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白平衡——解决工业彩色相机偏色问题

发表时间：2023-03-20 09:58

白平衡：通过调整图像中R、G、B分量的比例关系，可以使在各种光线条件下拍摄出的图像色彩还原真实。由于图像传感器（CMOS/CCD）本身没有这种功能，因此就有必要对它输出的信号进行一定的修正。

色温

谈起白平衡就必须得先明白色温。色温顾名思义就是色彩的温度，但是这个色温和我们一般所认知的冷色、暖色不同，它指的是一个绝对黑体(物理学家想象出来的)从绝对零度(-273℃)开始持续加温所呈现出来的颜色，譬如在炼钢炉里给一块铁加热，就会从黑->暗红->亮红->金黄，接着就融化了，因为铁的熔点是1535℃，所以更高温度的颜色就看不到。但从焊接用的火可以看到蓝色的火焰，那是更高的温度所辐射出来的颜色。黑体在不同温度下发出的光所含的光谱成分，就称为这一温度下的色温，计量单位为“K”（开尔文）。

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随温度变化的颜色
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生活中的色温

白平衡

黑体在不同温度下呈现了不同的颜色，是因为不同波长的光占比不同。太阳发出的光很接近黑体光谱。太阳表面温度约5500K，这个温度的黑体发出的光，R、B、G三者比例均衡，中和之后基本就是白色。那么白平衡的目的就是让物体在不同光源条件下所呈现出来的颜色，恢复到物体的固有色，而白平衡所做的事情就是在不同色温条件下将图像做归一化，也就是如下将sensor响应的RGB进行修正，使得"白色成为白色"。因为白光是中性色，处于色温值的中间，因此校正色偏也就被称为白平衡，(white balance)，也称为灰度平衡、中性平衡等。

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将不同色温下的白色在色品图上连接起来就形成了普朗克曲线：

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工业视觉之白平衡

CCD和CMOS感觉光元件不具备调节色彩的功能，因此需要在输出信号时修正R、G、B分量的比例关系。
白平衡是工业相机的重要参数，它直接影响重现图像的彩色效果，工业相机的白平衡参数设置不合时，重现图像就会出现偏色现象，特别是会使原本不带色彩的图像也有了颜色。我们可能通过手动调节白平衡的参数也可以使用软件图像处理算法来自动调节这些参数。
彩色工业相机内部有三个CCD电子耦合元件，他们分别感受R、G、B的光线，在预置情况下这三个感光电路电子放大比例是相同的，为1:1:1的关系，白平衡的调整就是根据被调校的景物改变了这种比例关系。比如被调校景物的B、G、R色光的比例关系是2:1:1（蓝光比例多，色温偏高），那么白平衡调整后的比例关系为1:2:2，调整后的电路放大比例中明显蓝的比例减少，增加了绿和红的比例，这样被调校景物通过白平衡调整电路到所拍摄的影像蓝、绿、红的比例才会相同。也就是说如果被调校的白色偏一点蓝，那么白平衡调整就改变正常的比例关系减弱蓝电路的放大，同时增加绿和红的比例，使所成影像依然为白色。

以DALSA Nano相机白平衡为例

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DALSA Nano相机的白平衡控制可以手动设置RGB增益水平，同时也有定期或按需模式的自动算法。该产品的自动白平衡基于色彩中性场景，建议搭配红外滤光片使用。

手动模式：

RGB值在1-4之间变动，精度0.01。
1.使用“Balance Ratio Selecter”工具，选择RGB增益进行调整，使用”Balance Ratio“来设置增益值。
2.用户选择一种颜色将其增益值固定为1（通过选择绿色）。
3.通过调整R和B的增益来达到所需要的色平衡。

自动校准模式：

无论是定期自动校准还是按需一键校准，Nano相机都需要将一种颜色的增益设置为1，另外两种颜色增益将自动进行校准。Balance Ratio将以更高精度显示增益值。
1.选择自动白平衡中的定期和按需要模。
2.定期模式每隔10秒时间进行一次计算，按需要模式仅在用户需要时使用”一键白平衡“。
3.用户可以通过”Balance Ratio Reference”覆盖以0增益为参考的自动调值。

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Nano相机简化的RGB设计固件框图

白平衡效果

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原图（左）   白平衡效果（右）

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