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鍵控技術(shù)的發(fā)展及其在電視領(lǐng)域的新應(yīng)用
鍵控技術(shù)的發(fā)展及其在電視領(lǐng)域的新應(yīng)用
《西部廣播電視》2000年第9期發(fā)表“鍵”（KEY）就是通常所說(shuō)的摳像，在傳統(tǒng)電視節(jié)目制作中使用很普遍。它的本質(zhì)就是“摳”和“填”，“摳”就是由控制電平將畫(huà)面沿一定的輪廓線摳掉（變成黑色），“填”就是將所要疊加的視頻信號(hào)填到被摳掉的區(qū)域，鍵控特技的原理與分畫(huà)面特技（掃換）相似，鍵控特技的效果也是參與切換的兩路視頻信號(hào)的圖像在屏幕上分割畫(huà)面，兩者的區(qū)別在于，鍵控特技的分割形式可以是任意形狀，可產(chǎn)生比分畫(huà)面特技復(fù)雜得多的畫(huà)面分割，創(chuàng)作出豐富多彩的藝術(shù)效果，不象分畫(huà)面特技那樣，僅僅為規(guī)則的幾何形狀。鍵控特技所需的門控信號(hào)稱為鍵控信號(hào)或鍵信號(hào)，鍵信號(hào)不是由掃換波形發(fā)生器產(chǎn)生，而是由作為鍵源的視頻信號(hào)通過(guò)鍵處理器產(chǎn)生。鍵控特技具有視頻切換開(kāi)關(guān)的性質(zhì)，在有鍵信號(hào)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(hào)的時(shí)候讓背景圖像通過(guò)，而前景圖像通不過(guò)，用來(lái)控制視頻切換開(kāi)關(guān)的鍵信號(hào)的頻率取決于鍵源視頻圖像的頻率，大約在幾十Hz--幾MHz，視頻切換開(kāi)關(guān)輸出合成圖像的背景和前景即是被摳圖像和填充圖像。
圖1 為鍵控特技原理示意圖。
一 . 鍵控特技的分類
1 . 按鍵源的性質(zhì)分
- 內(nèi)鍵
鍵源與填充（前景）信號(hào)是同一個(gè)圖像信號(hào)，即用要填的圖像信號(hào)一路經(jīng)過(guò)鍵控信號(hào)處理器產(chǎn)生摳像電視信號(hào)，另一路作為“填充信號(hào)”填入被摳掉的部分。內(nèi)鍵也稱自鍵。內(nèi)鍵特技以前常用于黑白字幕插入，鍵源信號(hào)通常是在黑底上的白色字符或圖形，它的電平只有高低兩種，且對(duì)應(yīng)白色部分的電平高，如果填充信號(hào)記作A，背景信號(hào)記作B，則內(nèi)鍵可簡(jiǎn)述為A摳B填A(yù)。這種技術(shù)現(xiàn)廣泛地應(yīng)用于色鍵特技。將疊加的全電視信號(hào)經(jīng)消色電路和放大整形處理后，形成摳像鍵控信號(hào)，從而進(jìn)行混合疊加。
（2）外鍵
相對(duì)于內(nèi)鍵特技而言，外鍵特技的鍵信號(hào)不是由填充（前景）信號(hào)或背景信號(hào)形成的，而是由第三路視頻信號(hào)作為鍵源所形成的，外鍵的鍵源信號(hào)也是由黑底上的白色字符或圖形，填充信號(hào)通常為單一色調(diào)的彩色信號(hào)，因此外鍵特技通常用于彩色字幕的插入。如果填充信號(hào)記作A，背景信號(hào)記作B，鍵源信號(hào)記作C，則外鍵可簡(jiǎn)述為C摳B填A(yù)。
在計(jì)算機(jī)顯示像素時(shí)，其RGB像素，一路通過(guò)電平合成得到摳像信號(hào)，另一路經(jīng)過(guò)D/A變換，編碼器編碼產(chǎn)生填充信號(hào)，如圖 2所示。其中存儲(chǔ)器輸出為數(shù)字RGB信號(hào)（各8位），經(jīng)D/A變換成模擬RGB，然后經(jīng)編碼器合成成為填充信號(hào)，另一路經(jīng)求和電平處理器產(chǎn)生摳像信號(hào)。圖2的鍵控信號(hào)疊加器輸出為0和1兩種狀態(tài)的電平信號(hào)，隨著字幕機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有利用另一8位信號(hào)通道產(chǎn)生具有256級(jí)電平變化的ALPHA鍵，從而產(chǎn)生具有半透明漸變的效果（后文詳述）。
2 . 按產(chǎn)生鍵信號(hào)的鍵源圖象成分分
（1）亮度鍵
它是利用鍵源圖像中亮度成分來(lái)形成鍵信號(hào)，亮度鍵要求鍵源圖像要有較高的亮度反差，即要求鍵源中作前景的圖像部分要亮，其余部分要暗（黑），要形成明顯的黑白反差，亮度鍵又稱黑白鍵。圖3為亮度鍵原理示意圖。
（2）色度鍵
又稱色鍵，它是利用彩色幕布的前景圖像（填充信號(hào)）的色度成分（主要是色度中的色調(diào)，也就是圖像的顏色）與其后的彩色幕布的色調(diào)（幕布的顏色）差別來(lái)形成鍵信號(hào)，用鍵信號(hào)去摳背景圖像，再填入彩色幕布的前景圖像。色鍵也是內(nèi)鍵的一種形式，所不同的是鍵信號(hào)的形成方式，內(nèi)鍵是利用鍵源信號(hào)的黑底和白字符之間的亮度差別來(lái)形成鍵信號(hào)，而色鍵是利用鍵源信號(hào)的彩底（即彩色幕布）和前景圖像（如演員圖像）之間的色調(diào)差別來(lái)形成鍵信號(hào)，同時(shí)鍵源信號(hào)又作為填充信號(hào)。色鍵要求鍵源圖像信號(hào)有較高的色度反差，即要求鍵源信號(hào)中作前景的圖像不能含有其后作幕布（背景）的彩色色調(diào)相同或相近的色調(diào)，也就是要求鍵源信號(hào)的前景和背景的色調(diào)盡量分開(kāi)，最好是補(bǔ)色關(guān)系，以保證兩者之間的色調(diào)差別。
在電視制作中為了獲得最佳視覺(jué)效果，使用色度鍵時(shí)應(yīng)盡量滿足下列要求：
. 背景應(yīng)平坦，照明條件要好，顏色要均勻。
. 拍攝物體的照明要好，不能帶有被鍵出的顏色。
. 視頻必須以分量格式拍攝。
圖4為色鍵原理示意圖。
3 . 按鍵信號(hào)波形分
- 硬色鍵
鍵信號(hào)波形是前后沿很陡的矩形脈沖信號(hào)，硬色鍵合成輸出圖像的前景和背景的分界處有抖動(dòng)和突變現(xiàn)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(xiàn)象。另外，對(duì)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(yīng)該是部分地透明，但是硬色鍵在任何瞬間其鍵信號(hào)所控制的視頻切換開(kāi)關(guān)不是接通就是斷開(kāi)，鍵信號(hào)只有兩種取值，不是高電平就是低電平，因此硬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?nèi)粘Ｒ?jiàn)到的自然景觀是不同的，所以硬色鍵特技給人缺乏真實(shí)效果的感覺(jué)。在硬色鍵中，鍵信號(hào)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(hào)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）軟色鍵
鍵信號(hào)波形是與前景圖像透明度相關(guān)的斜坡形（梯形）信號(hào)，鍵信號(hào)在上升和下降期間有一定的斜率，軟色鍵能夠在很大程度上克服硬色鍵的上述缺點(diǎn)，軟色鍵中將用于硬色鍵的脈沖門控混合電路改成了線性混合電路。
目前，在軟色鍵的基礎(chǔ)上發(fā)展了線性鍵控特技（也稱透明鍵或ALPHA鍵），線性鍵合成圖像能線性地與前景圖像的透明度成比例地透過(guò)背景圖像。軟色鍵和線性鍵擴(kuò)大了色鍵特技的應(yīng)用范圍。線性鍵是具有半透明混合效果的鍵控特技，其鍵信號(hào)決定合成圖像中前景圖像（填充信號(hào)）后背景圖像以什么樣的透明度可見(jiàn)，即鍵信號(hào)根據(jù)前景圖像的透明度而線性地成比例地決定前景信號(hào)與背景信號(hào)的合成比例或混合程度。線性鍵的數(shù)學(xué)模型可用下式表示：
VOUT= VF* K + VB*（1 - K）
其中VOUT為前景（填充）信號(hào)和背景信號(hào)合成后的輸出信號(hào)，VF為前景信號(hào)，VB背景信號(hào)，K為鍵信號(hào)，K值取值范圍為大于等于0而小于等于1，從該式可知，當(dāng)K=1時(shí)，VOUT= VF，此時(shí)線性鍵的合成輸出就是前景（填充）信號(hào)，這種情況稱為完全疊加。當(dāng)K=0時(shí)，VOUT= VB，此時(shí)線性鍵的合成輸出就是背景信號(hào)，這種情況稱為完全不疊加。當(dāng)大于0而小于1時(shí)，線性鍵的合成輸出為前景（填充）信號(hào)VF和背景信號(hào)VB按照K值所決定的比例進(jìn)行合成以后的圖像，合成圖像看上去是半透明的效果，透過(guò)前景可以看到背景，透明度的大小取決于鍵信號(hào)K的值。實(shí)際上，當(dāng)K=0或K=1時(shí)，線性鍵就工作在硬色鍵方式，但反過(guò)來(lái)硬色鍵卻不能達(dá)到線性鍵的效果，因?yàn)橛采I的鍵信號(hào)K的值只有0（低電平）和1（高電平）兩個(gè)值，所以硬色鍵合成輸出要么是前景信號(hào)，要么是背景信號(hào)，不可能出現(xiàn)半透明的混合效果。
圖5給出了線性鍵（ALPHA鍵）原理示意圖。
二 .色鍵技術(shù)應(yīng)用于虛擬演播室
隨著數(shù)字電視 . 計(jì)算機(jī)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，色鍵已從二維特技發(fā)展到三維特技，近幾年出現(xiàn)的虛擬演播室技術(shù)就是三維色鍵視頻特技的典型應(yīng)用，它將活動(dòng)的演播人員圖象通過(guò)色鍵方式鍵入到三維立體動(dòng)畫(huà)背景之中。做到真實(shí)的演員能深入到虛擬的三維場(chǎng)景中，并能夠與其中的虛擬對(duì)象實(shí)時(shí)交互。在虛擬演播室中在一間蘭色屏幕代替的真實(shí)背景里進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)表演，三維計(jì)算機(jī)圖形發(fā)生器實(shí)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，并按照以下程序工作：攝象機(jī)采集前景視頻信號(hào)，同時(shí)攝象機(jī)上的跟蹤定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供攝象機(jī)移動(dòng)的信息。這些數(shù)據(jù)被送至一個(gè)實(shí)時(shí)圖形計(jì)算機(jī)。從計(jì)算機(jī)的鏡頭視角再產(chǎn)生一個(gè)虛擬環(huán)境。以蘭色屏幕為背景拍攝的攝象機(jī)圖象，經(jīng)延時(shí)后與選自計(jì)算機(jī)的虛擬背景以相同時(shí)碼進(jìn)行工作，并通過(guò)數(shù)字視頻切換臺(tái)“聯(lián)合”在一起，實(shí)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)組合圖象。
圖6給出了色鍵技術(shù)應(yīng)用于虛擬演播室的原理示意圖。
傳統(tǒng)的色鍵技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于虛擬演播室，成功解決了前景與背景之間的透視關(guān)系 . 比例關(guān)系，使合成的圖像有了極佳的立體效果，可以達(dá)到以假亂真的地步。
三 . 鍵控技術(shù)應(yīng)用于電視播出系統(tǒng)
目前鍵控技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于各級(jí)電視臺(tái)的播出系統(tǒng)，主要用于臺(tái)標(biāo)時(shí)鐘和字幕信息的疊加，所采用的方式多為并聯(lián)方式，即只將實(shí)現(xiàn)鍵控特技功能的鍵控混合器串接于電視播出系統(tǒng)視頻通道中，而將臺(tái)標(biāo)時(shí)鐘機(jī)與字幕機(jī)并接于鍵混合器，如圖7所示。其優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)化了電視播出系統(tǒng)視頻通道，提高了電視播出系統(tǒng)的可靠性和安全性，降低了故障率和人為差錯(cuò)率，因?yàn)椴コ龉?jié)目視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)鍵混合器而不經(jīng)過(guò)臺(tái)標(biāo)時(shí)鐘機(jī)和字幕機(jī)，而且即使鍵控混合器出現(xiàn)故障，也因?yàn)槠渚哂械綦娕月分蓖üδ芏挥绊懖コ龉?jié)目視頻信號(hào)的傳輸。同時(shí)，采用鍵控混合器并接方式也方便了播出設(shè)備的維護(hù)和檢修，當(dāng)臺(tái)標(biāo)時(shí)鐘機(jī)或字幕機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以方便地將其拆下檢修，而不會(huì)影響視頻通道的節(jié)目播出，只是暫時(shí)無(wú)法疊加臺(tái)標(biāo)時(shí)鐘或字幕信息而已。
圖8給出了鍵控混合器的原理示意。作為播出通道的關(guān)鍵設(shè)備，其必須具備以下功能：
- 主信號(hào)斷電直通功能（BY PASS ）。
- 采用兩路外鍵處理方式，可同時(shí)進(jìn)行底行字幕游動(dòng)和臺(tái)標(biāo)疊加處理。
- 視頻信號(hào)通道指標(biāo)滿足規(guī)定的要求。
- 具備各種檢測(cè)功能。包括主信號(hào)在線檢測(cè)，填充信號(hào)與主信號(hào)的同步檢測(cè)。
- 通過(guò)對(duì)鍵控信號(hào)的處理，使得鍵控特技的混合層次靈活可選。
- 具備手動(dòng)/遙控功能，作為播出設(shè)備，通過(guò)相應(yīng)的遙控接口很容易接入自動(dòng)播出系統(tǒng)。
鍵控混合器從使用上說(shuō)分為兩種，即開(kāi)關(guān)鍵和ALPHA鍵。開(kāi)關(guān)鍵即前文提到的硬色鍵，其核心部分是一高速開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的速度很快，一般在15ns以下，主信號(hào)和疊加信號(hào)經(jīng)鉗位后分別到達(dá)二選一開(kāi)關(guān)一端，鍵信號(hào)產(chǎn)生的控制信號(hào)用來(lái)控制開(kāi)關(guān)。
自1998年6月中央電視臺(tái)率先采用半透明臺(tái)標(biāo)以來(lái)，已有許多地市電視臺(tái)都選用了新型具有256級(jí)透明效果的ALPHA鍵代替了傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)鍵，使字幕和臺(tái)標(biāo)能出現(xiàn)半透明或浮雕等效果。
四 . 鍵控特技應(yīng)用于電視后期制作
在電視節(jié)目的后期制作中怎樣利用傳統(tǒng)的鍵控技術(shù)創(chuàng)造出意想不到的效果，我一直在進(jìn)行一些嘗試。我臺(tái)成立于1997年，目前臺(tái)里除了擁有傳統(tǒng)的卷編設(shè)備外，還擁有Avid及新奧特的非線編設(shè)備各一套。由于這兩套設(shè)備均不是以字幕作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此在節(jié)目制作過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)字幕的特技和動(dòng)畫(huà)一直是困擾我們的一個(gè)難點(diǎn)。要想做出字幕的拖尾，碎玻璃，水波紋，雙字同時(shí)游動(dòng)，馬賽克等效果幾乎不可能。通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐和摸索，我們利用鍵控特技和現(xiàn)有設(shè)備，卻可以成功地實(shí)現(xiàn)這些效果，大大提高了制作人員的創(chuàng)作熱情，增加了節(jié)目的可視性。
方法是利用傳統(tǒng)卷編設(shè)備的Magic DaVE 4A特技臺(tái)，將字幕機(jī)輸出作為一路單獨(dú)的視頻信號(hào)源接入Magic DaVE 4A特技臺(tái)，假設(shè)為第4路輸入記作VIN4 。然后通過(guò)資源菜單（Source）設(shè)置，可對(duì)VIN4與Pattern 之間進(jìn)行Magic DaVE 4A特技臺(tái)所提供的所有特技。但先決條件是必須將Pattern的Colour1和Colour2均調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)黑色。因?yàn)樽帜粰C(jī)輸出作為一路信號(hào)輸入Magic DaVE 4A特技臺(tái)的VIN4時(shí)，是以黑底彩色字幕顯示的。這樣通過(guò)調(diào)整設(shè)置Magic DaVE 4A的特技參數(shù)，編好需要的特技效果程序后，就可以在需要的時(shí)間范圍內(nèi)執(zhí)行VIN4與Pattern 之間的特技轉(zhuǎn)換，并用錄機(jī)記錄下來(lái)。你看到的是彩色字幕在黑底上進(jìn)行各種動(dòng)作，如碎裂，扭曲，晃動(dòng)或拖尾飛入飛出，漸大漸小。然后就可以進(jìn)行下一步，利用亮度鍵摳像原理，將上述所得字幕特效帶與需要的畫(huà)面帶進(jìn)行摳像填充，將字幕特效帶的黑色部分摳掉填充上需要的畫(huà)面，就可以達(dá)到畫(huà)面上疊加各種復(fù)雜字幕變換的效果了。
另一種嘗試是利用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件PhotoShop 5.0在計(jì)算機(jī)上處理由掃描儀引入的地圖，比如將地圖中的黃河明顯標(biāo)出并填入蘭色，然后將其轉(zhuǎn)換為 . tga格式的圖片引入字幕機(jī)，作為Magic DaVE 4A特技臺(tái)的VIN4，然后將實(shí)際拍攝的流水畫(huà)面與該畫(huà)面進(jìn)行色鍵疊加摳像，就可以得到靜止的地圖畫(huà)面上黃河奔涌的效果。當(dāng)然，通過(guò)這種方式，還可以得到很多意想不到的效果。
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