鍵控

鍵控（Key）是兩個視頻信號輸入源的畫面，在切換過程中的一種基本切換方式。

鍵控是利用一個視頻信號中不同部位參量（例如亮度和色度）的不同，經過處理形成高/低雙值鍵控信號，去控制電子開關，使待合成的兩路視頻信號交替輸出，形成一個畫面的一部分被摳掉而填進另一畫面的效果，俗稱“摳像”。

“鍵控”一詞是從電視製作中得來的，英文稱作“Key”，意思是吸取畫面中的某一種顏色作為透明色，畫面中所包含的這種透明色將被清除，從而使位於該畫面之下的背景畫面顯現出來，這樣就形成了兩層畫面的疊加合成。通過這樣的方式，單獨拍攝的角色經摳像後可以與各種景物疊加在一起，由此形成豐富而神奇的藝術效果。

在早期的電視製作中，鍵控技術需要用昂貴的硬體來支持，而且對拍攝背景要求很嚴，通常是在高飽和度的藍色或綠色背景下拍攝，同時對光線的要求也很嚴格。目前，各種非線性編輯軟體與合成軟體都能做鍵控特技，並且對背景的顏色要求也不十分嚴格，如Premiere Pro和After Effects等。

基本介紹

• 中文名：鍵控
• 外文名：Key
• 屬於：兩個視頻信號輸入源的畫面
• 類別：一種基本切換方式

基本原理

在20世紀60年代拍攝的電影《超人》中，超人在天空中自由飛行的一幕讓當時的觀眾嘆為觀止。那時的超人是在攝影棚中實景拍攝的，攝製組將事先拍攝的外景畫面投射到一塊由特殊材質製作的螢幕上作為超人飛行的背景，超人則是被鋼絲吊著飛行的，通過全組成員的相互配合共同努力，成功實現了超人飛行的奇觀。如今，這樣的場景一律都採用鍵控技術來實現。相比較來說，鍵控技術的成本低，效果好，攝製安全。

“鍵”（KEY）就是我們通常所說的摳像，表現為一種分割螢幕的特技，在電視節目的製作中套用很普遍。它的本質就是“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填到被摳掉的無圖像區域，而最終生成前景物體與疊加背景相合成的圖像。

鍵控特技的原理與畫面掃換特技相似，鍵控特技也是用參與切換的兩路視頻信號在螢幕上分割畫面。兩者的區別在於，鍵控特技的分割形式可以是任意形狀，可產生比畫面掃換特技複雜得多的畫面分割，所創造的藝術效果也更加豐富多彩。一般情況下，被摳的圖像是背景圖像，填入的圖像為前景圖像。用來摳去圖像的電信號稱為鍵信號，形成這一信號的信號源為鍵源。

鍵控特技具有視頻切換開關的性質，在有鍵信號的時候讓前景圖像通過，背景圖像不能通過，沒有鍵信號的時候則讓背景圖像通過，而前景圖像不能通過。視頻切換開關輸出合成圖像的背景和前景也就是被摳圖像和填充圖像。

分類

按鍵源的性質分

（1） 內鍵。內鍵是以參與鍵控特技其中的一路信號作為鍵信號來分割畫面的，也就是說鍵源與前景圖像是同一個圖像。內鍵也稱自鍵，一般用於文字、圖形的疊加。內鍵的鍵源信號通常是在黑底上的白色字元或圖形，它的電平只有高低兩種，且對應白色部分的電平高。

（2）外鍵。外鍵是相對於內鍵而言的，其鍵信號由第三路鍵源圖像提供，而不是參與鍵控特技的前景或背景圖像。外鍵的鍵源信號通常也是黑底上的白色字元或圖形，填充信號通常為單一色調的彩色信號，因此外鍵特技通常用於彩色字幕或圖形的插入。

按鍵源圖像成分分

（1）亮度鍵。亮度鍵利用鍵源圖像中亮度成分來形成鍵信號，它要求鍵源圖像要有較高的亮度反差，即鍵源中作前景的圖像部分要亮，其餘部分要暗（黑），要形成明顯的黑白反差。亮度鍵又稱黑白鍵。

（2）色度鍵。色度鍵是利用前景圖像的色度成分與其後的彩色背景幕布的色調差別來形成鍵信號，用鍵信號去摳背景圖像，再填入前景圖像。色度鍵要求鍵源圖像信號有較高的色度反差，也就是要求鍵源信號的前景和背景的色調儘量分開，最好是補色關係，以保證兩者之間的色調差別。

按鍵信號波形分

（1）硬色鍵。在硬色鍵中，鍵信號為高電平時視頻開關接通，前景圖像全透過其後的背景圖像，鍵信號為低電平時視頻開關切斷，前景圖像全不透過其後的背景圖像。由於鍵信號波形是前後沿很陡的矩形脈衝信號，用硬色鍵合成的圖像其前景和背景的分界處有抖動和突變現象，還存在分界處彩色閃爍和有幕布色鑲邊等現象，所以硬色鍵特技常常令人感到不真實。

（2）軟色鍵。軟色鍵的鍵信號波形是與前景圖像透明度相關的斜坡形（梯形）信號，鍵信號在上升和下降期間有一定的斜率，很大程度上克服了硬色鍵的缺點。 目前，在軟色鍵的基礎上又發展出了線性鍵控特技。線性鍵對半透明物體的摳像十分有用。線性鍵的數學模型可用下式表示：

Vout=Vfront*K+Vback*（1-K）

其中Vout為前景信號和背景信號合成後的輸出信號，Vfront為前景信號，Vback背景信號，K為鍵信號。從該數學模型可知，當K=1時，Vout=Vfront，此時線性鍵的合成輸出就是前景信號，這種情況稱為完全疊加；當K=0時，Vout=Vback，此時線性鍵的合成輸出就是背景信號，這種情況稱為完全不疊加；當0 < K < 1時，線性鍵的合成輸出為前景信號Vfront和背景信號Vback按照K值所決定的比例進行合成而形成的圖像，合成圖像看上去是半透明的效果，透明度的大小取決於鍵信號K的值。

一種無線鍵控系統的設計與實現

在嵌入式系統的設計中，經常需要通過無線方式給受控系統傳遞命令和參數。近年來，無線通信技術發展迅速，多種無線通信手段都能滿足這種需求，比如WIFI、Bluetooth, ZigBee等短距離無線通信技術。特別是近年物聯網技術的迅猛發展，出現了ESP8266, CC2540, CC2530等電路模組，不管是向雲端傳輸感測數據，還是通過無線方式向系統傳遞信息和參數都非常容易實現。但上述提及的技術手段需要傳送方和接收方必須具備相應的通信模組，增加了系統方案的成本。本文設計的系統服務於數位訊號處理課程教學，讓學生能生動形象地學習DFT變換和Goertzel算法。出於教學和成本的考慮，不需要上述複雜的通信手段實現鍵控系統。由於移動通信技術的蓬勃發展，手機的普及率非常高，手機成為與鑰匙、錢包類似的東西，是每個人必備的物品。雙音多頻信號(DTMF)是電話系統中電話機與交換機之問的一種用戶信令，每部手機都具備DTMF信號的產生功能，同時麥克風接口是實驗室很多開發板和電子設備的標配。本文提出了一種利用手機的DTMF信號，通過音頻傳遞的方式，實現了一種無線鍵盤控制的方案。經過MATLAB仿真和DSP實驗驗證，該方案是可行和有效的，幾乎不需要額外成本。通過該系統的設計與教學演示，使得學生增加了學習數位訊號處理理論的樂趣，對信號的頻譜分析有了史深刻的理解。

系統原理

本文提出的系統主要實現了無線鍵盤控制功能，由手機和鍵盤受控系統構成。

手機利用撥號鍵盤產生DTMF音頻信號，驅動揚聲器發聲。揚聲器發出的聲音信號傳遞到受控系統的麥克風，由麥克風采集聲音信號，經AD採樣後送到微處理器進行分析。微處理器運行相應的算法判斷手機撥號界面的什麼按鍵按下，根據按鍵的預設功能判斷出傳遞的參數和命令，繼而驅動外設控制機構，實現系統的控制功能。

DTMF信號的產生

DTMF（Dual Tone Multi Frequency）信號是音頻電話的撥號信號，DTMF在數字通信及其它方面有廣泛的套用，成為現代通信系統的一個標準。 DTMF信號是用7個單音頻信號任意兩個進行組合來表示0到9,*和#共12個撥號音。

實現表1的音頻組合信號的方法很多，常見的有三種：1)利用數學公式計算正弦函式的值；(2)利用二階數字正弦波振盪器產生正弦波；(3)採用直接頻率合成DDS技術，通過查表法獲取正弦波的值。本教學演示系統重點在於DTMF信號的檢測，直接利用任何手機本身就具有的DTMF信號來完成信號的產生。用音頻線很容易從手機耳機插孔中獲取想要的DTMF信號。為了方便驗證系統方案的可行性，不失一般性，本文採用了安卓APP套用軟體DTMF Tone Ad來完成DTMF信號的產生，在此對軟體作者表示感謝。該軟體安裝完成後，按下需要的鍵就可以產生對應的DTMF信號並通過揚聲器傳輸出去。