浅谈数字色键

浅谈数字色键

冯　娟

目前国内一部分电视台，特别是地、市级电视台仍在沿用“抠像”这种传统的合成图像技术，使用过“抠像”的工作人员一定深有体会，使用这种方法进行图像合成时，图像中人物的外部轮廓（如头发丝）往往会出现蓝色的镶边，也就是我们通常所说的“蓝溢出”。要探究“蓝溢出”产生的原因，我们首先要了解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像的“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像区域，而最终生成前景物体与叠加背景合成的图像。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，背景图像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便是对于前景物体的软边，由于“蓝溢出”的存在，使得“抠像”这种传统的键控方法存在着如无法很好地保留前景图像的细节，或无法针对半透明前景物体作键处理等缺陷。随着多种数字色键处理方式的引入，上述在传统视频领域中存在的难题，有望在数字视频领域中得到解决。下面我将在与传统方法进行比较的基础上介绍几种数字色键的处理方法，希望能使读者可以对数字键控技术有更多的认识。

一、传统的键控技术的工作原理

传统键控技术（抠像）的工作原理如下图所示：

在上图中，摄像机1摄取演员，演员通常用深饱和度的蓝色或绿色幕布作背景。摄像机2摄取外景（也可用录像机提供背景）。上述两路信号输出全电视信号送到混合门控放大器，同时将摄像机1产生的R、G、B信号送到色键门控电压形成器，用三基色信号中的色度信号分量形成键信号，对混合门控进行控制。当摄像机1传送单一色调的背景幕布时，输出的键信号使摄像机2信号输出，当摄像机1传送演员所对应的信号时，键控信号使摄像机1信号输出（送出演员图像），这样在合成的图像中，就得到演员置身所需的背景当中了。虽然上述传统的抠像技术在一定程度上提高了电视节目的艺术效果，但由于这种图像合成技术的键信号的波形是前后沿很陡的矩形脉冲信号，因此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，故称此色键技术为硬色键。硬色键技术存在着如下缺点，如当拍摄玻璃杯，纱巾等透明或半透明的物体作为合成图像中的前景图像时，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。此外，分界处彩色闪烁和有幕布色镶边等也是用硬色键技术合成图像时经常出现的现象。

二、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。首先通过对数字键控处理中涉及的几个重要概念的介绍使您对这项新技术有一个大体的了解。

1.深度键

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，即虚拟摄像机到每个像素的距离。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，合成图像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），它不像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。深度键不是键技术，它的本质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。首先使用传统的色键技术，将主持人从蓝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。

2.数字色键

模拟色键在做抠像时，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蓝或绿色。而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像细节。

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13.5MHz，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∗（13.56.756.75）= 270Mbit/s。通常，信道带宽至少是数码率的0.5至1倍，数字化后的信号带宽就达到了（67.5—135）MHz（只有Y时）或（135—270）MHz。即使经过数据压缩之后，其带宽仍远远高于模拟或数字分量信号。因此，ITU-601数字分量演播室标准就为色度提供了更大可用的带宽。使得数字色键处理的图像质量可以比模拟色键好得多。

3.柔化键（Soft-key）

在数字键控技术领域，提到柔化键，一般包括两层含义。一种是针对传统开关切换的硬色键而言的软色键，其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，能够在很大程度上克服硬色键非0即1的缺点，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。还有一层含义是指在一些数字色键处理过程中，为了得到精细逼真的画面效果，而将处理模块细化，比如Primatte色键处理软件，在处理蓝屏前的物体与背景叠加时，将处理过程细分为背景彩色分量处理、柔化键彩色分量处理（针对前景物体的透明或半透明部分进行）、蓝色溢出彩色分量处理与前景彩色分量处理。四个过程分别进行，然后再合成。此时的柔化键，已经是特指对前景物体的透明度所进行的软件运算了。

4.线性键

线性键是在柔化键中软色键技术的基础上发展而来的，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。线性键并不是做完全的相加混合，线性键在处理前景信号细节边缘或蓝色阴影时，是在整个背景范围内抵消相应的色度，在混合输出时前景的边缘信号被减弱了，保留下的亮度级也被减弱了，这样在加混输出时，就出现了背景图像透过半透明的前景物体（如玻璃杯、纱巾等）依稀可见的效果，从而保持了场景的真实性。

通过以上对数字键控技术的简要介绍我们不难看出，数字键控技术相对于传统的抠像，有着明显的优点：如可以再生像透明物体上的倒影那样的清晰效果；可以更好地从前景物体中区分出背景；采用抑制衬底及平抑蓝溢出的特殊算法处理前景的同时，允许在前景上再现蓝色阴影等。综上所述，数字键控技术的普及应用，会使图像的合成手段更加完善，从而使观众欣赏到艺术效果更加真实、自然的电视节目。

〔作者单位：山东德州电视台〕