Глава 16: Баланс белого и цвет

Вы освоили яркость (экспозиция) и резкость (фокус). Теперь пришло время управлять видом — цветовым тоном изображения.

Когда вы фотографируете белый лист бумаги под лампой накаливания, ее теплый оранжевый свет падает на бумагу, и сенсор видит ее оранжевой. Ваш мозг мгновенно корректирует это и всё равно видит «белую бумагу», но сырые данные сенсора фиксируют правду: она оранжевая.

Баланс белого (White Balance, WB) — это процесс компенсации цвета источника света камерой, чтобы нейтральные белые объекты выглядели нейтральными. Ошибитесь здесь — и всё фото получит нежелательный оттенок (слишком оранжевый, синий или зеленый).

Приложение Android Camera Parameters демонстрирует все пресеты AWB в виде сетки и предоставляет слайдеры ручного усиления — откройте приложение, перейдите на панель White Balance, и вы сможете увидеть в действии именно то, что мы реализуем в этой главе.

Цветовая температура: Спектр от теплого к холодному

Источники света описываются их цветовой температурой в Кельвинах (К). Шкала описывает температуру теоретического «абсолютно черного тела», которое светится таким же цветом.

Парадоксальное правило: Теплый свет = низкое число Кельвинов (свеча 1800К = очень оранжевая). Холодный свет = высокое число Кельвинов (небо 10000К = очень синее). Ваши глаза привыкают к этому с детства; вашему коду нужно помнить об этом явно.

Сцена	Типичная цветовая темп.	Оттенок, если выбран WB Daylight
Ужин при свечах	1800–2200K	Густой оранжевый / янтарный
Домашняя лампа	2700–3000K	Оранжевый / желтый
Восход / Закат	3000–4000K	Теплый золотистый (часто желаемый!)
Люминесцентная лампа	4000–5000K	Зеленоватый оттенок
Полдень, солнце	5200–5800K	Нейтральный правильный
Фотовспышка	5500–6000K	Нейтральный (соответствует дню)
Сильная облачность	6000–7500K	Слегка синеватый
Тень (без солнца)	7000–9000K	Синий оттенок
Чистое синее небо	9000–12000K	Глубокий синий

Работа автобаланса белого (AWB): определить наиболее вероятный источник света по статистике сцены, а затем вычесть цветовой оттенок, чтобы нейтральные объекты выглядели нейтральными.

Режимы автоматического баланса белого (AWB) в Camera2

Устанавливаются через CaptureRequest.CONTROL_AWB_MODE:

Режим (CONTROL_AWB_MODE_*)	Эффект	Случай использования
`OFF`	Только ручной баланс белого. Используйте `COLOR_CORRECTION_GAINS` или `_TRANSFORM` явно.	Режим Pro, кастомная цветокоррекция, RAW
`AUTO`	По умолчанию. ISP непрерывно анализирует сцену.	Обычная фотография
`INCANDESCENT`	~2800K. Сильное синее усиление для компенсации ламп накаливания.	Дом, сцена, вечерний интерьер
`FLUORESCENT`	~4500K. Усиления для офисных ламп (склонны к зеленому).	Офис / школа
`WARM_FLUORESCENT`	~3200K. Компенсация «теплых» люминесцентных трубок.	Дом, современные эконом-лампы
`DAYLIGHT`	~5500K. Стандартный профиль полуденного солнца.	Улица, солнечный день, вспышка
`CLOUDY_DAYLIGHT`	~6500K. Небольшое «утепление» для компенсации пасмурной погоды.	Пасмурный день
`TWILIGHT`	Профиль «золотого часа» (~4500K).	Закат, сумерки, теплый пейзаж
`SHADE`	~7500K. Сильное красное усиление против глубокой синей тени.	Портрет в тени, городская тень

Сначала проверьте поддержку режимов: Не каждое устройство поддерживает все 9 пресетов. Флагманы обычно поддерживают; бюджетные модели могут предлагать только AUTO + OFF.

val availableAwbModes = characteristics.get(
    CameraCharacteristics.CONTROL_AWB_AVAILABLE_MODES
) ?: intArrayOf()
Log.d("AWB", "Доступные режимы: ${availableAwbModes.toList()}")

Состояния AWB (как у AF, но менее «разговорчивые»)

Конечный автомат AWB концептуально похож на AF, но проще — у него меньше состояний:

Состояние AWB	Значение
`CONTROL_AWB_STATE_INACTIVE`	AWB выключен (`AWB_MODE = OFF`)
`CONTROL_AWB_STATE_SEARCHING`	Поиск правильного осветителя (цвет может «плавать»)
`CONTROL_AWB_STATE_CONVERGED`	Стабильный осветитель найден — цвет зафиксирован
`CONTROL_AWB_STATE_LOCKED`	Явно заблокирован через `CONTROL_AWB_LOCK = true`

Используйте тот же паттерн «ожидания схождения перед захватом», что и для AF, для критически важной по цвету съемки (товары для каталогов, репродукции).

Как работает коррекция баланса белого: Изнутри

AWB применяет две трансформации цвета, чтобы перейти от RGB сенсора к отображаемому sRGB. Понимание этого позволит вам полностью заменить AWB ручными значениями.

Шаг 1: Канальные усиления (Коррекция точки белого)

Сначала умножьте каждый цветовой канал на коэффициент (gain), чтобы нейтральная поверхность имела равные значения R, G, B:

Если сцена с лампой 3200К дает [R=200, G=150, B=100] с сенсора для серой цели, AWB применит коэффициенты примерно R: 1.0, G: 1.33, B: 2.0, чтобы нормализовать до [200, 200, 200].

В Camera2 это представлено как CaptureRequest.COLOR_CORRECTION_GAINS: массив из 4 чисел float в порядке [R, Geven, B, Godd].

Два зеленых канала (Geven, Godd) существуют потому, что многие сенсоры используют сетку Байера 2×2: чередующиеся строки GR / BG. Строки, начинающиеся с Green-R и Green-B, имеют немного разную спектральную чувствительность и требуют независимых цифровых усилений. Для обычной работы можно устанавливать оба зеленых в одно и то же значение.

// COLOR_CORRECTION_GAINS = [ R gain, G-even gain, B gain, G-odd gain ]
val warmGains = floatArrayOf(1.0f, 1.2f, 0.8f, 1.2f)  // Теплый: больше R, меньше B
val coolGains = floatArrayOf(0.85f, 1.0f, 1.25f, 1.0f) // Холодный: больше B, меньше R
val neutralGains = floatArrayOf(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f) // Единичные усиления (сырой цвет)

Допустимый диапазон: Коэффициенты обычно ограничиваются HAL в диапазоне [0.0, 4.0]. Используйте значения от 0.5× до 3× для правдоподобных результатов.

Шаг 2: Матрица цветовой трансформации 3×3 (Маппинг охвата)

Канальные усиления корректируют только точку белого. Но разные сенсоры имеют разные нативные спектральные характеристики фильтров, а разные устройства отображения — разный цветовой охват (sRGB/Rec.709 против DCI-P3). Матрица цветокоррекции (CCM) 3×3 сопоставляет нативное цветовое пространство сенсора со стандартным выходным пространством.

Математически:

[ R' ]   [ m11  m12  m13 ] [ R ]
[ G' ] = [ m21  m22  m23 ] [ G ]
[ B' ]   [ m31  m32  m33 ] [ B ]

Или в коде: выход = M × вход, где M — матрица 3×3.

Camera2 предоставляет это через COLOR_CORRECTION_TRANSFORM, который устанавливается с помощью массива Rational[9] (построчно: m11, m12, m13, m21, m22, m23, m31, m32, m33). Единичная матрица = копирование входа без изменений:

// Единичная матрица 3x3: 1/1 по диагонали, 0/1 в остальных ячейках
val identityMatrix = arrayOf(
    Rational(1,1), Rational(0,1), Rational(0,1),
    Rational(0,1), Rational(1,1), Rational(0,1),
    Rational(0,1), Rational(0,1), Rational(1,1)
)

Цветовые охваты Rec.709 и DCI-P3:

Цветовое пространство	Охват	Случай использования
Rec.709 (sRGB)	~35% видимого света	ТВ, веб, JPEG по умолчанию, 100% экранов до ~2020
DCI-P3	~45% видимого света	Цифровое кино, 4K UHD, современные экраны флагманов

Экран P3 может показывать более насыщенные красные и зеленые цвета, чем Rec.709. Ваша выходная матрица CCM должна выбирать целевой охват, соответствующий ожиданиям экрана пользователя. В Android проверьте Display.isWideColorGamut() и используйте подходящую матрицу.

Практический совет: Если вы не пишете профессиональный RAW-проявитель или приложение для киносъемки, установите COLOR_CORRECTION_MODE = TRANSFORM_MATRIX и позвольте стандартной матрице производителя выполнять маппинг охвата. Большинство приложений режима Pro меняют только COLOR_CORRECTION_GAINS (4 коэффициента) и не трогают матрицу.

Полный пример 1: Фиксация AWB на пресете Daylight

Начнем с простого. Иногда вам не нужен полный ручной режим — вы просто хотите предотвратить «плавание» баланса белого между кадрами (например, в таймлапсе или видео со сменой сцен). Установка фиксированного пресета, такого как DAYLIGHT, гарантирует стабильность цвета.

Это простейшее ручное управление цветом.

class AwbPresetController(
    private val characteristics: CameraCharacteristics,
    private val captureSession: CameraCaptureSession,
    private val previewSurface: Surface
) {
    fun isModeSupported(mode: Int): Boolean {
        val available = characteristics.get(
            CameraCharacteristics.CONTROL_AWB_AVAILABLE_MODES
        ) ?: intArrayOf()
        return mode in available
    }

    fun setPresetDaylightForWarmTintLock(): Boolean {
        if (!isModeSupported(CameraMetadata.CONTROL_AWB_MODE_DAYLIGHT)) {
            Log.w("AWB", "Пресет DAYLIGHT не поддерживается")
            return false
        }

        val request = captureSession.device.createCaptureRequest(
            CameraDevice.TEMPLATE_PREVIEW
        ).apply {
            addTarget(previewSurface)

            // Фиксируем баланс белого на DAYLIGHT (~5500K).
            // Это заставит интерьерные сцены выглядеть теплыми/оранжевыми,
            // что является "кинематографичным" стилем.
            set(CaptureRequest.CONTROL_AWB_MODE,
                CameraMetadata.CONTROL_AWB_MODE_DAYLIGHT)

            set(CaptureRequest.CONTROL_MODE,
                CameraMetadata.CONTROL_MODE_AUTO)
        }

        captureSession.setRepeatingRequest(request.build(),
            object : CameraCaptureSession.CaptureCallback() {
                override fun onCaptureCompleted(
                    session: CameraCaptureSession,
                    request: CaptureRequest,
                    result: TotalCaptureResult
                ) {
                    val awbState = result.get(CaptureResult.CONTROL_AWB_STATE)
                    Log.d("AWB", "Пресет DAYLIGHT применен, состояние AWB=$awbState")
                }
            }, null
        )
        return true
    }
}

Художественное применение: Если вы снимаете закат с AWB_MODE = DAYLIGHT, свет заката (3000К) будет восприниматься как теплый относительно фиксированных 5500К — в итоге получатся насыщенные золотисто-оранжевые тона. Режим AUTO здесь бы нейтрализовал закат (в чем смысл?!), добавляя синего для компенсации золотого света. Пресеты сохраняют настроение.

Полный пример 2: Полный ручной AWB — Теплые закатные усиления

Для максимального контроля выключите AWB и задайте собственные усиления. Создадим стиль «теплый закат» — немного поднимем красный, приглушим синий и добавим каплю зеленого, чтобы избежать фиолетового оттенка.

class ManualColorGradingController(
    private val characteristics: CameraCharacteristics,
    private val captureSession: CameraCaptureSession,
    private val previewSurface: Surface,
    private val jpegReaderSurface: Surface
) {
    object Presets {
        val NEUTRAL = floatArrayOf(1.00f, 1.00f, 1.00f, 1.00f)
        val WARM_SUNSET = floatArrayOf(1.00f, 1.20f, 0.80f, 1.20f)  // Теплый янтарный
        val COOL_MORNING = floatArrayOf(0.85f, 1.00f, 1.25f, 1.00f) // Холодный синий
        val VINTAGE_KODAK = floatArrayOf(1.15f, 1.00f, 0.85f, 1.00f) // Пленочный стиль
    }

    fun applyManualGains(gains: FloatArray, includeMatrix: Boolean = true) {
        val hwLevel = characteristics.get(CameraCharacteristics.INFO_SUPPORTED_HARDWARE_LEVEL)
        val supportsManualColor = (hwLevel == CameraMetadata.INFO_SUPPORTED_HARDWARE_LEVEL_3 ||
                                   hwLevel == CameraMetadata.INFO_SUPPORTED_HARDWARE_LEVEL_FULL ||
                                   isModeSupported(CameraMetadata.CONTROL_AWB_MODE_OFF))
        if (!supportsManualColor) {
            Log.e("AWB", "Это устройство уровня LEGACY не поддерживает ручные усиления")
            return
        }

        val request = captureSession.device.createCaptureRequest(
            CameraDevice.TEMPLATE_PREVIEW
        ).apply {
            addTarget(previewSurface)

            // 1) ВЫКЛЮЧАЕМ AWB полностью
            set(CaptureRequest.CONTROL_AWB_MODE, CameraMetadata.CONTROL_AWB_MODE_OFF)

            // 2) Применяем 4 канальных усиления (R, Geven, B, Godd)
            set(CaptureRequest.COLOR_CORRECTION_GAINS, gains)

            // 3) Выбираем стратегию цветокоррекции
            if (includeMatrix) {
                // FAST: пусть HAL вычислит подходящую матрицу сам
                // (матрица подбирается автоматически, пользователь управляет только усилениями)
                set(CaptureRequest.COLOR_CORRECTION_MODE,
                    CameraMetadata.COLOR_CORRECTION_MODE_FAST)
            } else {
                // EXPERT: устанавливаем свою матрицу 3x3 + усиления вместе
                set(CaptureRequest.COLOR_CORRECTION_MODE,
                    CameraMetadata.COLOR_CORRECTION_MODE_TRANSFORM_MATRIX)
                set(CaptureRequest.COLOR_CORRECTION_TRANSFORM, identityMatrix())
            }
        }

        captureSession.setRepeatingRequest(request.build(), null, null)
    }

    private fun identityMatrix(): Array<Rational> = arrayOf(
        Rational(1,1), Rational(0,1), Rational(0,1),
        Rational(0,1), Rational(1,1), Rational(0,1),
        Rational(0,1), Rational(0,1), Rational(1,1)
    )

    private fun isModeSupported(mode: Int): Boolean {
        val available = characteristics.get(
            CameraCharacteristics.CONTROL_AWB_AVAILABLE_MODES
        ) ?: intArrayOf()
        return mode in available
    }
}

COLOR_CORRECTION_MODE: FAST против TRANSFORM_MATRIX

Используйте эту таблицу для выбора:

Сценарий	Выбирайте `COLOR_CORRECTION_MODE =`
Мне нужны только ручные усиления; пусть OEM выберет матрицу	`FAST`
Я применяю внешнюю LUT / матрицу, мне нужен нетронутый цвет сенсора	`TRANSFORM_MATRIX` + единичная матрица
У меня есть кастомный профиль цвета (ICC / DCP) для этого сенсора	`TRANSFORM_MATRIX` + своя матрица 3x3

Предупреждение: TRANSFORM_MATRIX с единичной матрицей дает сырой цвет сенсора без маппинга охвата производителя. На многих сенсорах это выглядит заметно ненасыщенным и слегка зеленоватым. Это нормальное поведение — это «сырой» выход, готовый к вашей кастомной обработке.

Ручной конвертер Кельвинов в коэффициенты (Слайдер температуры)

Профессиональные приложения (включая Android Camera Parameters) содержат слайдер температуры в Кельвинах. Поскольку Camera2 не принимает Кельвины напрямую, мы аппроксимируем кривую усилений R/B.

Простое приближение, работающее для большинства сенсоров:

class KelvinGainsConverter {
    // Конвертация Кельвинов [2000..10000] → примерные усиления [R, Geven, B, Godd]
    fun kelvinToRgbGains(kelvin: Int): FloatArray {
        val k = kelvin.coerceIn(2000, 10000)
        val temp = k / 100.0

        // Красный (теплый при низких K)
        val r = if (temp <= 66) 255.0 else (329.698 * Math.pow(temp - 60, -0.133)).coerceIn(0.0, 255.0)

        // Зеленый
        val g = if (temp <= 66) {
            (99.47 * Math.log(temp) - 161.11).coerceIn(0.0, 255.0)
        } else {
            (288.12 * Math.pow(temp - 60, -0.075)).coerceIn(0.0, 255.0)
        }

        // Синий (холодный при высоких K)
        val b = when {
            temp >= 66 -> 255.0
            temp <= 19 -> 0.0
            else -> (138.51 * Math.log(temp - 10) - 305.04).coerceIn(0.0, 255.0)
        }

        // Нормализуем так, чтобы GREEN = 1.0, затем инвертируем: нам нужны УСИЛЕНИЯ для компенсации.
        // Если выбрано 2800К (тепло), нам нужно БОЛЬШЕ синего усиления, чтобы убрать желтизну.
        val rGain = (g / r).toFloat().coerceIn(0.3f, 3.0f)
        val bGain = (g / b).toFloat().coerceIn(0.3f, 3.0f)
        return floatArrayOf(rGain, 1.0f, bGain, 1.0f)
    }
}

Резюме

Баланс белого и коррекция цвета в Camera2 завершают трилогию ручного управления:

Цветовая температура (К): Низкая (1800К) = тепло/оранжево; высокая (10000К) = холодно/сине. AWB компенсирует это, нейтрализуя оттенок.
Режимы AWB: 9 пресетов (INCANDESCENT → SHADE) + AUTO + OFF.
Состояния AWB: SEARCHING → CONVERGED → LOCKED.
Ручное управление имеет два уровня:
1. COLOR_CORRECTION_GAINS = 4 коэффициента — коррекция точки белого.
2. COLOR_CORRECTION_TRANSFORM = матрица 3×3 — маппинг охвата (gamut).
Rec.709 против DCI-P3: Матрица сопоставляет цвет сенсора с целевым охватом дисплея.

Что дальше

Вы изучили экспозицию, фокус и баланс белого по отдельности. В главе 17: Конвейер 3A мы наконец объединим все три системы в единую связную последовательность захвата:

Полный цикл триггер AF → AF locked → precapture AE → AE сошлась со вспышкой → захват фото.
Режимы вспышки AE.
Состояния AE и последовательность триггера precapture.
Работа на Kotlin, реализующая оркестрацию 3A с диаграммой Mermaid.

Эта глава превратит разрозненные знания в работающее приложение камеры профессионального уровня.

Цветовая температура: Спектр от теплого к холодному​

Режимы автоматического баланса белого (AWB) в Camera2​

Состояния AWB (как у AF, но менее «разговорчивые»)​

Как работает коррекция баланса белого: Изнутри​

Шаг 1: Канальные усиления (Коррекция точки белого)​

Шаг 2: Матрица цветовой трансформации 3×3 (Маппинг охвата)​

Полный пример 1: Фиксация AWB на пресете Daylight​

Полный пример 2: Полный ручной AWB — Теплые закатные усиления​

COLOR_CORRECTION_MODE: FAST против TRANSFORM_MATRIX​

Ручной конвертер Кельвинов в коэффициенты (Слайдер температуры)​

Резюме​

Что дальше​