色度键

色度键合成（Chroma key compositing）或色度键控（Chroma keying）是一种视觉效果/后期制作技术，用于根据色调（色度范围）合成（分层）两个图像或视频流。 该技术在许多领域已经被大量使用，以从照片或视频主题中删除背景 – 特别是新闻广播，电影和视频游戏行业。 前景画面中的颜色范围变为透明，允许将分开拍摄的背景素材或静态图像插入到场景中。 色度键控技术通常用于视频制作和后期制作。 这种技术也被称为彩色键控，颜色分离叠加（CSO;主要由BBC），或者通过各种特定颜色相关变体（如绿色屏幕和蓝色屏幕）的各种术语 – 色度键控可以用背景任何颜色均匀而独特，但绿色和蓝色背景更常用，因为它们与大多数人类肤色的色调最明显不同。 拍摄或拍摄的拍摄对象的任何部分都不得复制用作背景的颜色。

它通常用于天气预报广播，其中新闻发布者通常在实况电视新闻广播中站在大型CGI地图的前面，尽管实际上它是大的蓝色或绿色背景。 使用蓝色屏幕时，不同的天气图会添加到图像中颜色为蓝色的部分。 如果新闻主持人穿着蓝色的衣服，他或她的衣服也将被替换为背景视频。 色度键控在娱乐行业也常见于电影和视频游戏中的视觉效果。

历史
前人
在引入旅行遮罩和光学印刷之前，使用双重曝光将元素引入场景中，这些元素在初始曝光中不存在。 这是通过使用黑色悬垂装置完成的，今天将使用绿色屏幕。 乔治艾伯特史密斯在1898年首次使用这种方法。1903年，Edwin S. Porter所着的“火车大劫案”使用双重曝光为背景场景添加了背景场景，在拍摄时使用黑色的窗户，使用垃圾遮罩仅暴露窗户区域。

为了让一个曝光中的数字实际上移动到另一个曝光的替代背景前面，需要一个移动遮罩，以遮挡每个帧中背景的正确部分。 1918年，弗兰克威廉姆斯获得专利的旅行哑光技术，再次基于使用黑色背景。 这被用在许多电影中，比如“看不见的人”

在20世纪20年代，沃尔特迪斯尼在他的爱丽丝喜剧中使用了白色背景将人物角色和背景的演员包括在内。：5

蓝屏幕
蓝屏方法是在20世纪30年代在RKO Radio Pictures开发的。 在RKO，Linwood Dunn使用了早期版本的旅行遮罩来创建“抹布” – 其中有像电影中的挡风玻璃刮水器那样的过渡，如Flying Down 里约热内卢 （1933）。 信用拉里巴特勒，一个精灵从瓶子逃脱的场景是第一次使用适当的蓝色屏幕过程，为巴格达的窃贼（1940年），为当年获得奥斯卡最佳特效奖的旅行哑光。 1950年，华纳兄弟公司的员工和前柯达研究员亚瑟·威德默开始研究紫外线旅行磨砂工艺。 他还开始开发蓝屏技术：首批使用的电影之一是1958年由斯宾塞特雷西主演的欧内斯特海明威中篇小说“老人与海”的改编。

Petro Vlahos于1964年因其对这些技术的改进而获得奥斯卡奖。他的技术利用了这样一个事实，即真实世界场景中的大多数物体都具有蓝色分量的强度与其绿色分量相似的颜色。 ZbigniewRybczyński也为蓝屏技术做出了贡献。 一台带有两台投影仪的光学打印机，一台电影摄影机和一台“分光器”，用于将蓝色屏幕前的演员和背景镜头一起组合一次。 在二十世纪七十年代初，美国和英国的电视网络开始使用绿色背景而不是蓝色作为新闻广播。 在20世纪80年代，小型机被用来控制光学打印机。 对于电影“帝国反击战”，理查德·埃德伦创造了一个’四光学打印机’，大大加快了这一过程并节省了资金。 他因创新而获得特别奥斯卡奖。

几十年来，旅行遮罩拍摄必须“锁定”，以使被遮盖的拍摄对象和背景都不会改变其相机视角。 后来，计算机定时的运动控制摄像机缓解了这个问题，因为前景和背景都可以用相同的摄像机拍摄。

电视上的气象学家经常在屏幕侧面使用现场监视器来查看他们将手放在背景图像上的位置。 一种较新的技术是将微弱的图像投射到屏幕上。

一些电影大量使用色度键来添加完全使用计算机生成图像（CGI）构建的背景。 来自不同拍摄的表演可以合成在一起，这可以让演员分开拍摄，然后放置在同一个场景中。 色度键允许演员出现在任何位置而无需离开演播室。 计算机的开发也使得将运动合并到合成镜头中变得更加容易，即使在使用手持相机时也如此 参考点可以放置在彩色背景上（通常用彩绘网格，X用胶带标记，或等距网球附着在墙上）。 在后期制作中，计算机可以使用这些参考来计算相机的位置，从而完美地呈现与前景的视角和移动相匹配的图像。 软件和计算能力的现代进步已经消除了准确放置标记的需要 – 软件计算出它们在太空中的位置（这样做的缺点是它需要大的相机移动，可能鼓励现代电影技术，其中相机总是处于运动）。

处理

主要拍摄对象是由单一颜色或相对较窄范围的颜色（通常为蓝色或绿色）组成的背景拍摄或拍摄的，因为这些颜色被认为是离肤色最远的颜色。 与预选颜色匹配的视频部分被替代背景视频替换。 这个过程通常被称为“键控”，“键控”或简称为“键”。

处理绿色背景
与其他颜色相比，绿色作为电视和电子摄影的背景更多，因为电视天气预报员倾向于穿着蓝色西装。 当色度键控技术首次应用于电视制作时，当时电影业中常见的蓝屏被习惯性地使用，直到其他实际考虑因素导致电视行业从蓝屏转为绿屏。 广播质量的彩色电视摄像机使用独立的红色，绿色和蓝色图像传感器，而早期的模拟电视色度键控器需要RGB分量视频才能可靠工作。 从技术角度来看，使用蓝色或绿色通道同样可行，但由于蓝色服装是一个持续的挑战，因此绿色屏幕普遍使用。 新闻工作者有时会忘记色度键着装码，当钥匙应用于与背景相同颜色的服装时，该人似乎会消失在钥匙中。 由于绿色服装不如蓝色，所以很快就会发现，使用绿色遮罩屏幕比使用不断监控广播人才的服装选择更容易。 而且，因为人眼对位于可见光谱中间的绿色波长更敏感，所以绿色模拟视频信道通常承载更多的信号强度，与其他分量视频信道相比，提供更好的信噪比，所以绿屏键可以产生最清洁的键。 在数字电视和电影时代，制作高质量密钥所需的大部分调整都是自动化的。 然而，仍然存在的一个常数是一定程度的颜色协调，以防止前景主体被锁定。

处理蓝色背景
在电子色度键控之前，在（化学）膜上进行合成。 将相机彩色底片打印到高对比度黑白胶片上，使用滤镜或黑白胶片的彩色感光度将其限制在蓝色通道。 假设这部电影是负面的，它产生了清晰的蓝色遮罩屏幕，其他地方是黑色的，除了它也为任何白色物体产生清晰（因为它们也包含蓝色）。 去除这些斑点可以通过适当的双重曝光和彩色正面处理以及许多其他技术来完成。 最终的结果是一个清晰的背景，中间有一个不透明的主体形状。 这被称为女性哑光，类似于数字键控中的alpha遮罩。 将这部电影复制到另一个高对比度的负片上产生了相反的“男性哑光”。 然后将背景负片与女性哑光一起包装并暴露在最后一片胶片上，然后将相机底片与男性哑光双面打印在该相同胶片上。 这两幅图像结合在一起产生了最终效果。

主要因素
关键的最重要的因素是前景（主体）和背景（屏幕）的分色 – 如果主体主要是绿色（例如植物），则将使用蓝色屏幕，尽管相机对于绿灯。

在模拟彩色电视中，色彩由色度副载波相对于参考振荡器的相位来表示。 色度键通过将视频的相位与对应于预选颜色的相位进行比较来实现。 视频的同相部分被备用背景视频替换。

在数字彩色电视中，颜色由三个数字（红色，绿色，蓝色强度等级）表示。 色度键是通过简单的数字比较视频和预选颜色来实现的。 如果屏幕上特定点的颜色匹配（正好或在一个范围内），那么该点处的视频将被替代背景替换。

灯光
为了制造幻想，在预期的背景场景中拍摄角色和物体，两个场景中的灯光必须合理匹配。 对于户外场景，阴天会产生漫射均匀的彩色光线，在工作室中可以更容易地匹配，而直射阳光需要根据一天中的时间在两个方向和整体颜色上进行匹配。

由于其光散射，在绿色屏幕前拍摄的工作室镜头自然会使环境光具有与屏幕相同的颜色。 这种效果被称为spill.:p20这可能看起来不自然，或者导致部分角色消失，因此必须进行补偿或通过使用远离演员的更大屏幕来避免。

相机
用于在彩色屏幕前记录场景的景深应与背景相匹配。 这可能意味着录制比正常景深更大的演员。

服装

色度键主体必须避免穿着与色度键颜色相似的衣服（除非有意识，例如，穿着绿色的顶部使其看起来主体没有身体），因为服装可能被替换为背景图片/视频。 故意使用这个的一个例子是，当一个演员在他的身体的一部分上覆盖一层蓝色覆盖物以使其在最终镜头中不可见时。 这种技术可以用来达到类似于哈利波特电影中使用的效果来创造隐形斗篷的效果。 该演员还可以拍摄色度关键背景，并将其插入带有变形效果的背景拍摄中，以创建可以轻微侦测的斗篷。

当一个效果镜头中的服装必须是蓝色时，蓝屏才会出现困难，例如超人的传统蓝色装备。 在2002年的电影“蜘蛛侠”中，在蜘蛛侠和绿色妖怪都在空中的场景中，蜘蛛侠必须在绿色屏幕前拍摄，绿色妖精必须在蓝色屏幕。 颜色差异是因为蜘蛛侠穿着红色和蓝色的服装，而绿色妖精穿着完全绿色的服装。 如果两者都是在同一屏幕前拍摄的，则一个角色的部分将从该拍摄中消失。

为了从背景中清晰地划分前景，重要的是前景拍摄中的衣服和头发具有相当简单的轮廓，因为诸如卷曲的头发的细节可能无法正确解析。 同样，服装的部分透明元素也会导致问题。

背景颜色

蓝色最初用于电视色度键控特效，因为人类皮肤色调包含非常少的蓝色，并且因为电影行业出于类似目的使用蓝色背景。 与乳液的红色和绿色层相比，蓝色被粘到具有相当颗粒和细节的薄膜的蓝色乳剂层上。 然而，在电视和数字电影制作中，由于一些实际考虑，绿色已成为受欢迎的颜色，并且因为模拟和数字电视分配中使用的有损压缩算法在绿色通道中保留了更多细节。 颜色的选择取决于艺术家和具体镜头的需求。 尽管电影业将蓝屏引入电视业，但随着电子影像技术的发展和电影中化学胶片库的使用，电影业已引入了绿色屏幕视觉效果。 此外，绿色背景比蓝色更适合户外拍摄，蓝天可能出现在画面中，并可能在拍摄过程中意外更换。 尽管绿色和蓝色是最常见的部分原因，因为红色，绿色和蓝色成分用于编码可见光谱，所以可以使用任何关键色彩。 由于红色素在人类正常皮肤色素中的普遍存在，因此可以避免红色，但通常可用于不涉及人的物体和场景。

所谓的“黄色屏幕”是用白色背景完成的。 普通舞台灯光与明亮的黄色钠灯组合使用。 钠光几乎全部落在窄频带中，然后可以使用棱镜将其与另一个光分开，并投射到相机内的单独但同步的胶片载体上。 这第二部电影是高对比度的黑色和白色，并被加工生产亚光。：16

偶尔使用洋红色背景，如在某些软件应用中品红色或紫红色有时被称为“魔术粉红色”。

一种更新的技术是在背景中使用反光幕，并在镜头周围使用一圈明亮的LED。 这不需要灯光照亮背景以外的LED，与大型舞台灯光不同，它使用极少量的功率和空间，而且不需要安装。 20世纪90年代发明的实用蓝光LED的发明使这一进步成为可能，这种蓝光LED也适用于翠绿色LED。

还有一种使用人眼无法看到的光谱的颜色键控。 称为Thermo-Key，它使用红外作为关键颜色，在后期处理过程中不会被背景图像取代。

对于“星际旅行：下一代”，由CIS好莱坞的Don Lee提出并由Gary Hutzel和Image G的工作人员开发的一种紫外光消光工艺。这涉及荧光橙色背景，因此更容易生成遮光罩，因此让效果团队在其他方法所需时间的四分之一时间内产生效果。

原则上，任何类型的静止背景都可以用作色度键，而不是纯色。 首先背景被捕获而没有演员或其他前景元素; 然后记录场景。 背景图像用于取消实际画面中的背景; 例如在数字图像中，每个像素将具有不同的色度键。 这有时被称为差异遮罩。 但是，如果物体碰巧与背景相似，或者由于相机噪声或背景相对于参考镜头轻微改变而保持不变，这可以使对象容易被意外删除。 具有重复图案的背景减轻了许多这些问题，并且可能比纯色背景对衣柜颜色不太敏感。

公差
即使照明

在设置蓝屏或绿屏时，他面临的最大挑战就是照明和避免阴影，因为最好是尽可能缩小颜色范围以取代。 阴影会将自身呈现为相机的较暗颜色，并且可能无法注册替换。 有时可以在低预算或实况广播中看到错误无法手动修复的情况。 使用的材料会影响其均匀点亮的质量和易用性。 有光泽的材料远不如那些没有光泽的材料成功。 有光泽的表面会有反射光线的区域，使其看起来很苍白，而其他区域可能会变暗。 哑光表面会扩散反射光线，并具有更均匀的色彩范围。 为了获得最清晰的按键来拍摄绿幕，需要在拍摄对象和绿幕之间创建一个数值差异。 为了区分主体和屏幕，可以使用两个停止区别，或者通过使屏幕比主体更高两个停止，反之亦然。

有时可以使用阴影来创建视觉效果。 带有阴影的蓝屏或绿屏区域可以用所需背景视频图像的较暗版本替换，使其看起来像人物正在投射阴影。 色度键颜色的任何泄漏都会使结果看起来不自然。 所用镜头焦距的差异会影响色度键的成功。

曝光

蓝屏或绿屏的另一个挑战是适当的相机曝光。 曝光不足或过度曝光彩色背景可能会导致较差的饱和度。 在摄像机的情况下，曝光不足的图像也可能含有大量的噪音。 背景必须足够亮才能让相机创建明亮饱和的图像。

程序设计
有几种不同的质量和速度优化技术用于实现软件中的颜色键控。

在大多数版本中，函数f（r，g，b） → α 应用于图像中的每个像素。 α （α）的含义类似于α合成技术中的含义。 α≤0 表示像素完全处于绿色屏幕中， α≥1 表示像素完全处于前景对象中，并且中间值表示像素被前景对象部分覆盖（或者它是透明的）。 需要进一步的函数g（r，g，b） → （r，g，b）来消除前景物体上的绿色溢出。

绿色屏幕非常简单的f（）函数是A（r + b） – Bg其中A和B是用户可调整的常量，默认值为1.0。 一个非常简单的g（）是（r，min（g，b），b）。 这与模拟和基于电影的屏幕拉伸功能非常接近。

这些函数的现代示例最好由三维rgb空间中的两个闭合嵌套曲面来描述，通常非常复杂。 内表面的颜色被认为是绿色屏幕。 外表面上的颜色是不透明的前景。 表面之间的颜色部分覆盖，它们越靠近外表面越不透明。 有时会使用更多的封闭表面来确定如何去除绿色溢出。 f（）不仅取决于当前像素的颜色，还可能使用（x，y）位置，邻近像素的值，参考图像的值或统计颜色模型场景和来自用户绘制的蒙版的值。 这些在三维以上的空间中产生封闭的表面。

另一类算法试图找出将前景与背景分开的2D路径。 该路径可以是输出，或者可以通过填充α= 1的路径作为最后一步来绘制图像。 这种算法的一个例子是使用活动轮廓。 近年来的大多数研究已经涉及这些算法。