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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填到被摳掉的區(qū)域，鍵控特技的原理與分畫面特技（掃換）相似，鍵控特技的效果也是參與切換的兩路視頻信號的圖像在屏幕上分割畫面，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)生比分畫面特技復(fù)雜得多的畫面分割，創(chuàng)作出豐富多彩的藝術(shù)效果，不象分畫面特技那樣，僅僅為規(guī)則的幾何形狀。鍵控特技所需的門控信號稱為鍵控信號或鍵信號，鍵信號不是由掃換波形發(fā)生器產(chǎn)生，而是由作為鍵源的視頻信號通過鍵處理器產(chǎn)生。鍵控特技具有視頻切換開關(guān)的性質(zhì)，在有鍵信號的時(shí)候背景圖像通不過，讓前景圖像通過，沒有鍵信號的時(shí)候讓背景圖像通過，而前景圖像通不過，用來控制視頻切換開關(guān)的鍵信號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）信號是同一個(gè)圖像信號，即用要填的圖像信號一路經(jīng)過鍵控信號處理器產(chǎn)生摳像電視信號，另一路作為“填充信號”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，且對應(yīng)白色部分的電平高，如果填充信號記作A，背景信號記作B，則內(nèi)鍵可簡述為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經(jīng)消色電路和放大整形處理后，形成摳像鍵控信號，從而進(jìn)行混合疊加。
（2）外鍵
相對于內(nèi)鍵特技而言，外鍵特技的鍵信號不是由填充（前景）信號或背景信號形成的，而是由第三路視頻信號作為鍵源所形成的，外鍵的鍵源信號也是由黑底上的白色字符或圖形，填充信號通常為單一色調(diào)的彩色信號，因此外鍵特技通常用于彩色字幕的插入。如果填充信號記作A，背景信號記作B，鍵源信號記作C，則外鍵可簡述為C摳B填A(yù)。
在計(jì)算機(jī)顯示像素時(shí)，其RGB像素，一路通過電平合成得到摳像信號，另一路經(jīng)過D/A變換，編碼器編碼產(chǎn)生填充信號，如圖 2所示。其中存儲(chǔ)器輸出為數(shù)字RGB信號（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，另一路經(jīng)求和電平處理器產(chǎn)生摳像信號。圖2的鍵控信號疊加器輸出為0和1兩種狀態(tài)的電平信號，隨著字幕機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有利用另一8位信號通道產(chǎn)生具有256級電平變化的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形成鍵信號，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）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）差別來形成鍵信號，用鍵信號去摳背景圖像，再填入彩色幕布的前景圖像。色鍵也是內(nèi)鍵的一種形式，所不同的是鍵信號的形成方式，內(nèi)鍵是利用鍵源信號的黑底和白字符之間的亮度差別來形成鍵信號，而色鍵是利用鍵源信號的彩底（即彩色幕布）和前景圖像（如演員圖像）之間的色調(diào)差別來形成鍵信號，同時(shí)鍵源信號又作為填充信號。色鍵要求鍵源圖像信號有較高的色度反差，即要求鍵源信號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的前景和背景的色調(diào)盡量分開，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 . 按鍵信號波形分
- 硬色鍵
鍵信號波形是前后沿很陡的矩形脈沖信號，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所控制的視頻切換開關(guān)不是接通就是斷開，鍵信號只有兩種取值，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就是全不透過其后的背景圖像，這與我們?nèi)粘Ｒ姷降淖匀痪坝^是不同的，所以硬色鍵特技給人缺乏真實(shí)效果的感覺。在硬色鍵中，鍵信號為高電平時(shí)視頻開關(guān)接通，前景圖像全透過其后的背景圖像，鍵信號為低電平時(shí)視頻開關(guān)切斷，前景圖像全不透過其后的背景圖像。
（2）軟色鍵
鍵信號波形是與前景圖像透明度相關(guān)的斜坡形（梯形）信號，鍵信號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，其鍵信號決定合成圖像中前景圖像（填充信號）后背景圖像以什么樣的透明度可見，即鍵信號根據(jù)前景圖像的透明度而線性地成比例地決定前景信號與背景信號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）信號和背景信號合成后的輸出信號，VF為前景信號，VB背景信號，K為鍵信號，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，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，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VF和背景信號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，透過前景可以看到背景，透明度的大小取決于鍵信號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，但反過來硬色鍵卻不能達(dá)到線性鍵的效果，因?yàn)橛采I的鍵信號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，要么是背景信號，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色鍵方式鍵入到三維立體動(dòng)畫背景之中。做到真實(shí)的演員能深入到虛擬的三維場景中，并能夠與其中的虛擬對象實(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，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，并通過數(shù)字視頻切換臺“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)用于各級電視臺的播出系統(tǒng)，主要用于臺標(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)目視頻信號經(jīng)過鍵混合器而不經(jīng)過臺標(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)無法疊加臺標(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)和臺標(biāo)疊加處理。
- 視頻信號通道指標(biāo)滿足規(guī)定的要求。
- 具備各種檢測功能。包括主信號在線檢測，填充信號與主信號的同步檢測。
- 通過對鍵控信號的處理，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分為兩種，即開關(guān)鍵和ALPHA鍵。開關(guān)鍵即前文提到的硬色鍵，其核心部分是一高速開關(guān)，開關(guān)的速度很快，一般在15ns以下，主信號和疊加信號經(jīng)鉗位后分別到達(dá)二選一開關(guān)一端，鍵信號產(chǎn)生的控制信號用來控制開關(guān)。
自1998年6月中央電視臺率先采用半透明臺標(biāo)以來，已有許多地市電視臺都選用了新型具有256級透明效果的ALPHA鍵代替了傳統(tǒng)的開關(guān)鍵，使字幕和臺標(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。我臺成立于1997年，目前臺里除了擁有傳統(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)目制作過程中，我們發(fā)現(xiàn)字幕的特技和動(dòng)畫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。通過長期的實(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，將字幕機(jī)輸出作為一路單獨(dú)的視頻信號源接入Magic DaVE 4A特技臺，假設(shè)為第4路輸入記作VIN4 。然后通過資源菜單（Source）設(shè)置，可對VIN4與Pattern 之間進(jìn)行Magic DaVE 4A特技臺所提供的所有特技。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)輸出作為一路信號輸入Magic DaVE 4A特技臺的VIN4時(shí)，是以黑底彩色字幕顯示的。這樣通過調(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。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面，就可以達(dá)到畫面上疊加各種復(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特技臺的VIN4，然后將實(shí)際拍攝的流水畫面與該畫面進(jìn)行色鍵疊加摳像，就可以得到靜止的地圖畫面上黃河奔涌的效果。當(dāng)然，通過這種方式，還可以得到很多意想不到的效果。
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