、蓝三色通道的增益，使图像中的白色区域呈现中性白色。

3. 色彩校正：通过调整色温，相机还会对其他颜色进行相应的校正，确保整体色彩的准确还原。

白平衡的类型

1. 自动白平衡（AWB）：相机会自动检测光源色温，并进行白平衡校正。适用于大多数拍摄场景，但在复杂光源环境下可能不够精确。

2. 预设白平衡：相机内置多种常见光源的预设白平衡选项，如日光、阴天、荧光灯、钨丝灯等。用户可以根据拍摄环境选择合适的预设。

3. 自定义白平衡：用户可以手动设置白平衡，通常通过拍摄一张白纸或灰卡，并以此为基准进行校正，适用于需要精确颜色还原的专业摄影。

应用说明

白平衡在摄影、视频拍摄以及图像处理等领域有广泛应用：

1. 摄影：不同光源下进行拍摄时，白平衡可以保证图像颜色的准确还原。例如，在室内钨丝灯下拍摄，如果不进行白平衡校正，图像会呈现明显的黄色偏移。

2. 视频拍摄：在视频拍摄中，尤其是多机位拍摄，白平衡的统一性非常重要，以保证不同机位拍摄的画面色彩一致。

3. 图像处理：在后期处理软件中，可以进行白平衡调整，校正拍摄时可能出现的色彩偏差，提高图像的整体质量。

4. 科学应用：在显微摄影、天文摄影等科学领域，白平衡同样重要，以保证图像的科学准确性。

总之，白平衡是摄影和图像处理中的一个关键技术，通过正确的白平衡设置，可以实现色彩的准确还原，提升图像质量。

工业相机的白平衡

由于人眼的适应性，在不同色温下，都能准确判断出白色，比如在光线很好的地方，我们看一个白色的物体，能够迅速判断出它是白的；而在灯光昏暗的地方，依旧能够判断出一个物体是白色与否。这是因为人类在数百万年的进化过程中，大脑已经对不同光线下的物体的颜色还原有了适应性。

不过工业相机并没有人眼的适应性，在不同色温的光源下，图像会出现偏色。色温是指光线在不同的能量下，人们眼睛所感受到的颜色变化，以开尔文（K）为色温计算单位，简单说就是光线的颜色（如下图）。

作为机器视觉系统的“眼睛”，工业相机相比普通相机，具有更高的图像稳定性、传输能力和抗干扰能力等。其性能的好坏不仅直接影响到图像的分辨率、质量等，还关系着生产过程中的效率、成本等。

对于彩色工业相机来说，要想获取高清晰度图像，白平衡是重要参数，它影响重现图像的彩色效果，当工业相机的白平衡设置不当时，重现图像就会出现偏色现象。

效果对比

理想情况下，白色的物体被彩色相机拍摄为图像后应当仍然保持白色。然而，在实际当中，由于光源波段、传感器 RGB 通道响应不一致等问题，拍摄白色的物体得到的图像一般不是完全的白色，白平衡校正通过调整各个 RGB 通道的补偿系数从而重新定义白色（下图为白平衡前）。

相机内部就提供了白平衡功能，即平衡传感器每个通道的输出数值。自动白平衡通过对传感器中的局部像素进行采样来计算白平衡系数，然后根据系数对图像的各分量进行调节，使输出图像中的红、绿、蓝三分量的值一致（下图为白平衡后）。

一键白平衡的必要性

消除色偏：
一键白平衡能够自动检测场景中的色温，并据此调整红、绿、蓝三个通道的增益，以平衡色彩，消除色偏。这使得图像中的白色或灰色物体在不同光照条件下都能呈现出中性色，从而确保成像颜色的准确性。

提高图像质量：
通过一键白平衡，工业相机能够还原图像的真实色彩，避免图像出现偏蓝或偏红等颜色失真现象。这有助于提高图像的整体质量，使其更符合实际应用的需求。

简化操作流程：
一键白平衡功能简化了工业相机的操作流程，用户无需手动调整白平衡参数，即可获得颜色正常的图像。这提高了工作效率，降低了操作难度。

一键白平衡的实现方式

工业相机通常具有内置的自动白平衡功能，用户可以在相机设置中选择开启或关闭这一功能。在自动白平衡模式下，相机会自动分析每个场景并调整白平衡设置。此外，一些高级的工业相机还允许用户自定义白平衡设置或存储多个白平衡配置文件以适应不同的光照条件。

综上所述，工业相机需要一键白平衡才能成像颜色正常，这是为了确保在不同光源条件下相机能够准确地捕捉和再现白色及其他颜色，从而消除色偏、提高图像质量并简化操作流程。