第4章要点

第4章要点Alpha通道用来保留图像中透明或不透明的位置信息，Alpha通道本身并不显示，只是用来指明图像透明的区域和透明程度。利用带有Alpha通道的素材图像进行合成时，直接将素材图像按照一定的层次叠放在一起，上面图像中不需要的部分会自动透明，显示下面图像的内容。像素是构成图像的基本元素，它是位图的最小单位。在数字图像中，每个像素以R、G、B三个色彩通道存储，其中R、G、B分别占用8比特，这样的图像叫做24位图像。数字图像可以带有像素的色彩信息，也可以携带该像素的透明信息，决定图像每个像素透明度的通道就被称为Alpha通道。透明度控制信息的存储需要额外的8位来表示，因此叫做32位图像。Alpha通道实际上是一层256级的灰度图，用灰度信息定义了图像中的透明区域与不透明区域，用不同的灰度值来表示透明度的大小。Alpha通道的值在0～255之间．纯白（Alpha值为255）为不透明，只显示前景；纯黑（Alpha值为0）为完全透明，露出背景；介于白黑之间的灰色表示部分透明，前景和背景按比例融合。在合成技术中，还有Mask（遮罩）、Matte（挡板，也可译为遮罩）等概念和形式，其原理和作用与Alpha通道一样。Mask是一个路径或轮廓，开放的路径不具备遮罩功能,不能产生透明区域：封闭的路径才叫做遮罩，在为对象定义遮罩后,将建立―个透明区域，实际上就是添加在层当中的Alpha通道信息。Matte来源于传统特效的绘画接景，用Matte（挡板）把画面中要修改的部分抠出来，利用相机的二次曝光把需要的绘景叠上去，相当于遮罩的效果，因此称绘画接景为MattePainting.实际拍摄的图像并没有Alpha通道，这就需要利用技术手段从画面中提取Alpha通道，选定所拍摄画面中的某一部分，将它从画面清除掉，使之成为透明区域，也就是形成Alpha透明通道，这个过程就是抠像，英文叫做“Key”。传统的光学合成方式采用的是多重曝光、蒙板遮挡等手段，其缺点是合成的影像层数越多，画面质量也就会变得越差。随着电视技术的发展，键控技术得到了广泛的应用，“键控”一词来源于电视制作，意思是吸取画面中的某一种颜色作透明色，将它从画面中抠去，从而使背景透出来形成两层画面的叠加合成。在早期的电视制作中，键控技术需要昂贵的硬件支持，对拍摄背景要求也很严，通常是在高饱和度的蓝色或绿色背景下拍摄，同时对光线的要求也很严格。Alph通道又可以分为直接通道(StraightAlpha)和预乘通道(PremultipliedAlpha)。直接通道将透明度信息保存在独立的Alpha通道中，也被称为不带遮罩的Alpha通道（unmattedAlpha）。采用非预乘通道图像合成时，每次要将Alpha与每个RGB通道相乘，才能实现正确的透明效果。预乘通道在保存Alpha通道中的透明信息的同时，RGB通道已经预先乘进自己的Alpha通道信息，也被称为带有背景色遮罩的Alpha通道（mattedAlpha），所以使用预乘通道合成的效能就更高。预乘通道有广泛的兼容性，大多数软件都能够产生这种Alpha通道，一般三维渲染出来的图像都是预乘的。抠像技术还广泛应用在特技切换台、虚拟布景、虚拟演播室等系统中，一些非线性编辑系统的特技板卡也能支持某些简单的实时抠像功能。色度抠像（ColorKeying）是指以图像中所包含的特定颜色来定义透明区域。为了利用色度抠像，通常需要在单一颜色的背景前拍摄前景对象，而且前景对象不包含背景的颜色，然后利用色度抠像使背景色透明，用其他的背景画面替换单色背景。选择背景要考虑两点：第一，背景的颜色不能和主体混淆，否则会使边缘难以判断，造成抠像的困难；第二，背景的颜色与光源的色调最好相近，根据照明环境选择背景，因此，理论说可以用任何颜色做背景，实际上最常用的是蓝背景和绿背景两种．因为人身体的自然颜色中不包含这两种色彩，用这两种颜色做背景不会和人物混在一起；而且这两种颜色也是RGB系统中的原色，比较方便处理。色度抠像允许用户指定抠像的色彩范围，范围之内的图像像素相对应的Alpha通道值设为0（表示完全透明），范围之外的像素相对应的像素相对应的Alpha通道设为1（表示完全不透明）。这种没有中间过渡的抠像方式，使抠像图像边缘显得很生硬、不自然，而且在活动的画面上很容易发生边缘闪动现象。为了克服这些现象，可以设定一定的过渡颜色范围，在这个范围之内的像素，其Alpha通道值设为0～1之间的小数（即半透明程度），在透明和不透明区域的边缘产生适当的半透明过渡，对抠像产生的边缘进行适当的羽化，合成时把虚边往里面蚀入一些，可以避免边缘经常出现的闪动和锯齿，使图像合成得更自然。在影视合成制作中，色度抠像是最常用的通道提取方法。亮度抠像(LuminanceKeying)是指以图像中所包含的特定亮度来定义透明区域。亮度抠像利用图像中亮度成分形成抠像信号，要求图像有较高的亮度反差，即前景的图像部分要亮，其余部分要暗（黑），从而形成成明显的黑白反差。亮度抠像可以用于非常明亮或自身发光的物体，常用于拍摄爆炸火焰、烟雾、雪花等场面。拍摄时把它们放在黑暗的背景前拍摄，灯光只打亮被摄物体，就可以拍到背景全黑、前景明亮的画面利用亮度抠像使黑暗的背景透明，用其他的背景图像替换黑背景。差分抠像(DifferenceKeying)是一种利用两个画面的差异来提取通道的方式。实际拍摄时，用固定的摄像机先拍摄下张场景作为背景图像，然后保持机位不变，把前景物体和背景起拍摄下来。将两个画面相比较，理想状态下背景部分是完全相同的，而前景出现的部分是不同的，这些不同的部分就是需要的Alpha通道。差分抠像比较典型的应用是静态背景，同时固定摄像机、镜头和曝光。Rotoscoping是指为实拍的运动影像逐帧创建Matte的过程，可以译为动态遮罩或动态抠像。Rotoscoping由美国人马克斯·弗莱舍发明，原来是动画制作技术，原始的方法是将录制好影片的图像投影在一个表面比较粗糙的玻璃面板上，由动画师将实拍影片的运动逐帧地跟踪描绘出来，这个用来投影的机器就叫做Rotoscope。PrimateKeyer的抠像处理采用独有的PolyhedralSlicing技术．把待处理图像的每个像素点用RGB三维空间坐标系来表示。Ultimatte公司是权威的影像合成设备商，特别是在蓝（绿）背景抠像合成领域处于领先地位。Keylight由视觉特效软件公司TheFoundry开发，支持AfterEffects、Shake、AvidDS、inferno/flame/flint和smoke系统。Keylight容易使用，能够很好地处理头发、反射和半透明区域，生成完美的遮罩。Zbig是德国CFB中心推出的一个标准的抠像插件，可用于大多数主流合成系统。Zbig擅长抠取有蓝色溢出的物体，可以良好地还原主体色彩，并无损于背景结合，人物皮肤的微妙光泽表现特别出色。Zbig是一个基于分层抠像思路的工具，提供了非常详细的抠像模块和参数。Mokey是imagineersystem的一款智能的抠像插件，Mokey是Motion-key的缩写，可见对于运动图像进行抠像是其长处。它采用了与传统的色度和差异键控工具不同的计算方式，采用运动跟踪算法，可以通过跟踪运动对象在场景中的方向和角度，将前景元素从图像画面中分离出来。抠像是一个很复杂的技术流程，需要合理安排抠像流程中的每一个环节，包括抠像素材的获取，素材的预处理，然后根据要实现的效果有针对性地选择抠像方式，耐心调整抠像参数，才能提高工作效率，得到精细的抠像结果。抠像素材的质量对抠像结果起决定作用，高质量的图像素材，保证了图像中的细节，哪怕用最普通的抠像工具也能得到好的抠像效果。为了获取理想的抠像效果，素材的质量至关重要。胶片拍摄效果虽好，但成本太高，因此，目前较好的办法是用高摄像机拍摄。在进行蓝屏或绿屏拍摄时，最基本的要求是前景物体上不能包含所选用的背景颜色。把握的原则是画面里物体的颜色与背景的色相差别越明显越好。背景布置方面，应布光均匀减少反射，尽可能避免背景或光照深浅不一，前景人物要注意光比、地面的阴影等。背景的纯度会影响合成的质量水平，有时会产生脏点、光线不均匀的现象，抠像时前景的物体边边缘会变硬，阴影会变淡或是消失。背景的反光会使前景物体的边缘染上蓝色，整体色调也偏蓝，虽然合成软件有专门的功能来对付这种情况，但拍摄时还是应该尽量避免。在拍摄现场，可以用带有抠像功能的视频切换台进行实时预演：不仅能检验抠像素材的拍摄质量，也能提前审看最终的合成效果是否理想，以便及时进行调整。抠像素材的预处理包括视频场的控制、清除颗粒、背景修正等。视频场的控制是针对电视摄像机拍摄的素材而言的。对于隔行扫描视频的每帧画面，均包含两个场，其中的运动元素在水平方向上根据其运动速度有不同程度的错场现象，抠像时处理的―帧画面所包含的两场信息如果有明显的错场现象将会直接影响抠像的效果，场的控制包括分离场和场序调整，分离场可通过复制场信息，使一幅包含两场信息的画面变成两幅含有不同场信息的画面，这样，抠像时就可避免画面里有锯齿边缘，抠像完成后再用相反的流程恢复画面Alpha通道的场信息，恢复时，改变两幅图像的顺序，可调整场序，尤其是素材制式与输出制式不统一的情况下必须要进行场序调整，保证画面流畅不抖动。清除颗粒（降噪）是抠像过程中的必要手段。无论胶片摄影机还是高清摄像机，都会在成像过程中产生不同特征的颗粒，而颗粒（噪波）会使素材中的蓝背景色度、亮度不均，进而影响提取Alpha通道的精度。现在的抠像工具基本上都已内置这种功能，专业的降噪工具则多用在控制最终合成画面的颗粒匹配上。背景修正专门用来对付打光不均匀、色彩不统一、有杂质的背景，在很多蓝幕拼接的摄影棚里，背景的蓝色过渡并不均匀，就需要使用背景修正工具将整个背景调成均匀的色彩。通过在蓝幕背景上吸取一个中间色调，可使本来不均匀且包含很多杂质的背景被吸取的蓝色填平，而且色彩均匀，提高了素材质量，降低了抠像复杂程度。Alpha通道的提取抠像工具种类繁多，界面、操作、功能各不相同，其算法分别支持不同的颜色空间。从素材特征来说，胶片扫描得到的画面颜色鲜艳，色彩信息含量高，可选择支持RGB颜色空间的工具。而对于视频图像，应尽量用支持YUV分量格式色空间的抠像工具，以保证抠像算法的精确。对Alpha通道的优化处理也是数字图像合成技术的发展重点之一。当蓝屏前拍摄的图像了不该出现的物体时，应先用遮罩指定抠像的范围，用手工方式把背景上某些杂物挡去，通过遮罩和抠像的共同作用得到所需的结果，通常称这种遮罩为“垃圾遮罩”（Garbagemask）,当抠像的前景物体上包含有背景色时，会和其他包含背景色的部分一起被抠除，可以先复制建立一个完全一样的层，用遮罩限定要保留的部分，再和抠像层合成，就可以保留前景物体上的背景色部分。还可对Alpha通道边缘使用适量像素的收缩、侵蚀或模糊运算，使合成边缘更加精确柔和。此外，对于前期拍摄过程中因蓝色背景反光残留在主体身上的偏色痕迹，大多数抠像工具用整体偏色和溢出控制（Spill-Suppress）的方法来消除。