键控技术的数字实现与发展

键控技术的数字实现与发展

键控技术的数字实现与发展

我们知道传统视频领域中的键控技术的本质就是应用视频开关控制图象的 "抠"和"填"。"抠"就是利用前景物体轮廓作为遮挡控制电平将背景画面的颜色沿该轮廓线抠掉，使背景变成黑色。"填"就是将所要叠加的视频信号填到被抠掉的无图象区域，而最终生成前景物体与叠加背景合成的图象，如图1所示。在这个处理过程中，依赖于前景物体所产生的遮挡轮廓信号，作为外键信号输入，背景图象中输出像素的键值为0%，而前景物体输出像素的键值为100%。这种传统处理方式存在的缺陷是对于前景物体的软边，比如头发丝，会产生兰色镶边，就是我们通常说的"兰溢出"（blue spill）。

在早期的视频领域要想很好的解决"兰溢出"的发生，很好的保留前景图象的细节，或者是针对半透明前景物体作键处理，是一件很难做到的事情。但是在数字视频领域里，由于引入多种数字色键处理方式，使得我们基本上走出了此类困惑。本文将介绍几种数字色键的处理方法，并且与传统方法进行一些比较，希望能使读者可以对数字键控技术有更多的认识。

1传统键控原理

由于人体肤色的原因，传统的键控处理中背景画面的颜色一般选择

高饱和度的兰色和绿色，所需的门控开关信号称为键控信号或键信号，键信号由作为键源的视频信号通过键处理器产生。一个键开关信号在有键信号（键值为100%）的时候背景图像通不过，让前景图像通过，没有键信号（键值为0%）的时候让背景图像通过，而前景图像通不过，根据不同的前景图象视频所获得的，并因此控制视频切换开关的键信号的频率，大约在几十Hz--几MHz。如此一个模拟色键处理的结果即是我们通常所说的"扣像"。

图2 为传统键控处理原理示意图。

传统键信号波形是前后沿很陡的矩形脉冲信号，在合成输出图像时
前景物体与背景画面的分界处有锯齿、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，但是在传统色键处理时，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，因此传统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，效果十分生硬与缺乏真实感的，我们称之为硬色键。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数字视频领域的键控技术

数字色键主要使用数字格式的视频做键处理，而不是建立一个新的技术概念。首先分别介绍数字键控处理中涉及的相关概念及技术。

2．1相关概念

（1）深度键（depth-key）

深度键不是键技术，它根本是解决主持人与三维虚拟场景的前后遮挡关系，以确定键或非键。

深度键的概念是由三维实时虚拟演播室技术引入的，与传统的键控技术不同，目前市场出现的三维实时虚拟演播室产品中，合成图象的真实性主要表现在可以产生一个纵深方向的信息（即Z轴方向的参数值，称为Z值），它不象二维处理时所用的层技术，是一种基于三维画面的混合技术，称为深度键（depth-key）。

虚拟演播室的出现，对传统色键技术提出了更高的要求，为了使同一节目中的主持人、实物道具和虚拟背景之间可以相互动态遮挡，实现主持人在虚拟或实际物体后方或前方行走，要求色键具有纵深方向的信息，即虚拟摄象机到每个像素的距离。使用传统的色键技术，将主持人从兰色幕布中提取出来的同时产生一个前景遮挡信号即键信号，然后通过深度键发生器求出色键的深度值。深度键发生器有两种：一种是将物体分成有限数目的分层级；另一种是将像素分成等级的像素级。在分层级深度键中，物体被分别归类到数目有限的几个深度层中，因此演员在虚拟场景中的位置无法连续变化。而在像素级深度键中，构成虚拟场景中的每一个像素都有相应的Z轴深度值。因此演员在虚拟场景中的位置可以连续变化。

目前，获得深度键的方法大致有两种：一种靠近似判断的方法得出。它是用近似的方法判断出前景主持人和摄象机的相对距离，并且用这个值作为整个前景的深度值。如果主持人移动，那么这个值也将改变。

通过对合成画面上每个像素Z值的计算和实际内容的需要用手控方式决定前景主持人和虚拟背景的相对关系，这种方法实现起来比较容易，缺陷是逼真度差，而且对主持人的要求较高。另一种获得Z值的方法是采用"自动主持人跟踪系统"。它主要是由一个固定在主持人身上的红外发射器和一套安装在演播室墙上的红外接收装置完成。它可以准确定位出主持人的三维位置，自动识别主持人和虚拟背景的相对位置关系。

(2)数字色键

数字色键与模拟色键的最大不同在于它可以在数字领域的1千6百万种颜色中任选一种，这1千6百万种颜色得自计算机的32位机器字长，其中有8位专门用于表示每一种颜色的256种明暗（灰度）变化（即下文提到的ALPHA键），另外的24位可以表示224种（约为1千6百万种）颜色。当然这是由计算机的处理能力得出的，并不代表自然界真实存在的颜色，有很大一部分为非法色。模拟色键在做扣像时，可以不分级的连续选择无数色作为键出色，通常选择高饱和度的兰或绿色。高质量的数字色键针对画面的三个分量（Y，B-Y，R-Y）的每一路进行处理，并分别产生一个线性键。这种将一个色键分为三个键来处理的方法，可以允许保留更多的图象细节。

由于色键处理是针对背景画面的某一种颜色分量进行键出覆盖，因此键源信号的质量高低决定了键信号的质量。为了对色度信号做尽可能细的区分，带宽的保证是必不可少的。众所周知，模拟或数字分量的NTSC或PAL制全电视信号的带宽为6MHz，而在ITU-601数字分量演播室标准内，采用对Y，（R-Y），（B-Y）3个信号分量分别编码的方式，取样频率为13.5 MHz，取样结构为4：2：2，假如以10bit 作为量化比特数，其编码后的总码率R=10*（13.5 6.75 6.75）=270M

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