【节点】[Adjustment-WhiteBalance节点]原理解析与实际应用

【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity的通用渲染管线（URP）中，Shader Graph为开发者提供了强大的可视化着色器编辑功能。White Balance节点作为色彩校正的关键工具，采用科学算法实现专业级的白平衡调节，广泛用于游戏开发、影视后期及实时渲染等场景。本文基于前期讨论内容，进一步扩展并完善该节点的技术细节，形成体系化的技术文档。

节点功能深度解析

色彩调整原理

White Balance节点基于CIE 1931色彩空间模型，模拟人眼对光源色温的感知机制，实现色彩准确校正。其核心流程是将输入颜色从线性RGB空间转换至LMS（长、中、短波长）色彩空间，通过调节白平衡系数，精确控制色温与色调变化。
参数影响机制

• ‌Temperature参数‌：调节色温偏移，推荐范围为±1.67
  
  
  
  • 负值：色彩偏向暖黄（对应3000K–4500K色温）
    
  • 正值：色彩偏向冷蓝（对应5500K–6500K色温）
    
  
  
• ‌Tint参数‌：调节色调偏移，推荐范围为±1.67
  
  
  
  • 正值：色彩向品红色偏移
    
  • 负值：色彩向绿色偏移
    
  
  

最佳实践范围

参数类型有效范围视觉效果Temperature-1.67~1.67自然平滑的色温过渡Tint-1.67~1.67微妙且可控的色调变化超出范围>±1.67可能导致色彩失真或过饱和核心算法实现

预处理阶段

1. hlsl
2. // 参数标准化处理
3. float t1 = Temperature * 10 / 6;  // 温度系数缩放
4. float t2 = Tint * 10 / 6;         // 色调系数缩放

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CIE色度坐标计算

基于D65标准白点（0.31271, 0.32902）的色度坐标计算：

1. hlsl
2. // 计算x分量
3. float x = 0.31271 - t1 * (t1 < 0 ? 0.1 : 0.05);
5. // 计算y分量
6. float standardIlluminantY = 2.87 * x - 3 * x * x - 0.27509507;
7. float y = standardIlluminantY + t2 * 0.05;

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XYZ三刺激值转换

1. hlsl
2. float Y = 1;
3. float X = Y * x / y;
4. float Z = Y * (1 - x - y) / y;

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LMS色彩空间转换

1. hlsl
2. // 转换矩阵
3. float3x3 LIN_2_LMS_MAT = {
4.     { 0.39045, 0.54994, 0.00893 },
5.     { 0.07084, 0.96317, 0.01357 },
6.     { 0.02308, 0.12802, 0.93645 }
7. };
9. float3x3 LMS_2_LIN_MAT = {
10.     { 2.85847, -1.62879, -0.02489 },
11.     { -0.21018, 1.15820, 0.00032 },
12.     { -0.04181, -0.11817, 1.06867 }
13. };
15. // 转换过程
16. float3 lms = mul(LIN_2_LMS_MAT, In);
17. float3 balance = float3(0.949237, 1.03542, 1.08728) / lms;
18. lms *= balance;
19. Out = mul(LMS_2_LIN_MAT, lms);

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高级应用场景

动态环境适配

通过脚本控制实现动态白平衡调节：

1. csharp
2. // C#示例：根据时间调整色温
3. public class WhiteBalanceController : MonoBehaviour
4. {
5.     public Material whiteBalanceMaterial;
6.     public float minTemperature = -1.5f;
7.     public float maxTemperature = 1.5f;
9.     void Update()
10.     {
11.         float timeOfDay = Time.time % 86400 / 86400;
12.         float temperature = Mathf.Lerp(minTemperature, maxTemperature, timeOfDay);
13.         whiteBalanceMaterial.SetFloat("_Temperature", temperature);
14.     }
15. }

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多通道独立控制

通过分离颜色通道实现特殊视觉效果：

1. hlsl
2. // HLSL示例：通道独立白平衡
3. float3 whiteBalanceChannels(float3 In, float3 Temperature, float3 Tint)
4. {
5.     float3 w1 = float3(0.949237, 1.03542, 1.08728);
6.     float3 w2 = float3(0.949237 + Temperature.x, 1.03542 + Tint.y, 1.08728 + Temperature.z);
7.     return In * (w1 / w2);
8. }

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性能优化方案

• 预计算白平衡系数：使用常数节点替代动态计算，减少实时计算开销
  
• 简化转换矩阵：采用近似矩阵替代精确矩阵，降低计算复杂度
  
• 分通道处理：对每个颜色通道分别处理，提高并行处理效率
  

常见问题解决方案

色彩失真问题

‌现象‌：参数调整后出现不自然的色彩偏移
‌解决方案‌：

• 确认参数未超出有效范围（±1.67）
  
• 结合Color Grade节点进行后续微调
  
• 确保输入颜色处于正确的色彩空间（如线性空间）
  

性能瓶颈问题

‌现象‌：使用白平衡节点后帧率显著下降
‌解决方案‌：

• 在移动平台采用简化版白平衡算法
  
• 将白平衡计算移至顶点着色器
  
• 使用LUT（查找表）替代实时计算
  

与其他效果冲突

‌现象‌：白平衡与其他后期处理效果叠加后出现异常
‌解决方案‌：

• 调整效果应用顺序（白平衡通常应优先处理）
  
• 通过混合模式控制各效果强度
  
• 分层处理不同色彩调节步骤
  

最佳实践指南

工作流程建议

• 项目初期确立色彩参考标准
  
• 使用Color Checker节点进行色彩校准
  
• 将白平衡参数与光照系统关联
  

移动平台适配

• 采用低精度浮点计算（如half）
  
• 简化色彩空间转换矩阵
  
• 在低端设备上禁用实时白平衡
  

测试与验证方法

• 使用标准色卡验证色彩准确性
  
• 在不同光照环境下测试效果表现
  
• 开展跨平台性能与兼容性测试
  

扩展应用案例

影视级调色系统

通过组合多个白平衡节点构建专业调色流程：
[Input] → [White Balance] → [Color Grade] → [LUT] → [Output]
动态天气系统

根据天气类型自动调整白平衡参数：

1. csharp
2. // 天气类型与色温对应表
3. Dictionary<WeatherType, float> weatherTemperatureMap = new()
4. {
5.     { WeatherType.ClearDay, 0.8f },
6.     { WeatherType.Rainy, -0.5f },
7.     { WeatherType.Foggy, 1.2f }
8. };

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艺术风格化处理

通过极端参数设置创造特殊艺术效果：

1. hlsl
2. // 复古电影风格
3. float3 retroEffect = whiteBalance(In, -2.0f, 0.3f);

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White Balance节点是URP Shader Graph中用于色彩校正的核心工具，借助科学的色彩空间转换算法，实现专业级的白平衡调节。
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