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鍵控技術(shù)的數字實(shí)現與發(fā)展
鍵控技術(shù)的數字實(shí)現與發(fā)展
我們知道傳統視頻領(lǐng)域中的鍵控技術(shù)的本質(zhì)就是應用視頻開(kāi)關(guān)控制圖象的 "摳"和"填"。"摳"就是利用前景物體輪廓作為遮擋控制電平將背景畫(huà)面的顏色沿該輪廓線(xiàn)摳掉，使背景變成黑色。"填"就是將所要疊加的視頻信號填到被摳掉的無(wú)圖象區域，而最終生成前景物體與疊加背景合成的圖象，如圖1所示。在這個(gè)處理過(guò)程中，依賴(lài)于前景物體所產(chǎn)生的遮擋輪廓信號，作為外鍵信號輸入，背景圖象中輸出像素的鍵值為0%，而前景物體輸出像素的鍵值為100%。這種傳統處理方式存在的缺陷是對于前景物體的軟邊，比如頭發(fā)絲，會(huì )產(chǎn)生蘭色鑲邊，就是我們通常說(shuō)的"蘭溢出"（blue spill）。
在早期的視頻領(lǐng)域要想很好的解決"蘭溢出"的發(fā)生，很好的保留前景圖象的細節，或者是針對半透明前景物體作鍵處理，是一件很難做到的事情。但是在數字視頻領(lǐng)域里，由于引入多種數字色鍵處理方式，使得我們基本上走出了此類(lèi)困惑。本文將介紹幾種數字色鍵的處理方法，并且與傳統方法進(jìn)行一些比較，希望能使讀者可以對數字鍵控技術(shù)有更多的認識。
1傳統鍵控原理
由于人體膚色的原因，傳統的鍵控處理中背景畫(huà)面的顏色一般選擇
高飽和度的蘭色和綠色，所需的門(mén)控開(kāi)關(guān)信號稱(chēng)為鍵控信號或鍵信號，鍵信號由作為鍵源的視頻信號通過(guò)鍵處理器產(chǎn)生。一個(gè)鍵開(kāi)關(guān)信號在有鍵信號（鍵值為100%）的時(shí)候背景圖像通不過(guò)，讓前景圖像通過(guò)，沒(méi)有鍵信號（鍵值為0%）的時(shí)候讓背景圖像通過(guò)，而前景圖像通不過(guò)，根據不同的前景圖象視頻所獲得的，并因此控制視頻切換開(kāi)關(guān)的鍵信號的頻率，大約在幾十Hz--幾MHz。如此一個(gè)模擬色鍵處理的結果即是我們通常所說(shuō)的"扣像"。
圖2 為傳統鍵控處理原理示意圖。
傳統鍵信號波形是前后沿很陡的矩形脈沖信號，在合成輸出圖像時(shí)
前景物體與背景畫(huà)面的分界處有鋸齒、抖動(dòng)和突變現象，使人感到生硬和不自然，還存在分界處彩色閃爍和有幕布色鑲邊等現象。另外，對于自然景物中的半透明物體作為合成圖像前景圖像時(shí)，其后面的背景圖像應該是部分地透明，但是在傳統色鍵處理時(shí)，任何瞬間其鍵信號所控制的視頻切換開(kāi)關(guān)不是接通就是斷開(kāi)，鍵信號只有兩種取值，不是高電平就是低電平，因此傳統色鍵合成圖像中前景圖像不是全透過(guò)就是全不透過(guò)其后的背景圖像，這與我們日常見(jiàn)到的自然景觀(guān)是不同的，效果十分生硬與缺乏真實(shí)感的，我們稱(chēng)之為硬色鍵。在硬色鍵中，鍵信號為高電平時(shí)視頻開(kāi)關(guān)接通，前景圖像全透過(guò)其后的背景圖像，鍵信號為低電平時(shí)視頻開(kāi)關(guān)切斷，前景圖像全不透過(guò)其后的背景圖像。
2數字視頻領(lǐng)域的鍵控技術(shù)
數字色鍵主要使用數字格式的視頻做鍵處理，而不是建立一個(gè)新的技術(shù)概念。首先分別介紹數字鍵控處理中涉及的相關(guān)概念及技術(shù)。
2．1相關(guān)概念
（1）深度鍵（depth-key）
深度鍵不是鍵技術(shù)，它根本是解決主持人與三維虛擬場(chǎng)景的前后遮擋關(guān)系，以確定鍵或非鍵。
深度鍵的概念是由三維實(shí)時(shí)虛擬演播室技術(shù)引入的，與傳統的鍵控技術(shù)不同，目前市場(chǎng)出現的三維實(shí)時(shí)虛擬演播室產(chǎn)品中，合成圖象的真實(shí)性主要表現在可以產(chǎn)生一個(gè)縱深方向的信息（即Z軸方向的參數值，稱(chēng)為Z值），它不象二維處理時(shí)所用的層技術(shù)，是一種基于三維畫(huà)面的混合技術(shù)，稱(chēng)為深度鍵（depth-key）。
虛擬演播室的出現，對傳統色鍵技術(shù)提出了更高的要求，為了使同一節目中的主持人、實(shí)物道具和虛擬背景之間可以相互動(dòng)態(tài)遮擋，實(shí)現主持人在虛擬或實(shí)際物體后方或前方行走，要求色鍵具有縱深方向的信息，即虛擬攝象機到每個(gè)像素的距離。使用傳統的色鍵技術(shù)，將主持人從蘭色幕布中提取出來(lái)的同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)前景遮擋信號即鍵信號，然后通過(guò)深度鍵發(fā)生器求出色鍵的深度值。深度鍵發(fā)生器有兩種：一種是將物體分成有限數目的分層級；另一種是將像素分成等級的像素級。在分層級深度鍵中，物體被分別歸類(lèi)到數目有限的幾個(gè)深度層中，因此演員在虛擬場(chǎng)景中的位置無(wú)法連續變化。而在像素級深度鍵中，構成虛擬場(chǎng)景中的每一個(gè)像素都有相應的Z軸深度值。因此演員在虛擬場(chǎng)景中的位置可以連續變化。
目前，獲得深度鍵的方法大致有兩種：一種靠近似判斷的方法得出。它是用近似的方法判斷出前景主持人和攝象機的相對距離，并且用這個(gè)值作為整個(gè)前景的深度值。如果主持人移動(dòng)，那么這個(gè)值也將改變。
通過(guò)對合成畫(huà)面上每個(gè)像素Z值的計算和實(shí)際內容的需要用手控方式?jīng)Q定前景主持人和虛擬背景的相對關(guān)系，這種方法實(shí)現起來(lái)比較容易，缺陷是逼真度差，而且對主持人的要求較高。另一種獲得Z值的方法是采用"自動(dòng)主持人跟蹤系統"。它主要是由一個(gè)固定在主持人身上的紅外發(fā)射器和一套安裝在演播室墻上的紅外接收裝置完成。它可以準確定位出主持人的三維位置，自動(dòng)識別主持人和虛擬背景的相對位置關(guān)系。
(2)數字色鍵
數字色鍵與模擬色鍵的最大不同在于它可以在數字領(lǐng)域的1千6百萬(wàn)種顏色中任選一種，這1千6百萬(wàn)種顏色得自計算機的32位機器字長(cháng)，其中有8位專(zhuān)門(mén)用于表示每一種顏色的256種明暗（灰度）變化（即下文提到的ALPHA鍵），另外的24位可以表示224種（約為1千6百萬(wàn)種）顏色。當然這是由計算機的處理能力得出的，并不代表自然界真實(shí)存在的顏色，有很大一部分為非法色。模擬色鍵在做扣像時(shí)，可以不分級的連續選擇無(wú)數色作為鍵出色，通常選擇高飽和度的蘭或綠色。高質(zhì)量的數字色鍵針對畫(huà)面的三個(gè)分量（Y，B-Y，R-Y）的每一路進(jìn)行處理，并分別產(chǎn)生一個(gè)線(xiàn)性鍵。這種將一個(gè)色鍵分為三個(gè)鍵來(lái)處理的方法，可以允許保留更多的圖象細節。
由于色鍵處理是針對背景畫(huà)面的某一種顏色分量進(jìn)行鍵出覆蓋，因此鍵源信號的質(zhì)量高低決定了鍵信號的質(zhì)量。為了對色度信號做盡可能細的區分，帶寬的保證是必不可少的。眾所周知，模擬或數字分量的NTSC或PAL制全電視信號的帶寬為6MHz，而在ITU-601數字分量演播室標準內，采用對Y，（R-Y），（B-Y）3個(gè)信號分量分別編碼的方式，取樣頻率為13.5 MHz，取樣結構為4：2：2，假如以10bit 作為量化比特數，其編碼后的總碼率R=10*（13.5 6.75 6.75）=270M
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