- 相關(guān)推薦
鍵控技術(shù)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)與發(fā)展
鍵控技術(shù)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)與發(fā)展
我們知道傳統(tǒng)視頻領(lǐng)域中的鍵控技術(shù)的本質(zhì)就是應(yīng)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摳掉，使背景變成黑色。"填"就是將所要疊加的視頻信號(hào)填到被摳掉的無(wú)圖象區(qū)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，依賴于前景物體所產(chǎn)生的遮擋輪廓信號(hào)，作為外鍵信號(hào)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(tǒng)處理方式存在的缺陷是對(duì)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(xì)節(jié)，或者是針對(duì)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(shù)字視頻領(lǐng)域里，由于引入多種數(shù)字色鍵處理方式，使得我們基本上走出了此類困惑。本文將介紹幾種數(shù)字色鍵的處理方法，并且與傳統(tǒng)方法進(jìn)行一些比較，希望能使讀者可以對(duì)數(shù)字鍵控技術(shù)有更多的認(rèn)識(shí)。
1傳統(tǒng)鍵控原理
由于人體膚色的原因，傳統(tǒng)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，所需的門控開(kāi)關(guān)信號(hào)稱為鍵控信號(hào)或鍵信號(hào)，鍵信號(hào)由作為鍵源的視頻信號(hào)通過(guò)鍵處理器產(chǎn)生。一個(gè)鍵開(kāi)關(guān)信號(hào)在有鍵信號(hào)（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(hào)（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(jù)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(hào)的頻率，大約在幾十Hz--幾MHz。如此一個(gè)模擬色鍵處理的結(jié)果即是我們通常所說(shuō)的"扣像"。
圖2 為傳統(tǒng)鍵控處理原理示意圖。
傳統(tǒng)鍵信號(hào)波形是前后沿很陡的矩形脈沖信號(hào)，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(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，但是在傳統(tǒng)色鍵處理時(shí)，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，因此傳統(tǒng)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，效果十分生硬與缺乏真實(shí)感的，我們稱之為硬色鍵。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數(shù)字視頻領(lǐng)域的鍵控技術(shù)
數(shù)字色鍵主要使用數(shù)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(shù)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(tǒng)的鍵控技術(shù)不同，目前市場(chǎng)出現(xiàn)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(xiàn)在可以產(chǎn)生一個(gè)縱深方向的信息（即Z軸方向的參數(shù)值，稱為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)，稱為深度鍵（depth-key）。
虛擬演播室的出現(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)色鍵技術(shù)提出了更高的要求，為了使同一節(jié)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(xiàn)主持人在虛擬或?qū)嶋H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(jī)到每個(gè)像素的距離。使用傳統(tǒng)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(hào)即鍵信號(hào)，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(shù)目的分層級(jí)；另一種是將像素分成等級(jí)的像素級(jí)。在分層級(jí)深度鍵中，物體被分別歸類到數(shù)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(xù)變化。而在像素級(jí)深度鍵中，構(gòu)成虛擬場(chǎng)景中的每一個(gè)像素都有相應(yīng)的Z軸深度值。因此演員在虛擬場(chǎng)景中的位置可以連續(xù)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(jī)的相對(duì)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(duì)合成畫(huà)面上每個(gè)像素Z值的計(jì)算和實(shí)際內(nèi)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(duì)關(guān)系，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，缺陷是逼真度差，而且對(duì)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(tǒng)"。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(zhǔn)確定位出主持人的三維位置，自動(dòng)識(shí)別主持人和虛擬背景的相對(duì)位置關(guān)系。
(2)數(shù)字色鍵
數(shù)字色鍵與模擬色鍵的最大不同在于它可以在數(shù)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(jì)算機(jī)的32位機(jī)器字長(zhǎng)，其中有8位專門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(dāng)然這是由計(jì)算機(jī)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(jí)的連續(xù)選擇無(wú)數(shù)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(shù)字色鍵針對(duì)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(xì)節(jié)。
由于色鍵處理是針對(duì)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(hào)的質(zhì)量高低決定了鍵信號(hào)的質(zhì)量。為了對(duì)色度信號(hào)做盡可能細(xì)的區(qū)分，帶寬的保證是必不可少的。眾所周知，模擬或數(shù)字分量的NTSC或PAL制全電視信號(hào)的帶寬為6MHz，而在ITU-601數(shù)字分量演播室標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，采用對(duì)Y，（R-Y），（B-Y）3個(gè)信號(hào)分量分別編碼的方式，取樣頻率為13.5 MHz，取樣結(jié)構(gòu)為4：2：2，假如以10bit 作為量化比特?cái)?shù)，其編碼后的總碼率R=10*（13.5+6.75+6.75）=270Mbit/s。
通常，信道帶寬至少是數(shù)碼率的0.5至1倍，數(shù)字化后的信號(hào)帶寬就達(dá)到了（67.5--135）MHz（只有Y時(shí)）或（135--270）MHz。即使經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮之后，其帶寬仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬或數(shù)字分量信號(hào)。因此，ITU-601數(shù)字分量演播室標(biāo)準(zhǔn)就為色度提供了更大可用的帶寬。使得數(shù)字色鍵產(chǎn)品可以得到比模擬色鍵產(chǎn)品好得多的質(zhì)量。但是數(shù)字色鍵也有它自身不可克服的缺陷，那就是由于數(shù)字圖象的壓縮，哪怕是極輕微的壓縮，都有可能導(dǎo)致鍵錯(cuò)誤的發(fā)生。尤其是在DCT分塊處理的邊界處。在新的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)將鍵信號(hào)規(guī)定為彩色圖象除了Y，（R-Y），（B-Y）的第四個(gè)分量，其采樣結(jié)構(gòu)為4：2：2：4或4：4：4：4（此時(shí)為R，G，B處理），采樣頻率為13.5MHz。
（3）柔化鍵（Soft-key）
在數(shù)字鍵控技術(shù)領(lǐng)域，提到柔化鍵，一般包括兩層含義。一種是針對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)切換的硬色鍵而言的軟色鍵，其鍵信號(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，能夠在很大程度上克服硬色鍵非0即1的缺點(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。還有一層含義是指在一些數(shù)字色鍵處理過(guò)程中，為了得到精細(xì)逼真的畫(huà)面效果，而將處理模塊細(xì)化，比如Primatte色鍵處理軟件，在處理蘭屏前的物體與背景疊加時(shí)，將處理過(guò)程細(xì)分為背景彩色分量處理、柔化鍵彩色分量處理（針對(duì)前景物體的透明或半透明部分進(jìn)行）、蘭色溢出彩色分量處理與前景彩色分量處理。四個(gè)過(guò)程分別進(jìn)行，然后再合成。此時(shí)的柔化鍵，已經(jīng)是特指對(duì)前景物體的透明度所進(jìn)行的軟件運(yùn)算了。
（4）線性鍵（linear-key）
線性鍵是在柔化鍵中軟色鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它借用了計(jì)算機(jī)圖象處理軟件中的ALPHA通道分層技術(shù)的精髓，通過(guò)對(duì)鍵信號(hào)的分級(jí)來(lái)均勻地混合前景與背景。采用線性鍵技術(shù)合成的圖像，可以根據(jù)前景圖像的透明度線性成比例地透過(guò)背景圖像，因此也被稱為ALPHA鍵。
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。
從上述表達(dá)式可以看出，線性鍵并不是作完全的相加混合，在前景（填充）信號(hào)為半透明的情況下，要看到背景畫(huà)面，必須削弱前景信號(hào)，這樣勢(shì)必會(huì)損失圖象細(xì)節(jié)。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。
線性鍵在處理前景信號(hào)細(xì)節(jié)邊緣或蘭色陰影時(shí)，是在整個(gè)背景范圍內(nèi)抵消相應(yīng)的色度，在混合輸出時(shí)前景的邊緣信號(hào)被減弱了，保留下的亮度級(jí)也被減弱了，這樣在加混輸出時(shí)，前景的細(xì)節(jié)就可能變得灰暗與模糊。
圖3給出了線性鍵（ALPHA鍵）原理示意圖。
2.2彩色空間
為了得到最佳的鍵合成效果，不同的商家開(kāi)發(fā)了許多種技術(shù)途徑，尤其在彩色空間的選擇與采樣技術(shù)上。一直以來(lái)模擬色鍵發(fā)生器的輸入均直接由演播室攝象機(jī)直接提供RGB信號(hào)，當(dāng)然在數(shù)字化時(shí)代，存儲(chǔ)和處理RGB信號(hào)比處理Y，R-Y，B-Y信號(hào)復(fù)雜，為了真實(shí)還原色彩，不可以象對(duì)待Y，R-Y，B-Y信號(hào)以4：2：2或4：2：0或4：1：1來(lái)采樣，而必須以4：4：4的采樣結(jié)構(gòu)分別對(duì)RGB三個(gè)顏色分量采樣。這樣RGB均為全帶寬，必然會(huì)增加系統(tǒng)整體的處理難度。因?yàn)樵诙啻蔚挠涗浥c存儲(chǔ)過(guò)程中，怎樣在一個(gè)復(fù)雜的編輯過(guò)程中采用RGB處理是非常困難的，任一環(huán)節(jié)以低于4：4：4的格式記錄，都將損失RGB處理的所有優(yōu)勢(shì)。另外，相對(duì)于Y，R-Y，B-Y信號(hào)，以RGB處理無(wú)論在數(shù)學(xué)模型或控制上均更加復(fù)雜，例如一個(gè)被攝物體明亮度的變化在RGB處理時(shí)，需要調(diào)整RGB三個(gè)分量的正確混合比例，但以Y，R-Y，B-Y處理，只需要調(diào)整一個(gè)就可以�？梢韵胂�，當(dāng)視頻圖象采用RGB時(shí)，應(yīng)該代表了最佳的圖象質(zhì)量。這也是高清晰度電視以4：4：4或8：8：8采樣所追求的目標(biāo)。但是目前在電視制作中，還不可能完全實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，新的數(shù)字分量色鍵處理卻已經(jīng)在RGB彩色空間進(jìn)行了。
根據(jù)格拉茲曼法則，任何一種彩色都可由另外3種彩色按不同的比例合成。這意味著若選定3種人所共知的標(biāo)準(zhǔn)基色，那么任何一種彩色，可以用合成這一彩色所需的3種基色的數(shù)量來(lái)表示。更明確地說(shuō)，在標(biāo)準(zhǔn)基色選定以后，任何一種彩色，可以用3個(gè)數(shù)字精確的表示。選定RGB作為三基色，色度學(xué)中引入了三色系數(shù)RGB，并且推導(dǎo)出：可以用三色系數(shù)R、G和B來(lái)準(zhǔn)確地表示彩色的色調(diào)和飽和度。圖7給出了以R，G，B為坐標(biāo)軸，以三色系數(shù)為坐標(biāo)，任何一種彩色均可以由這3個(gè)坐標(biāo)值所確定的矢量來(lái)表示的三維矢量坐標(biāo)系，我們也稱其為RGB彩色空間。其中坐標(biāo)原點(diǎn)o是RGB都等于0的點(diǎn)，代表黑色。與O點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的立方體的頂點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值都等于1，代表等能白色。連接其余的R、G和B分別等于1的3個(gè)頂點(diǎn)的等邊三角形（圖中虛線所示），稱為麥克斯韋三角形，其三個(gè)頂點(diǎn)分別代表100%的紅色、綠色和蘭色，三角形的重心代表等能白色。麥克斯韋三角形所在的平面也叫色度平面（Chromaticity Plate）。色度是色調(diào)與色飽和度的總稱，不含亮度信息。因此在色度平面上淺紅和深紅沒(méi)有區(qū)別。傳統(tǒng)的色鍵處理只在色度平面中進(jìn)行，不考慮亮度分量。在圖4所示的RGB彩色空間中，黑白兩點(diǎn)連線所代表的是亮度信息。
新的數(shù)字色鍵處理方法，既在RGB色立方體的色度平面處理，同時(shí)也考慮了亮度因素。例如， Primatte 色鍵處理軟件，定義了一個(gè)128面的多面體來(lái)建立精密復(fù)雜的三維空間輪廓，以達(dá)到精細(xì)區(qū)分存在于前景與背景之間的細(xì)小的顏色不同。
3 ULTIMATTE的數(shù)字色鍵處理
ULTIMATTE公司是世界公認(rèn)的蘭/綠屏技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，具有20多年的開(kāi)發(fā)應(yīng)用蘭屏合成圖象的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)論從傳統(tǒng)色鍵設(shè)備到先進(jìn)的數(shù)字色鍵設(shè)備，他一直在不斷地提高產(chǎn)品的功能，引領(lǐng)著業(yè)界的潮流。
Ultimatte的數(shù)字色鍵處理是在前后景間作混合而非切換，前后景先分別處理，然后再相加產(chǎn)生合成圖象,在處理時(shí)它不用限制整體信號(hào)。早期的鍵采用的是非相加的混合，在前后景之間做切換，這種方法的局限性就是沒(méi)辦法將透明或半透明的前景物體疊加到背景上，而同時(shí)還要透過(guò)它看到背景。
與傳統(tǒng)的色鍵處理相比，ULTIMATTE的數(shù)字色鍵處理具有以下特點(diǎn)：
（1）用完全相加混合前景與背景，可以再生象透明物體上的倒影那樣的清晰效果。
（2）采用特有的算法產(chǎn)生遮罩(matte)信號(hào)，可以更好地從前景物體中區(qū)分出背景。
（3）采用抑制襯底及平抑蘭溢出的特殊算法處理前景的同時(shí)，允許在前景上再現(xiàn)蘭色陰影。
ULTIMATTE的數(shù)字色鍵處理提供了以下的功能：
（1）全線性的遮擋：用于消除硬邊緣，所有在前景圖像中的圖像虛化、清晰細(xì)致的圖像、透明度以及影子都將在最后合成中重新生成。
（2）屏幕矯正：用于對(duì)不均勻的藍(lán)屏幕、藍(lán)布景，以及污點(diǎn)的調(diào)整，保證最后的合成完美無(wú)缺。
（3）噪點(diǎn)消除（Grain Killer）: 對(duì)前景中的藍(lán)屏和綠屏中的噪點(diǎn)進(jìn)行過(guò)濾，不影響前景圖像。
（4）自動(dòng)處理：點(diǎn)擊任意污染區(qū)域，自動(dòng)地對(duì)噪點(diǎn)消除（Grain Killer）控制進(jìn)行調(diào)整。
（5）冗余色塊: 提供了一個(gè)外部生成的冗余色塊（garbage matte），
（6）閃爍抑制：自動(dòng)消除藍(lán)屏幕閃爍或前景圖像溢出，進(jìn)一步控制過(guò)渡的溢出
3．1前景處理
ULTIMATTE在處理前景時(shí),不削弱前景,只削減描繪背襯的蘭色分量,對(duì)前景物體的外邊緣的處理,Ultimatte可以高保真。它采用獨(dú)特的算法有選擇地減去信號(hào)級(jí)來(lái)表現(xiàn)出襯底,而線性鍵在處理前景時(shí)是在襯底所有的色調(diào)范圍內(nèi)抵消色度值,在混合時(shí)前景被減弱,留下的亮度級(jí)也被消減,有時(shí)前景物體的蘭色陰影可能變得灰暗。
3. 2遮罩(matte)信號(hào)的產(chǎn)生
ULTIMATTE色鍵處理區(qū)別于其他色鍵設(shè)備的第二個(gè)特點(diǎn)是用來(lái)從前景產(chǎn)生遮罩(matte)信號(hào)的特殊算法. ULTIMATTE從前景RGB得出遮 罩(matte)信號(hào)的處理較一般色鍵信號(hào)復(fù)雜、靈活，ULTIMATTE可以更好地區(qū)分襯底與前景物體的顏色，操作者可以更多的控制選取生成遮罩（matte）信號(hào)所用的顏色純度，也可以比一般色鍵更好地支持蘭屏前的蘭色與灰色陰影。
3．3蘭溢出的抑制
ULTIMATTE含有專門用來(lái)抑制由襯底溢出的光引起的前景物體的色污染，這是處理前景生成遮罩（matte）信號(hào)的處理過(guò)程的一部分。
ULTIMATTE在處理前景時(shí)，將襯底的蘭（綠）抑制為黑，前景中的其他區(qū)域的蘭（綠）被減弱到一個(gè)合適的水平。傳統(tǒng)色鍵通過(guò)抵消色度中的指定色調(diào)來(lái)抑制蘭溢出，而ULTIMATTE是有選擇的減少蘭（綠）色分量。不同在于傳統(tǒng)色鍵中的前景物體的蘭色將變?yōu)榛疑鳸LTIMATTE中的蘭色仍保持蘭色。
4 PRIMATTE的數(shù)字色鍵處理
PRIMATTE是一種純軟件的色鍵處理方法，廣泛地運(yùn)行在各種SGI圖象處理工作站上，最初由IMAGICA 公司在1992年提出，用于在數(shù)字圖象上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的色鍵處理。經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展，如今PRIMATTE已成為一種功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)SGI軟件產(chǎn)品，它可以提供極端精細(xì)的遮罩控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖象合成。
PRIMATTE的數(shù)字色鍵處理具有以下特點(diǎn)：
（1） 獨(dú)特的鍵值算法
（2） 對(duì)圖象軟邊部分的色彩處理
（3） 準(zhǔn)確、干凈地抑制蘭溢出
（4） 易操作性
4．1鍵值計(jì)算方法
為了產(chǎn)生一個(gè)合成圖象，計(jì)算機(jī)圖象處理借鑒了視頻色鍵處理的思想，采用遮罩信號(hào)作為視頻切換開(kāi)關(guān)，要求蘭屏的彩色分量為0%，前景物體的彩色分量為100%。采用"柔化鍵"處理比較難于合成的前景物體，如煙、頭發(fā)絲等，此時(shí)前景物體的彩色分量值界于0%--100%之間，基于遮罩層級(jí)值混合前景物體與背景圖象的彩色分量。合成圖象的每一個(gè)象素值等于色鍵遮罩層相應(yīng)象素的彩色分量值減去背景圖象相應(yīng)象素的彩色分量值。
該算法的處理是在RGB彩色空間進(jìn)行的，并且考慮了亮度信息，并且可以依據(jù)前景物體的顏色分量，靈活地對(duì)亮度信息的分級(jí)，來(lái)準(zhǔn)確地確定遮罩信號(hào)。
在PRIMATTE的算法中使用了三種不同的多面體來(lái)控制精細(xì)的三維鍵圖，并采用下述的4個(gè)步驟來(lái)處理：
（1） 背景分量
（2） 柔化鍵分量
（3） 蘭溢出分量
（4） 前景分量
4．2軟邊處理
傳統(tǒng)的色鍵合成圖象時(shí)，使用遮罩信號(hào)作為外鍵輸入，背景物體的所有象素將以100%的彩色分量值、0%的鍵值輸出，前景物體的所有象素將以100%的彩色分量值、100%的鍵值輸出，這樣物體的柔化邊緣不可能被清晰鍵出，同時(shí)蘭色背景將為最終的合成圖象鑲邊。一般的處理方法是通過(guò)調(diào)整鍵的分割級(jí)數(shù)來(lái)抑制這種蘭色溢出，那樣圖象的細(xì)節(jié)會(huì)丟失。
傳統(tǒng)的解決方法，首先需要建立一個(gè)前景物體的輪廓圖象，并且用補(bǔ)色代替蘭色背景，這種處理模式也被稱作"消色信號(hào)"，其結(jié)果看起來(lái)不自然。現(xiàn)有的色鍵處理中，比較流行的方法是利用一個(gè)中間圖象，該圖象生成于系統(tǒng)內(nèi)部，由色鍵素材減去蘭色分量形成，看起來(lái)象"黑背景圖象"。這個(gè)中間圖象被稱為"予繁衍前景"（pre-multiplied foregroung）。但是使用其他視頻設(shè)備去合成這個(gè)"予繁衍前景"時(shí)仍有缺陷，主要是其所使用的開(kāi)關(guān)必須具有"加混"功能，否則軟鍵部分就不能被清晰地鍵出，且顏色中保留有黑色。PRIMATTE在進(jìn)行處理時(shí)不會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，它采用了一種高性能的柔化鍵處理技術(shù)，"非予繁衍前景"技術(shù)，不必顧及開(kāi)關(guān)的功能，更適合于外鍵的生成。
4．3精確抑制蘭溢出
PRIMATTE軟件具有獨(dú)特的蘭溢出抑制功能。關(guān)鍵在于彩色校正，尤其是允許使用者從溢出區(qū)域提取出蘭色分量。當(dāng)背景包含的顏色分量極少時(shí)，這種處理是實(shí)用有效的，如果背景亮度不均勻，PRIMATTE提供一個(gè)內(nèi)部發(fā)生裝置散焦背景圖象作為參考。使用者可以應(yīng)用（或加混）相應(yīng)的彩色分量，這些彩色分量可以是包含在背景圖象中的每一部分的彩色分量。
4．4 遮擋信號(hào)的生成
在傳統(tǒng)的色鍵設(shè)備中，一個(gè)遮擋信號(hào)的產(chǎn)生，一般經(jīng)過(guò)下述步驟：
（1） 輸入一幅蘭背景圖象；
（2） 設(shè)置存儲(chǔ)空間保留遮擋結(jié)果；
（3） 圍繞蘭色背景設(shè)置分割區(qū)；
（4） 從圖象左上角開(kāi)始對(duì)每一個(gè)象素執(zhí)行以下處理：
A． 將該象素描繪為彩色空間的一個(gè)點(diǎn)，得到它的彩色坐標(biāo)；
B． 確定這個(gè)點(diǎn)是否落在分割區(qū)內(nèi)；
C． 如果是，賦值為BLACK，否則，賦值WHITE；
D． 存儲(chǔ)該象素；
E． 對(duì)所有象素重復(fù)上述步驟；
（5） 輸出遮擋圖象結(jié)果。
這種處理過(guò)程中，假設(shè)在RGB彩色空間有一個(gè)火柴盒，如圖5所示。傳統(tǒng)色鍵之所以不能產(chǎn)生吸引人的效果，原因就在于它將前景物體或蘭背景的所有象素組做同樣的處理，而沒(méi)有中間狀態(tài)。而實(shí)際上蘭色背景與前景物體彩色之間存在著精細(xì)的變化，如頭發(fā)邊緣，頭發(fā)的顏色與蘭背景的顏色在一個(gè)象素中以一定的比例共同存在，這些象素?zé)o論是被當(dāng)作蘭背景還是目標(biāo)物體，都可能造成細(xì)節(jié)丟失后發(fā)生蘭溢出，要想最終正確地表現(xiàn)出頭發(fā)邊緣，應(yīng)該是取這兩種顏色的平均。在3維彩色空間中，中間色位于前景目標(biāo)物體顏色與背景蘭色中間，如圖6所示。PRIMATTE采用了一種模糊（fuzzyness）技術(shù)來(lái)處理這些象素。它在RGB彩色空間中，用兩個(gè)火柴盒來(lái)設(shè)置不同的分割區(qū)，一大一小互相嵌套。如圖7 所示。采用這種分割，在產(chǎn)生遮擋信號(hào)時(shí)，除了上述的步驟外，又增加了
AA. 若前景物體的目標(biāo)象素落在小火柴盒里，將遮擋賦制值為BLACK（黑）；
BB．若前景物體的目標(biāo)象素落在大火柴盒之外，將遮擋賦制值為WHITE（白）；
CC．若前景物體的目標(biāo)象素落在兩個(gè)火柴盒之間，將遮擋賦制值為GRAY（灰），并且將這種在兩個(gè)火柴盒之間距離所代表的GRAY等分出亮度等級(jí)，靠近小盒子的是深灰，靠近大盒子的是淺灰。
對(duì)原蘭背景圖象的所有象素重復(fù)同樣的處理，根據(jù)該象素所得的灰色亮度結(jié)果，來(lái)確定原象素有中前后景顏色分量的百分比。如圖8所示。這種方法大大改進(jìn)了色鍵處理，這也是PRIMATTE中軟色鍵處理的基礎(chǔ)。在這種處理方法中，兩個(gè)分割區(qū)的放置是非常重要的技術(shù)，前景目標(biāo)物體應(yīng)該被放在大盒子之外，蘭背景應(yīng)該被放在小盒子之內(nèi)，其他的象素應(yīng)該在兩個(gè)盒子之間，才可以得到最佳的結(jié)果。
5 操作技巧
前面我分別介紹了當(dāng)今代表硬件方式與軟件方式在數(shù)字色鍵領(lǐng)域各領(lǐng)風(fēng)騷的ULTIMATTE和PRIMATTE，其實(shí)由于二者處理方式的不同,決定了應(yīng)用環(huán)境的差別。ULTIMATTE是基于傳統(tǒng)視頻領(lǐng)域的Y，R-Y，B-Y信號(hào)的，完全由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)摳像，非常適應(yīng)于演播室的直播環(huán)境。而PRIMATTE是基于計(jì)算機(jī)圖象處理的合成軟件，由于計(jì)算機(jī)圖象顯示是以RGB分量處理的，這就決定了在計(jì)算機(jī)上的色鍵處理可以完全在RGB彩色空間進(jìn)行，而且可以多次精細(xì)調(diào)整，逐漸逼近最佳效果，所以適合于在SGI等計(jì)算機(jī)圖形工作站上進(jìn)行后期圖象合成。
使用ULTIMATTE設(shè)備進(jìn)行摳像，其操作完全沿襲了傳統(tǒng)摳像設(shè)備的操作模式，這里就不在細(xì)說(shuō)了。以PRIMATTE為代表的軟件摳像方式，主要是在計(jì)算機(jī)或類似計(jì)算機(jī)平臺(tái)的設(shè)備（如quantel的Harry,painbox等 ）上進(jìn)行基本的數(shù)碼合成操作，怎樣才能把摳像的素材和背景自然地溶為一體，除了操作人員的經(jīng)驗(yàn)外，也需要前期的配合。下面介紹一些技巧及注意事項(xiàng)。
（1）蘭或綠背景要干凈，平均，燈光要打好，尤其是運(yùn)動(dòng)物體起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的燈光都要保持好。沒(méi)有穿崩，沒(méi)有皺褶，沒(méi)有暗影，拍攝時(shí)這些細(xì)節(jié)一定要注意，后期效率就成倍的提高。
（2）演員服裝，道具盡量不要跟背景混在一起，主要是邊緣，譬如物體邊緣是紅色的，中心有一個(gè)藍(lán)色標(biāo)志（LOGO），這些情況可以修補(bǔ)掉。演員服裝，道具反射率高，譬如金屬的太空服很容易反射到藍(lán)背景，這樣就更要注意了，演員和背景也要有一定的距離。
（3）運(yùn)動(dòng)的物體或不在焦點(diǎn)的物體會(huì)出現(xiàn)虛化，邊緣會(huì)發(fā)毛，需要特別注意。
（4） 對(duì)頭發(fā)毛絲、玻璃、火，光、煙霧等物體的摳像，需要耐心的多做幾個(gè)遮罩，必要時(shí)采用手工畫(huà)邊。
在后期制作時(shí),使用不同的合成軟件，操作方法都不一樣，但原理和步驟都是相同的，主要包括
（1）做遮罩(MATT)。實(shí)際拍攝的畫(huà)面中，物體與背景的邊緣都會(huì)有一個(gè)蒙邊的過(guò)渡，而合成的物體邊緣必須模仿這種過(guò)度。邊緣太硬，合成上去的物體像一個(gè)剪紙，邊緣過(guò)虛，摳像物體就給吃掉邊緣，少了細(xì)節(jié)。摳像時(shí)必須仔細(xì)地制作遮罩（MATT），為了保證摳像物體能有盡量清晰的邊緣細(xì)節(jié)，很多時(shí)候一個(gè)物體需要分幾部分做幾個(gè)MATT，才能摳干凈，千萬(wàn)不要怕麻煩。
（2）遮罩（MATT）蝕入。把摳像物體的遮罩（MATT）作虛邊，然后合成時(shí)把MATT的虛邊往里面蝕入一些，這樣可以避免邊緣經(jīng)常出現(xiàn)的閃動(dòng)和鋸齒，物體與背景的邊緣有自然的過(guò)渡。
（3）褪藍(lán)。有了遮罩（MATT）還不能直接把前景和背景合上，因?yàn)檫@樣前景的物體通常會(huì)有礙眼的藍(lán)邊，必需經(jīng)過(guò)褪藍(lán)這一步驟，有的軟件是在調(diào)色完成的，把畫(huà)面中的藍(lán)色成分去掉，(千萬(wàn)不要影響到前景物體的顏色！)人的膚色中帶有一定的藍(lán)，去掉了膚色會(huì)變粉，很不自然。雖然有的軟件本身有專門做褪藍(lán)的命令，但為了保證畫(huà)面的質(zhì)量，采用手工調(diào)整比較好。
（4）畫(huà)邊。有時(shí)因?yàn)槟撤N原因不能褪藍(lán)，譬如會(huì)影響到物體的顏色，或褪藍(lán)不干凈，這時(shí)就要用手工一幀一幀的把物體邊緣上的藍(lán)色用接近物體的顏色修掉。
（5）顏色修正。需要根據(jù)最終效果仔細(xì)調(diào)整每個(gè)鏡頭間的色調(diào)，一定要保持一致。
（6）手畫(huà)遮罩（MATT）。對(duì)于摳像物體跟背景混在一起的畫(huà)面只能一幀一幀的手畫(huà)遮罩（MATT），不僅十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且很難得到高質(zhì)量的遮罩（MATT）。物體邊緣的黑邊、鋸齒、閃動(dòng)等都是常見(jiàn)的問(wèn)題。捷徑是可以用曲線勾畫(huà)出摳像物體邊緣，做幾個(gè)關(guān)鍵幀，其余畫(huà)面由電腦完成，再慢慢調(diào)整，使每一幀的物體邊緣和曲線吻合，這樣還有一個(gè)好處，可以減少邊緣的抖動(dòng)。
數(shù)字化視頻處理，也帶來(lái)了鍵控技術(shù)的飛速發(fā)展。了解它的變遷和發(fā)展，可以使我們正確的選擇、使用新的設(shè)備和技術(shù)，本文力求在這方面能夠?qū)ψx者有所裨益。
【鍵控技術(shù)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)與發(fā)展】相關(guān)文章：
鍵控技術(shù)的發(fā)展及其在電視領(lǐng)域的新應(yīng)用08-06
開(kāi)發(fā)垃圾發(fā)電技術(shù) 實(shí)現(xiàn)熱電持續(xù)發(fā)展08-06
開(kāi)發(fā)垃圾發(fā)電技術(shù) 實(shí)現(xiàn)熱電持續(xù)發(fā)展08-06
MPEG-4視頻數(shù)字水印技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)08-06
網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展與數(shù)字圖書(shū)館建設(shè)08-05
實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器的三種技術(shù)方案08-06
數(shù)字頻率合成器的FPGA實(shí)現(xiàn)08-06