Введение
Техника компоновки, также известная как хромакей, — это метод визуальных эффектов и постпродакшна, позволяющий объединить (наложить) два или более изображения или видеопотока на основе цветовых тонов (хроматического диапазона). Эта техника широко используется для удаления фона из объекта съемки – особенно в новостном вещании, кинопроизводстве и индустрии видеоигр. Определенный цветовой диапазон в исходном видео становится прозрачным, позволяя вставить в сцену отдельно снятые фоновые кадры или статичное изображение. Хромакей обычно применяется в видеопроизводстве и постпродакшне. Этот метод также называют цветовой маскировкой, цветовым разделением (CSO; преимущественно на BBC) или различными терминами для конкретных цветовых вариантов, такими как зеленый экран или синий экран; хромакей можно выполнять с фонами любого однородного и различимого цвета, но чаще всего используются зеленый и синий, поскольку они наиболее заметно отличаются по тону от любого оттенка кожи человека. Ни одна часть объекта съемки не должна повторять цвет фона, иначе она может быть ошибочно идентифицирована как часть фона. Для того чтобы объекты в одной экспозиции могли двигаться перед замененным фоном в другой, требовалась матовая пленка, чтобы скрывать правильную часть фона в каждом кадре. В 1918 году Фрэнк Уильямс запатентовал технику матовой пленки, основанную на использовании черного фона. Она применялась во многих фильмах, например, в «Человеке-невидимке». Название «Chroma Key» было торговой маркой RCA для этого процесса, используемой в телевизионных трансляциях NBC, включающей патенты, выданные Альберту Н. Голдсмиту из RCA. Одним из первых примеров использования в эфире было шоу Джорджа Гобеля на NBC осенью 1957 года. В 1964 году Петро Влахос получил премию «Оскар» за усовершенствование этих техник. Его метод основан на том, что у большинства объектов в реальных сценах синяя цветовая составляющая по интенсивности схожа с зеленой. Збигнев Рыбчинский также внес вклад в технологию синего экрана. Для объединения актера перед синим экраном с фоновыми кадрами использовался оптический принтер с двумя проекторами, кинокамерой и «делителем луча», кадр за кадром. В начале 1970-х годов американские и британские телеканалы начали использовать зеленые фоны вместо синих для новостных выпусков. В 1980-х годах мини-компьютеры использовались для управления оптическим принтером. Для фильма «Империя наносит ответный удар» Ричард Эдлунд создал «четырехканальный оптический принтер», который значительно ускорил процесс и сэкономил средства. Он получил специальную премию Академии за это нововведение. На протяжении десятилетий матовые снимки приходилось делать в неподвижном состоянии, чтобы ни объект, ни фон не меняли перспективу камеры. Позже камеры с компьютерным управлением движением решили эту проблему, поскольку и передний, и задний планы можно было снимать с одинаковыми движениями камеры. Метеорологи на телевидении часто используют контрольный монитор сбоку экрана, чтобы видеть, куда ставят руки на фоне изображения. Более новая техника — проецировать слабое изображение на экран. Некоторые фильмы активно используют хромакей для добавления фонов, полностью созданных с помощью компьютерной графики (CGI). Кадры из разных дублей можно объединить, что позволяет снимать актеров отдельно, а затем помещать их в одну сцену. Хромакей позволяет актерам появляться в любом месте, не покидая студии. Усовершенствования компьютерных технологий упростили добавление движения в скомпонованные кадры, даже при использовании ручных камер. В качестве ориентиров на цветном фоне можно разместить нарисованную сетку, крестики, отмеченные лентой, или равномерно расположенные теннисные мячи, прикрепленные к стене. В постпродакшне компьютер может использовать эти ориентиры для вычисления положения камеры и, следовательно, создания изображения, которое идеально соответствует перспективе и движению переднего плана. Современные достижения в области программного обеспечения и вычислительной мощности устранили необходимость точного размещения ориентиров — программное обеспечение само определяет их положение в пространстве; потенциальным недостатком этого является необходимость движения камеры, что может способствовать современным кинематографическим приемам, при которых камера всегда находится в движении.
Chroma key compositing, or chroma keying, is a visual effects and post production technique for compositing (layering) two or more images or video streams together based on colour hues (chroma range). The technique has been used in many fields to remove a background from the subject of a photo or video – particularly the newscasting, motion picture, and video game industries. A colour range in the foreground footage is made transparent, allowing separately filmed background footage or a static image to be inserted into the scene. The chroma keying technique is commonly used in video production and post production. This technique is also referred to as colour keying, colour separation overlay (CSO; primarily by the BBC), or by various terms for specific colour related variants such as green screen or blue screen; chroma keying can be done with backgrounds of any colour that are uniform and distinct, but green and blue backgrounds are more commonly used because they differ most distinctly in hue from any human skin colour. No part of the subject being filmed or photographed may duplicate the colour used as the backing, or the part may be erroneously identified as part of the backing. In order to have figures in one exposure actually move in front of a substituted background in the other, a travelling matte was needed, to occlude the correct portion of the background in each frame. In 1918 Frank Williams patented a travelling matte technique, again based on using a black background. This was used in many films, such as The Invisible Man. The name "Chroma Key" was RCA's trade name for the process, as used on its NBC television broadcasts, incorporating patents granted to RCA's Albert N. Goldsmith. A very early broadcast use was NBC's George Gobel Show in fall 1957. Petro Vlahos was awarded an Academy Award for his refinement of these techniques in 1964. His technique exploits the fact that most objects in real world scenes have a colour whose blue colour component is similar in intensity to their green colour component. Zbigniew Rybczyński also contributed to bluescreen technology. An optical printer with two projectors, a film camera and a "beam splitter", was used to combine the actor in front of a blue screen together with the background footage, one frame at a time. In the early 1970s, American and British television networks began using green backdrops instead of blue for their newscasts. During the 1980s, minicomputers were used to control the optical printer. For the film The Empire Strikes Back, Richard Edlund created a "quad optical printer" that accelerated the process considerably and saved money. He received a special Academy Award for his innovation. For decades, travelling matte shots had to be done "locked down", so that neither the matted subject nor the background could shift their camera perspective at all. Later, computer timed, motion control cameras alleviated this problem, as both the foreground and background could be filmed with the same camera moves. Meteorologists on television often use a field monitor, to the side of the screen, to see where they are putting their hands against the background images. A newer technique is to project a faint image onto the screen. Some films make heavy use of chroma key to add backgrounds that are constructed entirely using computer generated imagery (CGI). Performances from different takes can be composited together, which allows actors to be filmed separately and then placed together in the same scene. Chroma key allows performers to appear to be in any location without leaving the studio. Advances in computer technology have simplified the incorporation of motion into composited shots, even when using handheld cameras. Reference points such as a painted grid, X's marked with tape, or equally spaced tennis balls attached to the wall, can be placed onto the coloured background to serve as markers. In post production, a computer can use these markers to compute the camera's position and thus render an image that matches the perspective and movement of the foreground perfectly. Modern advances in software and computational power have eliminated the need to accurately place the markers — the software figures out their position in space; a potential disadvantage of this is that it requires camera movement, possibly contributing to modern cinematographic techniques whereby the camera is always in motion.
Процесс
Основной объект снимается или фотографируется на фоне, состоящем из одного цвета или относительно узкого диапазона цветов, обычно синего или зеленого, поскольку эти цвета считаются наиболее контрастными по отношению к тону кожи. Части видео, соответствующие предварительно выбранному цвету, заменяются альтернальным фоновым видео. Этот процесс обычно известен как "хромакей", "вырезание фона" или просто "ключ".
Обработка зеленого фона
Зеленый используется в качестве фона для телевидения и электронной кинематографии чаще, чем любой другой цвет, поскольку телеведущие, представляющие прогноз погоды, обычно носили синие костюмы. Когда технология хромакея впервые стала применяться в телевизионном производстве, синий экран, который был стандартом в киноиндустрии, использовался по привычке, пока другие практические соображения не побудили телевизионную индустрию перейти от синего к зеленому экрану. Цветные телевизионные камеры используют отдельные красные, зеленые и синие сенсоры изображения, а ранние аналоговые хромакейеры для телевидения требовали RGB-компонентного видео для надежной работы. С технологической точки зрения было равнозначно использовать синий или зеленый канал, но поскольку синяя одежда представляла собой постоянную проблему, зеленый экран получил широкое распространение. Ведущие новостей иногда забывают о требованиях к одежде для хромакея, и когда эффект накладывается на одежду того же цвета, что и фон, человек как будто исчезает. Поскольку зеленая одежда встречается реже, чем синяя, вскоре стало ясно, что проще использовать зеленый фон, чем постоянно контролировать выбор одежды телеведущих. Кроме того, поскольку человеческий глаз более чувствителен к зеленым длинам волн, которые находятся в середине видимого спектра, зеленый аналоговый видеоканал обычно передавал более сильный сигнал, обеспечивая лучшее соотношение сигнал/шум по сравнению с другими компонентными видеоканалами, что позволяло получать более чистый эффект хромакея. В эпоху цифрового телевидения и кинематографа большая часть тонкой настройки, необходимой для получения качественного эффекта, была автоматизирована. Однако одним из неизменных факторов остается необходимость определенной цветовой координации, чтобы предотвратить вырезание объектов переднего плана.
Обработка синего фона
До появления электронной хрома-кейной обработки композитинг выполнялся на (химической) пленке. Цветовой негатив, полученный с камеры, отпечатывался на высококонтрастный черно-белый негатив, используя либо фильтр, либо цветовую чувствительность высококонтрастной пленки для экспонирования только синих (и более высоких) частот. Синий свет проходил сквозь цветовой негатив только там, где в кадре не было синего цвета, оставляя пленку прозрачной на месте синего экрана и непрозрачной в остальных областях. Однако, белые объекты также просвечивали (поскольку они тоже содержали синий). Удаление этих участков достигалось подходящей двойной экспозицией с использованием цветового позитива (превращая любые области, содержащие красный или зеленый, в непрозрачные), а также множеством других техник. В результате получалась пленка, прозрачная там, где был синий экран, и непрозрачная везде else. Это называлось "женской маской" (female matte), аналогично альфа-каналу в цифровой обработке. Копирование этой пленки на другой высококонтрастный негатив создавало противоположную "мужскую маску" (male matte). Затем негатив фона совмещался с "женской маской" и экспонировался на финальную пленку, после чего негатив, полученный с камеры, совмещался с "мужской маской" и двойным тиражом наносился на ту же пленку. Комбинация этих двух изображений создавала окончательный эффект.
Основные факторы
Наиболее важным фактором для ключа является цветовое разделение переднего плана (объекта) и фона (экрана) – синий экран будет использоваться, если объект преимущественно зеленый (например, растения), несмотря на то, что камера более чувствительна к зеленому свету. В аналоговом телевидении цвет представлен фазой цветовой поднесущей относительно опорного генератора. Хрома-ключ достигается путем сравнения фазы видеосигнала с фазой, соответствующей предварительно выбранному цвету. В фазово совпадающих участках видеосигнал заменяется альтернативным фоновым изображением. В цифровом цветном телевидении цвет представлен тремя числами (уровнями интенсивности красного, зеленого и синего). Хрома-ключ достигается путем простого численного сравнения видеосигнала и предварительно выбранного цвета. Если цвет в определенной точке экрана соответствует выбранному (либо точно, либо в заданном диапазоне), то видеосигнал в этой точке заменяется альтернативным фоном.
Освещение
Для создания иллюзии присутствия отснятых персонажей и объектов в задуманной фоновой сцене, освещение в обеих сценах должно быть достаточно согласованным. Для съемок на открытом воздухе облачные дни создают рассеянный, равномерно окрашенный свет, который легче воссоздать в студии, в то время как прямой солнечный свет требует соответствия как по направлению, так и по общему цветовому тону, в зависимости от времени суток. Съемка в студии на фоне зеленого экрана естественным образом будет иметь окружающее освещение того же цвета, что и экран, из-за рассеяния света. Этот эффект называется цветовым заливом.
Камера
Глубина резкости, используемая для съемки сцены перед цветным экраном, должна соответствовать глубине резкости заднего плана. Это может потребовать съемки актеров с большей глубиной резкости, чем обычно.
Одежда
Субъект, используемый для цветового ключа, должен избегать ношения одежды, схожей по цвету с цветом цветового ключа (если это не преднамеренно, например, надевание зеленой кофты, чтобы создать впечатление отсутствия тела у субъекта), поскольку одежда может быть заменена фоновым изображением или видео. Примером преднамеренного использования является ситуация, когда актер надевает синий материал на часть тела, чтобы сделать ее невидимой в финальном кадре. Этот прием можно использовать для достижения эффекта, подобного тому, что используется в фильмах о Гарри Поттере для создания эффекта невидимого плаща. Актера также можно снять на фоне хромакея и вставить в фоновый кадр с эффектом искажения, чтобы создать плащ, который едва заметен. Сложности возникают при использовании синего экрана, когда костюм в кадре с эффектами должен быть синим, например, традиционный синий костюм Супермена. В фильме «Человек-паук» 2002 года, в сценах, где в воздухе находятся и Человек-паук, и Зелёный Гоблин, Человека-паука снимали на фоне зеленого экрана, а Зелёного Гоблина – на фоне синего экрана. Это связано с тем, что костюм Человека-паука красный и синий, а костюм Зелёного Гоблина полностью зеленый. Если бы их снимали на одном и том же экране, части одного из персонажей были бы стерты с кадра. Для четкого разделения переднего плана и фона важно, чтобы одежда и волосы на переднем плане имели достаточно простой силуэт, так как мелкие детали, такие как вьющиеся волосы, могут быть недостаточно четкими. Аналогично, частично прозрачные элементы костюма создают проблемы. Новая техника предполагает использование ретрорефлекторного экрана на заднем плане и кольца ярких светодиодов вокруг объектива камеры. Это не требует освещения фона, кроме светодиодов, которые потребляют очень мало энергии и занимают мало места по сравнению с большими сценическими прожекторами, и не требуют монтажа. Этот прогресс стал возможен благодаря изобретению в 1990-х годах практичных синих светодиодов, которые также позволяют использовать изумрудно-зеленые светодиоды. Существует также разновидность цветового ключа, использующая спектр света, невидимый для человеческого глаза. Этот метод, называемый Thermo Key, использует инфракрасный цвет в качестве ключевого, который не будет заменен фоновым изображением при постобработке. Для сериала «Звёздный путь: Следующее поколение» Дональд Ли из CIS Hollywood предложил, а Гари Хатцель и сотрудники Image G разработали процесс маскировки с использованием ультрафиолетового света. Он включал в себя флуоресцентный оранжевый фон, который облегчал создание маски, позволяя команде спецэффектов создавать эффекты в четыре раза быстрее, чем при использовании других методов. В принципе, любой неподвижный фон можно использовать в качестве хромакея вместо однотонного цвета. Сначала фон снимается без актеров или других объектов переднего плана, а затем записывается сцена. Изображение фона используется для удаления фона из фактических кадров; например, в цифровом изображении каждый пиксель будет иметь свой собственный ключ хрома. Это иногда называют разностной маской. Однако это может привести к случайному удалению объектов, похожих на фон, или к сохранению фона из-за шума камеры или небольших изменений по сравнению с опорными кадрами. Фон с повторяющимся рисунком решает многие из этих проблем и может быть менее чувствительным к цвету одежды, чем однотонный фон. В цифровых цветных изображениях иногда используется конкретный цвет фуксии полной интенсивности для кодирования (1-битной) прозрачности; это иногда называют «магическим розовым». Это не фотографическая техника, и извлечение переднего плана из фона тривиально.
Даже освещение
Самая большая сложность при настройке синего или зеленого экрана – это равномерное освещение и избежание теней, поскольку для замены лучше всего подходит максимально узкий цветовой диапазон. Тень будет восприниматься камерой как более темный цвет и может не распознаваться для замены. Это часто можно увидеть в проектах с низким бюджетом или в прямых эфирах, где ошибки нельзя исправить вручную или переснять сцены. Используемый материал влияет на качество и простоту равномерного освещения. Блестящие материалы будут значительно менее эффективны, чем матовые. На блестящей поверхности будут участки, отражающие свет и кажущиеся светлыми, в то время как другие участки могут быть затемнены. Матовая поверхность рассеивает отраженный свет и обеспечивает более равномерный цветовой диапазон. Чтобы получить наиболее качественный ключ при съемке на зеленом экране, необходимо создать разницу в яркости между объектом и экраном. Чтобы отделить объект от экрана, можно использовать разницу в две ступени экспозиции, либо сделав экран на две ступени светлее объекта, либо наоборот. Иногда тень можно использовать для создания визуального эффекта. Участки синего или зеленого экрана, на которые падает тень, можно заменить более темной версией желаемого фонового видеоизображения, создавая иллюзию тени, отбрасываемой человеком. Любое перетекание цвета хромакея сделает результат неестественным. Разница в фокусном расстоянии используемых объективов может повлиять на успех хромакея.
Экспозиция
Еще одна проблема при работе с синим или зеленым экраном — правильная экспозиция камеры. Недоэкспонирование или переэкспонирование цветного фона может привести к плохой насыщенности цветов. В случае с видеокамерами, недоэкспонированные изображения также могут содержать много шума. Фон должен быть достаточно ярким, чтобы камера могла получить яркое и насыщенное изображение.
Программирование
Существует несколько различных методов, оптимизированных по качеству и скорости, для реализации цветовой маскировки в программном обеспечении. В большинстве случаев к каждому пикселю изображения применяется функция (, , ) → . (alpha) имеет значение, аналогичное используемому в методах альфа-композитинга. Значение ≤ 0 означает, что пиксель полностью находится на фоне зеленого экрана, ≥ 1 – что пиксель полностью принадлежит переднему плану, а промежуточные значения указывают на частичное перекрытие пикселя объектом переднего плана (или его прозрачность). Для устранения зеленого оттенка на объектах переднего плана требуется дополнительная функция (, g, b) → (, g, b). Очень простая функция для зеленого экрана – (+b) − , где и – настраиваемые пользователем константы со значением по умолчанию 1.0. Очень простая функция – (r, min(g,b), b). Это сопоставимо с возможностями аналоговой и пленочной цветокоррекции. Современные примеры и значения, полученные из масок, созданных пользователями. Они формируют замкнутые поверхности в пространстве более чем трех измерений. Другой класс алгоритмов стремится определить двумерный контур, разделяющий передний план и фон. Этот контур может быть конечным результатом, либо изображение может быть отрисовано путем заливки контура значением = 1 на последнем этапе. Примером такого алгоритма является использование активных контуров. Большинство современных исследований посвящено именно этим алгоритмам.