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键控技术的发展及其在电视领域的新应用
键控技术的发展及其在电视领域的新应用
《西部广播电视》2000年第9期发表“键”（KEY）就是通常所说的抠像，在传统电视节目制作中使用很普遍。它的本质就是“抠”和“填”，“抠”就是由控制电平将画面沿一定的轮廓线抠掉（变成黑色），“填”就是将所要叠加的视频信号填到被抠掉的区域，键控特技的原理与分画面特技（扫换）相似，键控特技的效果也是参与切换的两路视频信号的图像在屏幕上分割画面，两者的区别在于，键控特技的分割形式可以是任意形状，可产生比分画面特技复杂得多的画面分割，创作出丰富多彩的艺术效果，不象分画面特技那样，仅仅为规则的几何形状。键控特技所需的门控信号称为键控信号或键信号，键信号不是由扫换波形发生器产生，而是由作为键源的视频信号通过键处理器产生。键控特技具有视频切换开关的性质，在有键信号的时候背景图像通不过，让前景图像通过，没有键信号的时候让背景图像通过，而前景图像通不过，用来控制视频切换开关的键信号的频率取决于键源视频图像的频率，大约在几十Hz--几MHz，视频切换开关输出合成图像的背景和前景即是被抠图像和填充图像。
图1 为键控特技原理示意图。
一 . 键控特技的分类
1 . 按键源的性质分
- 内键
键源与填充（前景）信号是同一个图像信号，即用要填的图像信号一路经过键控信号处理器产生抠像电视信号，另一路作为“填充信号”填入被抠掉的部分。内键也称自键。内键特技以前常用于黑白字幕插入，键源信号通常是在黑底上的白色字符或图形，它的电平只有高低两种，且对应白色部分的电平高，如果填充信号记作A，背景信号记作B，则内键可简述为A抠B填A。这种技术现广泛地应用于色键特技。将叠加的全电视信号经消色电路和放大整形处理后，形成抠像键控信号，从而进行混合叠加。
（2）外键
相对于内键特技而言，外键特技的键信号不是由填充（前景）信号或背景信号形成的，而是由第三路视频信号作为键源所形成的，外键的键源信号也是由黑底上的白色字符或图形，填充信号通常为单一色调的彩色信号，因此外键特技通常用于彩色字幕的插入。如果填充信号记作A，背景信号记作B，键源信号记作C，则外键可简述为C抠B填A。
在计算机显示像素时，其RGB像素，一路通过电平合成得到抠像信号，另一路经过D/A变换，编码器编码产生填充信号，如图 2所示。其中存储器输出为数字RGB信号（各8位），经D/A变换成模拟RGB，然后经编码器合成成为填充信号，另一路经求和电平处理器产生抠像信号。图2的键控信号叠加器输出为0和1两种状态的电平信号，随着字幕机技术的发展，现已有利用另一8位信号通道产生具有256级电平变化的ALPHA键，从而产生具有半透明渐变的效果（后文详述）。
2 . 按产生键信号的键源图象成分分
（1）亮度键
它是利用键源图像中亮度成分来形成键信号，亮度键要求键源图像要有较高的亮度反差，即要求键源中作前景的图像部分要亮，其余部分要暗（黑），要形成明显的黑白反差，亮度键又称黑白键。图3为亮度键原理示意图。
（2）色度键
又称色键，它是利用彩色幕布的前景图像（填充信号）的色度成分（主要是色度中的色调，也就是图像的颜色）与其后的彩色幕布的色调（幕布的颜色）差别来形成键信号，用键信号去抠背景图像，再填入彩色幕布的前景图像。色键也是内键的一种形式，所不同的是键信号的形成方式，内键是利用键源信号的黑底和白字符之间的亮度差别来形成键信号，而色键是利用键源信号的彩底（即彩色幕布）和前景图像（如演员图像）之间的色调差别来形成键信号，同时键源信号又作为填充信号。色键要求键源图像信号有较高的色度反差，即要求键源信号中作前景的图像不能含有其后作幕布（背景）的彩色色调相同或相近的色调，也就是要求键源信号的前景和背景的色调尽量分开，最好是补色关系，以保证两者之间的色调差别。
在电视制作中为了获得最佳视觉效果，使用色度键时应尽量满足下列要求：
. 背景应平坦，照明条件要好，颜色要均匀。
. 拍摄物体的照明要好，不能带有被键出的颜色。
. 视频必须以分量格式拍摄。
图4为色键原理示意图。
3 . 按键信号波形分
- 硬色键
键信号波形是前后沿很陡的矩形脉冲信号，硬色键合成输出图像的前景和背景的分界处有抖动和突变现象，使人感到生硬和不自然，还存在分界处彩色闪烁和有幕布色镶边等现象。另外，对于自然景物中的半透明物体作为合成图像前景图像时，其后面的背景图像应该是部分地透明，但是硬色键在任何瞬间其键信号所控制的视频切换开关不是接通就是断开，键信号只有两种取值，不是高电平就是低电平，因此硬色键合成图像中前景图像不是全透过就是全不透过其后的背景图像，这与我们日常见到的自然景观是不同的，所以硬色键特技给人缺乏真实效果的感觉。在硬色键中，键信号为高电平时视频开关接通，前景图像全透过其后的背景图像，键信号为低电平时视频开关切断，前景图像全不透过其后的背景图像。
（2）软色键
键信号波形是与前景图像透明度相关的斜坡形（梯形）信号，键信号在上升和下降期间有一定的斜率，软色键能够在很大程度上克服硬色键的上述缺点，软色键中将用于硬色键的脉冲门控混合电路改成了线性混合电路。
目前，在软色键的基础上发展了线性键控特技（也称透明键或ALPHA键），线性键合成图像能线性地与前景图像的透明度成比例地透过背景图像。软色键和线性键扩大了色键特技的应用范围。线性键是具有半透明混合效果的键控特技，其键信号决定合成图像中前景图像（填充信号）后背景图像以什么样的透明度可见，即键信号根据前景图像的透明度而线性地成比例地决定前景信号与背景信号的合成比例或混合程度。线性键的数学模型可用下式表示：
VOUT= VF* K + VB*（1 - K）
其中VOUT为前景（填充）信号和背景信号合成后的输出信号，VF为前景信号，VB背景信号，K为键信号，K值取值范围为大于等于0而小于等于1，从该式可知，当K=1时，VOUT= VF，此时线性键的合成输出就是前景（填充）信号，这种情况称为完全叠加。当K=0时，VOUT= VB，此时线性键的合成输出就是背景信号，这种情况称为完全不叠加。当大于0而小于1时，线性键的合成输出为前景（填充）信号VF和背景信号VB按照K值所决定的比例进行合成以后的图像，合成图像看上去是半透明的效果，透过前景可以看到背景，透明度的大小取决于键信号K的值。实际上，当K=0或K=1时，线性键就工作在硬色键方式，但反过来硬色键却不能达到线性键的效果，因为硬色键的键信号K的值只有0（低电平）和1（高电平）两个值，所以硬色键合成输出要么是前景信号，要么是背景信号，不可能出现半透明的混合效果。
图5给出了线性键（ALPHA键）原理示意图。
二 .色键技术应用于虚拟演播室
随着数字电视 . 计算机和多媒体技术的发展，色键已从二维特技发展到三维特技，近几年出现的虚拟演播室技术就是三维色键视频特技的典型应用，它将活动的演播人员图象通过色键方式键入到三维立体动画背景之中。做到真实的演员能深入到虚拟的三维场景中，并能够与其中的虚拟对象实时交互。在虚拟演播室中在一间兰色屏幕代替的真实背景里进行现场表演，三维计算机图形发生器实时产生一个逼真的虚拟环境，并按照以下程序工作：摄象机采集前景视频信号，同时摄象机上的跟踪定位系统实时提供摄象机移动的信息。这些数据被送至一个实时图形计算机。从计算机的镜头视角再产生一个虚拟环境。以兰色屏幕为背景拍摄的摄象机图象，经延时后与选自计算机的虚拟背景以相同时码进行工作，并通过数字视频切换台“联合”在一起，实时产生一个组合图象。
图6给出了色键技术应用于虚拟演播室的原理示意图。
传统的色键技术与计算机技术相结合应用于虚拟演播室，成功解决了前景与背景之间的透视关系 . 比例关系，使合成的图像有了极佳的立体效果，可以达到以假乱真的地步。
三 . 键控技术应用于电视播出系统
目前键控技术已广泛地应用于各级电视台的播出系统，主要用于台标时钟和字幕信息的叠加，所采用的方式多为并联方式，即只将实现键控特技功能的键控混合器串接于电视播出系统视频通道中，而将台标时钟机与字幕机并接于键混合器，如图7所示。其优点在于简化了电视播出系统视频通道，提高了电视播出系统的可靠性和安全性，降低了故障率和人为差错率，因为播出节目视频信号经过键混合器而不经过台标时钟机和字幕机，而且即使键控混合器出现故障，也因为其具有掉电旁路直通功能而不影响播出节目视频信号的传输。同时，采用键控混合器并接方式也方便了播出设备的维护和检修，当台标时钟机或字幕机出现故障时，可以方便地将其拆下检修，而不会影响视频通道的节目播出，只是暂时无法叠加台标时钟或字幕信息而已。
图8给出了键控混合器的原理示意。作为播出通道的关键设备，其必须具备以下功能：
- 主信号断电直通功能（BY PASS ）。
- 采用两路外键处理方式，可同时进行底行字幕游动和台标叠加处理。
- 视频信号通道指标满足规定的要求。
- 具备各种检测功能。包括主信号在线检测，填充信号与主信号的同步检测。
- 通过对键控信号的处理，使得键控特技的混合层次灵活可选。
- 具备手动/遥控功能，作为播出设备，通过相应的遥控接口很容易接入自动播出系统。
键控混合器从使用上说分为两种，即开关键和ALPHA键。开关键即前文提到的硬色键，其核心部分是一高速开关，开关的速度很快，一般在15ns以下，主信号和叠加信号经钳位后分别到达二选一开关一端，键信号产生的控制信号用来控制开关。
自1998年6月中央电视台率先采用半透明台标以来，已有许多地市电视台都选用了新型具有256级透明效果的ALPHA键代替了传统的开关键，使字幕和台标能出现半透明或浮雕等效果。
四 . 键控特技应用于电视后期制作
在电视节目的后期制作中怎样利用传统的键控技术创造出意想不到的效果，我一直在进行一些尝试。我台成立于1997年，目前台里除了拥有传统的卷编设备外，还拥有Avid及新奥特的非线编设备各一套。由于这两套设备均不是以字幕作为设计目标，因此在节目制作过程中，我们发现字幕的特技和动画一直是困扰我们的一个难点。要想做出字幕的拖尾，碎玻璃，水波纹，双字同时游动，马赛克等效果几乎不可能。通过长期的实践和摸索，我们利用键控特技和现有设备，却可以成功地实现这些效果，大大提高了制作人员的创作热情，增加了节目的可视性。
方法是利用传统卷编设备的Magic DaVE 4A特技台，将字幕机输出作为一路单独的视频信号源接入Magic DaVE 4A特技台，假设为第4路输入记作VIN4 。然后通过资源菜单（Source）设置，可对VIN4与Pattern 之间进行Magic DaVE 4A特技台所提供的所有特技。但先决条件是必须将Pattern的Colour1和Colour2均调整为标准黑色。因为字幕机输出作为一路信号输入Magic DaVE 4A特技台的VIN4时，是以黑底彩色字幕显示的。这样通过调整设置Magic DaVE 4A的特技参数，编好需要的特技效果程序后，就可以在需要的时间范围内执行VIN4与Pattern 之间的特技转换，并用录机记录下来。你看到的是彩色字幕在黑底上进行各种动作，如碎裂，扭曲，晃动或拖尾飞入飞出，渐大渐小。然后就可以进行下一步，利用亮度键抠像原理，将上述所得字幕特效带与需要的画面带进行抠像填充，将字幕特效带的黑色部分抠掉填充上需要的画面，就可以达到画面上叠加各种复杂字幕变换的效果了。
另一种尝试是利用计算机图像处理软件PhotoShop 5.0在计算机上处理由扫描仪引入的地图，比如将地图中的黄河明显标出并填入兰色，然后将其转换为 . tga格式的图片引入字幕机，作为Magic DaVE 4A特技台的VIN4，然后将实际拍摄的流水画面与该画面进行色键叠加抠像，就可以得到静止的地图画面上黄河奔涌的效果。当然，通过这种方式，还可以得到很多意想不到的效果。
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