色温和白平衡的一些理论基础

李团长

原来村长也是反面教材

继续啊，没过瘾呢。

伽兰妙叹

遺憾啊，大多數字認識，就是組在一起了特麼就那麼不明白了：(

tom_xx_hu@yahoo

遺憾啊，大多數字認識，就是組在一起了特麼就那麼不明白了：(
伽兰妙叹 发表于 2011-11-15 22:09

我得先承认，这是想到那写到哪的，基本上是个初稿提纲，归纳一个思路，文字肯定还有很多毛病。
但是我敢说，从这样一个（涵盖物理和主观视觉的）对色温和白平衡的阐述，基本上还没有过。文字粗糙，但内容还是丰富的，我认为是值得细读的原创啊。

tom_xx_hu@yahoo

课间休息
这次课间休息上一幅图，图中场景，是从我的小学的后墙翻出去的江边，那挡住半个落日的城墙的尖 ...
tom_xx_hu@yahoo 发表于 2011-11-15 01:54

下面这张图光线散射的示意图，简直就天生是用来解释上面的日落云层图的。



日落的阳光直射时候，阳光穿越近地大气，主要是大尺度的颗粒（水汽尘埃）散射，叫米散射。米散射的强度在各个波长分布相对均匀，因此太阳耀斑和附近呈现白色。
偏离主射线的地方，云际天空出现蓝色，是天空瑞利散射（优先短波长蓝紫光的散射）的结果。天顶的云层，有大量大颗粒的冰晶，促成在各个波段的米散射，看起来就偏灰。

整个画面基调的红黄，则是阳光穿越大气，短波蓝紫被不断的散射，于是留下的长波成分偏红黄。

tom_xx_hu@yahoo

我们继续。


3.2 白光：物理学的白光

物理学的白光是所有波长电磁辐射——从微波到可见光到x射线——的等量混合。这样的白光谁也没有见过，最接近的是超新星爆发的电磁辐射谱。

物理学的可见的白光是所有颜色的可见光——从红到紫——的等量混合。这样的可见的白光也是谁也没有见过，大概氢弹爆炸的火球比较接近。

你不是说不存在的东西没有意义吗？既然这该死的白光谁也没见过，为什么要在这里说？

因为这种理想白光代表了我们现实中感知白光的共性：宽广均匀的连续光谱 (颜色)。

现实中的白光来自现实中光谱最宽的辐射——黑体热辐射。我们知道黑体热辐射的光谱（颜色）分布与温度有关，因此自然而然的，白光也有“温度”，就是它的色温。但是最常用、实用、耐用、够用的白光是正午的日光。



图中，实线是大气外层实测太阳光谱，虚线是6000K黑体的辐射光谱。
从图中可以看到，这个天然的白光与理想的物理学的白光相比，还是有很大差距的：在可见光频谱区中，绿黄光占有比较大的比重而两端比重减少。但是先入为主，太阳显然在物理学家还没有肚脐眼的时候，就普照人间，人还在猿猴阶段就适应了太阳光并且在视觉组织中发展了与之响应的三色感应锥体细胞，按照日光的分布分配比例，使得得到的视觉就是“白光”。

tom_xx_hu@yahoo

3.3 白光：人作为生物个体感受的白光

人类在日光照耀下建立“白光”视觉，其实是对日光的一种抽象，也是建立起视觉的本底。因为日光是最常见的光照条件，需要以此为参照来对视觉对象作出视觉鉴别，而“白光”本底包含了日光中的主要能量，最适合做明暗度的识别，今后在视觉观察中，所有与日光重叠的部分，都将被“忽略”，因为那是光照条件，而不是光照的对象。只有视觉信号中出现与“本底”（白光）不同的特征（颜色或者明暗）时候，人（猿）才会马上引起关注：是食物还是天敌。

这个“白光”的建立，是漫长的进化过程，同时还伴随另外一个过程，我称之为白光的“世俗化”进程。

在白光本底建立的同时，人猿同时面临另外一个适应性问题：怎样在不同光照条件下辨识同一视觉对象。如果你追猎一只梅花鹿，它从阳光下的开阔地跑进树林中，光照条件变了，梅花鹿身上的斑点颜色也变了，你必须发展出这种能力，将眼前的斑点与之前在树林外的斑点联系起来并认同为同一对象。亲爱的读者，这个能力你现在已经具备，但不要以为就是天成，这是进化的收获。这个在不同光照条件下识别同一对象的能力当然包括形状和明暗的判断，但毫无疑问，不同光照条件下颜色的锁定能力肯定也在其中。如果早上出门，家里留下的是白狗看家，黄昏回来白狗变成黄狗，人会非常困惑而不知所措。

归纳起来就是，人作为生物个体感受的白光，以正午日光为准，但也容纳别的修正 --- 这就为白平衡埋下了伏笔。

tom_xx_hu@yahoo

3.4 白光：小结

总结白光的各种含义，理想的、现实的、色度学的，人性化的，归结到一个图表，就是如图所示：


这个图表告诉我们，白光，还有不那么白的“白光”，都在那条曲线上。他们管那个叫普朗克（又是他，十处打锣，九处在场）白狐（一般翻译成普朗克轨迹，我觉得“白狐”更形象）。所有不同温度的黑体所发射的光的颜色（各种不同的白），都标记在这个线上了。我们常认的“白”，是在5500K到6000K之间，但是即使色温下降到2000K，只要是这种连续光谱的白光下，我们也能没有困难地辨认白衬衫。

另外，这个白狐，从色彩饱和度看，是色度空间中最不饱和的一条线，其它地方的色彩饱和度都比它高——那是当然，白光嘛。

tom_xx_hu@yahoo

课间休息。

生意好到这个份上，夫复何求？

伽兰妙叹

我得先承认，这是想到那写到哪的，基本上是个初稿提纲，归纳一个思路，文字肯定还有很多毛病。
但是我 ...
tom_xx_hu@yahoo 发表于 2011-11-16 00:45

    以我的理解能力，目前絕對看不出你的文字文章的錯誤
也就是說我的理解能力達不到初級理解的能力啊
哈哈是我的問題，不是你的問題：）

tom_xx_hu@yahoo

四 白平衡：一个主观的视觉过程

在理清了“白”这个至关重要的东西之后，我们离开白平衡之间还有一道鸿沟：主观视觉。不过，我们先让我们把“白”拓展到“灰”。大多数我们所说的关于“白”的内容，都适合“灰”，因为白不过是灰的两个极端之一（另外一个是黑）。灰的亮到极致，就是白；暗到极点，便是黑。以后的讨论中，除非特别声明，会混用白和灰。

4.1 三原色理论的生理基础

至今为止，我们在物理上讨论光的时候使用波长的概念，在色度学或者视觉感受的意义上使用颜色这一说法，但是没有讨论过二者之间的关系。现在是时候了。

物体在辐射光的时候，是没有“色彩”这个意识和分类的，只有波长。太阳（及其照射到物体上的反射）光谱的大部份集中在400-800nm段，而且是连续分布。假如人的视觉要全部接受并识别和加工这些信息，从编码角度，信息量将是巨大的，视觉系统将会极其庞大，大脑的负担也会特别沉重。

进化解决这个问题的手段与统计人员的手段差不多：采样。进化发展了三种色彩感应细胞（视锥细胞），分别称为L、M和S细胞，由它们对接受的光在可见光波长段进行采样，并输出强度信号给大脑。这就是“三原色”理论的生理基础。L细胞对长波波长断564–580 nm最敏感，可以精确感知这个我们现在称为橘黄色的光；M细胞擅长处理中间段534-545nm波长的光，人们后来把它归结为绿色光；S细胞则擅长感知短波长420-440nm的光，现在我们称之为蓝光。注意我使用模糊的“擅长”，而不是严格的“专职”，来描述各个感光细胞的波长相应范围，因为它们的职责范围实在是有重叠的，这从下图三种视锥细胞的波长敏感度曲线可以得到证实。


这个重叠的最大作用，是确保所有可见光谱的光信号都被接受，并且都得到足够的重视。只有这样，视觉系统才能够以最少的成本（三种辨色细胞）来最大限度获得色彩的还原。

自此，我们总算知道了，色彩如何从波长转换而来。