视频切换台原理与实现方法

视频切换台的切换方式可分为：快切和特技切换。快切，又称为硬切换，这种切换方式是从多路输入信号中交替选择一路输出。特技切换是从多路输入视频信号中输出以某种特定方式混合或互相取代的组合信号，又可分为混合、划像、键控三种方式，特技切换方式在后期制作中经常应用。

1.快切

快切（cut或take）是指从某一路电视信号源瞬间切换到另一路电视信号源的过程，在电视屏幕上表现为一个画面迅速转换到另一个画面。它是电视节目制作中使用最多的切换方式，它是通过视频开关实现的。视频开关可看成是接在视频信号输入和输出通道中并受直流电压控制的四端网络，如图4-3所示。

图4-3　视频开关示意图

为实现快切功能，一般采用多路互锁电子开关的形式。

视频开关是一种直流控制的电子开关，但又有别于普通的电子开关。

为保证快切的播出质量，避免画面跳动、撕裂或出现切换杂波干扰，必须使切换在场消隐期间进行，也即是使视频交叉点在场消隐期间发生状态转换。因此，控制视频开关的控制电压包含两种信号：一种是操作面板上送来的按键信号（产生一个直流电压），另一种是场控脉冲（使视频交叉点在场消隐期间发生状态转换的一种控制脉冲），只有这两个信号同时作用在视频开关上，视频开关才会出现状态转换。

数字切换台中，可采用比特串行和比特并行两种方式实现快切。

2.混合

混合（Mix）也称为慢切换，是将两路信号在幅度上进行分配组合，是以慢变的方式使电视屏幕上的一个画面渐显，另一个画面则渐隐，可同时出现两个画面。转换的速率可人为控制，也可以自动控制，如果停留在慢变过程之中的某一状态，则可得到叠画的艺术效果。

慢切换可分为X切换和V切换，这两种方式还可以与快切方式结合，实现切出（前一图像突然消失）化入、化出切入（后一图像突然跳入），如图4-4所示。

图4-4　X切换和V切换

X切换（又名化入化出），即在慢转换的过程中，一路视频信号幅度由最大逐渐变小直至为零，与此同时，另一路视频信号幅度则由零逐渐增至最大，在屏幕上表现为某一内容的画面由最强逐渐变弱而消失，同时另一内容的画面逐渐呈现，直至增强到取代前一画面。

V切换（又名淡入淡出），即在慢切换过程中，一路视频信号幅度先由最大逐渐变小直至为零，然后另一路视频信号才由零逐渐增至最大，在屏幕上表现为某一内容的画面由最强变淡直至消失，另一内容的画面才开始出现并逐渐增强。

（1）实现X切换的方法

实现X切换，可用两个可控增益放大器和一个相加器构成，这种电路组合，通常称为混合放大器。其方框图如图4-5所示。

图4-5　混合放大器原理框图

在数字切换台中，不存在复合同步和色同步的幅度问题，因此实现数字信号的X切换就容易多了，它实现X切换的表达式与模拟切换台相同。

（2）V切换的实现方法

在进行电视信号B取代电视信号A的V切换时，利用黑场信号使V切换转换成两次X切换。即先进行黑场信号取代电视信号A的第一次X切换，然后再进行电视信号B取代黑场信号的第二次X切换，如图4-6所示。用这种方法，便可以在V切换时合成信号中的复合同步和色同步的幅度不变。

图4-6　V切换的实现方法

3.划像

划像（Wipe）又称为扫换、电子拉幕或分画面特技，它是使一个画面先以一定的形状、大小出现于另一个画面的某一部分，接着按此形状使其面积不断扩大，最后完全取代另一画面。

也可以这样说，划像就是整个屏幕被A、B两个画面所分割，分割的形状由特技波形发生器提供的波形来决定，而且两个分画面的相对面积可通过拉杆电位器控制，如图4-7所示。

图4-7　几种常见的划像方式

（1）实现划像特技的基本原理

为实现划像特技，可以将视频信号A和B分别通过两个门控放大器后再相加。这两个门控放大器所加的门控电压又称拉幕电压，它们的波形相同、极性相反，频率是行频或场频的整数倍，如图4-8所示。

图4-8　划像特技原理方框图

在门控脉冲电压（图4-8中门控电压的频率为行频）的控制下，当A画面通过期间（脉冲为正），B画面信号被切断；反之，当B画面通过期间（脉冲为负），A画面信号被切断。然后，这两路信号进行混合相加，就得到左边为A信号、右边为B信号的混合画面。如果改变门控脉冲的宽度，就可以改变A、B画面的面积比例，实现划像特技。如果门控脉冲的频率为场频时，就能形成垂直方向上的划像画面。

实现划像特技需要两部分电路：一个是门控放大器，另一个是门控电压发生器（又叫特技效果发生器）。门控放大器与混合放大器合二为一，称为混合/效果放大器。

（2）门控电压发生器（又叫特技效果发生器）

在划像特技中，门控电压是产生各种划像特技的关键，不同的门控电压可以产生不同的划像特技效果。在视频切换台中进行划像特技的图案种类很多，有的已多达几百种。为实现这么多种类的划像特技，所需要的门控电压也是多种多样的。然而，各种门控电压都是将行、场基本波（锯齿波、抛物波、三角波）进行不同的组合，经处理后去触发门控脉冲形成电路而获得的，如图4-9所示。

图4-9　划像特技典型图案

图中所示的1-6这六种特技图案，在行（水平）或场（垂直）的方向上其门控脉冲宽度可以单独改变，使两个画面的大小比例相应变化。

1-6的特技图案其门控脉冲电压是由行门控脉冲和场门控脉冲组合形成的，称为相加型。而7-10的特技图案，在行（水平）和场（垂直）方向上门控脉冲宽度不能单独改变，是同时变化的，门控脉冲的产生是先把行基本波叠加到场基本波上，然后由门控电压产生电路形成门控脉冲电压，故又称为调制型。

门控电压形成电路一般可分为基本波形产生电路、特技波形处理电路和门控脉冲电压产生电路几部分，如图4-10所示。

图4-10　门控电压形成电路

①基本波形产生电路

基本波形产生电路主要产生行、场基本波，即锯齿波、三角波和抛物波等，在具有镶嵌划像的切换台中，基本波还包括数倍于行频或场频的锯齿波、三角波和抛物波，如图4-11所示。

图4-11　基本波形形成电路

②特技波形处理电路

特技波形处理电路将基本波及其谐波进行有效处理及组合后可以得到种类繁多的划像特技效果。各种切换台的划像种类不同，因此特技波形处理电路也有差异，但一般都应包括特技波形组合电路、方向控制电路、划像图形边界调制电路及镶嵌划像电路等。

特技波形组合电路用于将行、场基本波进行组合，组合的方式有前面所讲的相加型和调制型两种，通过这些组合可以产生各种不同的图案。

特技划像方向通常分为“正向”、“反向”和“正/反”三种。特技划像的推拉杆自下向上推与从上向下拉，其画面出现的划像方向相反。对水平方向的划像特技来说，分画面B从左向右在主画面A上划变称为“正向”划像，若分画面B是从右向左划出称为“反向”划像。当一次从右向左划出，再一次又从左向右划出，这种交替划变称为“正/反”方向划像。这些方向的控制就是由方向控制电路来完成的。

在特技划像中，通常还有分画面B在主画面A上以不同位置为圆心旋转的划像方式，如图4-12所示，它们旋转方向的控制也由方向控制电路来完成。

图4-12　旋转划像方式

在划像特技的分画面边界上有的可以产生波浪等效果，这是由划像图形边界调制电路来实现的。它是将一个幅度可调、频率可变的正弦波去调制分画面特技信号的幅度和频率而得到的效果，如图4-13所示。

图4-13　调制划像特技

镶嵌划像是指把被插入的画面分成几部分，按照一定的顺序用将要插入的画面逐步代替被插入画面中而得到的划像特技，实现这种特技的电路就叫镶嵌划像电路。

镶嵌划像通常是利用微处理器来实现的，先将这些程序编成号码存储在微处理器附属的存储器内，操作时根据需要调出相应的划像程序，就可以按照预先设置的顺序来实现划像，如图4-14所示。

图4-14　镶嵌划像特技

图4-14中，将画面分成16等分，然后按照不同的顺序用插入画面逐步代替被插入画面。

③门控脉冲形成电路

门控脉冲形成电路用于将基本波变换成只有0、1两种电平的门控脉冲电压。门控脉冲电路的形式很多，一种门控脉冲电压产生简化电路如图4-15所示。

图4-15　门控脉冲电压产生简化电路

图中，当Q1的基极加入锯齿波电压时，Q1、Q2的集电极将得到两个幅度相等、极性相反的矩形脉冲。当移动特技拉杆电位器时，E给出一可变直流电压，那么电流开关电路中Q1、Q2从导通到截止的转换时间将随之改变，从Q1、Q2集电极上得到的矩形脉冲的宽度也就随之改变。

4.键控特技

键控（Key）又叫抠像，是在一幅图像中沿一定的轮廓线抠去它的一部分而填入另一幅图像的特技手段。在电视画面上插入字幕、符号，或以某种较复杂的图形、轮廓线来分割屏幕时，需要采用键控特技。

键控特技实质上也是一种分割图像的特技，只是分割屏幕的分界线多为不规则形状，例如文字、符号、复杂的图形或某种自然景物等。“抠”与“填”是键控技术实质所在。

正常情况下，被抠的图像是背景图像，填入的图像为前景图像，用来抠去背景图像的电信号称为键信号，形成这一键信号的信号源称为键源，如图4-16所示。(www.xing528.com)

图4-16　键控特技

根据键信号产生的方式不同，键控可以分为亮度键和色度键两种。

（1）亮度键

亮度键又称为黑白键，它利用键源视频信号中的亮度分量来产生键信号。按照键源视频信号的来源不同，亮度键又分为内键和外键两种方式，亮度键原理框图如图4-17所示。

图4-17　亮度键原理框图

内键也叫自键，它是以参与键控特技的其中一路信号作为键信号来分割画面的特技，也就是说键源与前景或背景图像是同一个图像。如果B路视频信号作为键源，则亮度键处理电路根据其亮度差别形成键信号，当键信号未到时，A路信号导通，B路信号截止，当键信号到来时，A路信号截止，B路信号导通，结果是图像B抠掉了图像A的一部分，并填入了图像B的内容，如图4-18所示。

图4-18　内键工作原理示意图

内键要求键源图像每点的亮度必须比较均匀而且亮度对比度大，一般用于文字、符号或图形的叠加。这是因为文字、符号是由基本上等亮度的笔画组成的，符合内键的要求。

外键相对于内键而言，外键的键信号由第三路键源图像来提供，而不是参与键控特技的前景或背景图像。从亮度键原理图可见，C路视频信号作为键源，则亮度键处理电路根据其亮度差别形成键信号，控制A、B两路信号的通断。其结果是按图像C的轮廓抠掉图像A的一部分，并填入图像B的对应的图像内容，如图4-19所示。

图4-19　外键工作原理示意图

C路视频信号一般由黑白摄像机拍摄得到，其亮度信号的对比度容易得到很大，可以获得很好的键控效果。与内键比，外键的键控效果更好，如叠加字幕时利用黑白字幕做成键，填入彩底信号嵌进图像中就形成了叠加彩色字幕的效果；而在内键方式下，必须用彩色字幕作为键源来实现，彩色字幕的亮度电平反差不如黑白字幕的大，因此，内键效果有时不如外键效果好。

（2）色度键

色度键一般简称色键，它是直接利用键源三基色信号或利用键源视频信号中的色度分量产生键信号的键控方式。

①基本原理

实现色键特技的关键是色键门控电压形成电路。它应是一个色调选择器，能从图像信号中选出具有一定饱和度的某一色调的信号，并相应地形成门控电压，如图4-20所示。

图4-20　色键原理框图

信号源1是前景信号，一般是在高饱和度的单色幕布前拍摄出来的人或物，幕布的颜色应和人的肤色有较大的区别，演员服装的颜色也应和背景色不同或饱和度低一些。信号源2是背景信号，它可以是摄像机拍摄的某外景信号，也可以是录像机或电视电影机提供的外景信号。上述两路信号源输出的彩色全电视信号同时分别输入对应的门控放大器。

门控放大器受色键电压控制，而色键电压由前景信号中的色度信号在色键门控电压形成电路中形成。当信号源1输出单一色调的背景信号时，信号源2后面的门控放大器导通；当信号源1输出演员对应的信号时，信号源1后面的门控放大器导通。这样，最后输出的信号便是演员置身于信号源2的背景之中的合成画面。利用这种特技，可以将许多外景预先拍摄记录下来，需要时用作背景信号，演员在演播室中的表演就能如同身临其境一样在多种外景中进行。

②色键门控电压形成

一种模拟色键门控电压形成电路方框图如图4-21所示。

图4-21　色键原理框图

由前景信号源送来的R、G、B信号经矩阵电路得到R-Y、B-Y信号，这两个信号再分别送入两个乘法器中。送入乘法器的还有两个互成90°的控制电压E1和E2，其中E1=E0sinθ，E2=E0cosθ，经相乘相加处理后就得到E=KE0（R-Y）sinθ+KE0（B-Y）cosθ，K为乘法器的增益。E经过非线性放大后送入比较器。

数字切换台中，键信号（亮度键和色度键）是通过键地址查找表来获得的。

由DSP计算需要进行键控处理的信息，再将计算所得的控制数据与地址数据保存在RAM中，RAM输出这些数据送入键地址查找表中，与同时送入键地址查找表的键源信号进行比较，形成键信号。

③线性键

以上所述亮度键或色度键有一个共同的弱点：键信号的上升沿和下降沿较为陡直，波形呈矩形形状。对于视频信号，在任何瞬间，这个键不是全部插入就是全部切断前景信号。这虽然解决了图像之间镶嵌合成的问题，但图像镶嵌的边缘会出现明显的分界线，这种硬化边缘在很多情况下尤其是用色键作彩色图像合成时，给人以生硬的不自然的感觉，观众可以由此看出是自然景物还是键控效果，因此以上色键又叫硬色键。此外，前景在灯光照射下会有影子，如果阴影也能合成在背景上将会增加真实感，但硬色键做不到。为了解决这些问题，新一代视频切换台引入了线性键技术。线性键技术通过调节键信号在上升和下降时的斜率使背景视频信号和插入的视频信号出现一个宽窄可调的混合区域，从而不同程度地软化背景图像与前景图像结合的边缘，提高键控特技的效果。

线性键的生成原理如图4-22所示。

图4-22　线性键信号生成原理

线性键的信号波形为梯形，它有两个变化量：一是切割控制信号电平决定了转换区域中心的电平值，限幅电路决定了在键信号斜坡的哪一点进行背景与前景混合，具体来说，限幅电路决定了键信号的高电平、低电平，可以调整键窗口的大小，但一般这个电平值没有具体的大小，只有以切割控制电平为中心的电平范围，因此可以将这两个信号看成一个；二是改变键信号增益能够改变键信号上升、下降的斜率，控制背景与前景混合区的宽度，并改变键窗口的大小。图4-22中，当键信号为低增益时，键信号上升、下降的坡度较缓，斜坡区使背景信号与前景信号出现如X切换一样的混合区，背景图像与前景图像结合的边缘得到软化，产生出更为自然的景象。在图像边缘镶嵌要求不高的场合，提高键信号的增益，其上升、下降的坡度较陡，背景图像与前景图像结合的边缘得到硬化。

采用了线性键技术的色键又叫作软色键。

（3）其他键控特技

数字技术为人们提高了更广阔的开发空间，电视技术人员利用数字技术在传统的键控技术基础上又研制出阴影键和深度键等键控方式。

阴影键就是一种能给前景图像任意添加阴影效果的键控技术。

阴影键一般用于内键或色键中，一种比较简单的方法就是在前景图像及键源进行处理后，产生出键信号及经过键控处理的前景信号，接着用彩底或其他信号填充未被前景图像占据的屏幕区域。然后调整由前景图像生成的键信号，一般是对键信号的位置做适当的调整后再与原键信号相加。这样，抠出的前景图像上除了图像本身还有背景彩底，调节背景彩底的亮度、色度，就可得到各种不同的阴影效果，如图4-23所示。

图4-23　阴影键效果

深度键的键控图像效果是使前景图像可以以不同“深度”出现在背景图像上，如图4-24所示。

图4-24中，前景信号为一支镜头，背景信号为一个大圆环，箭头有一部分穿过了大圆环，在穿过圆环的某处时箭头有一部分不见了，离开此处又出现了。

图4-24　深度键效果

实现深度键需要两个键信号，一个由前景信号产生，另一个由背景信号中某些区域的信号产生。这两个键信号在遮挡母线的控制下以一定方式组合起来，组合方式需要根据前景图像在背景图像中的运动而随时改变，因此需要一个实时的、复杂的处理电路。

（4）下游键

下游键（DSK）处于视频切换台的最后一级，主要是利用键控技术进行图形和字幕的叠加，一般不是对输入的两路视频信号进行特技处理。

下游键本身也是一个混合/效果放大器，只是控制门控放大器的门控电压不与特技波形发生器相连接，因此不具备划像功能。它主要的作用有以下几点：

①利用混合特技换幕，在输出图像信号中淡入黑场（或彩场）信号；

②利用快切或混合特技在节目图像和预监图像之间作快切或混合过渡；

③利用键控特技作图形或字幕的叠加，如叠加台标、时钟、标题或解说词等。

5.其他

一个完整的视频切换台除了具有上述的特技电路外，还包括复杂的系统控制和同步发生器等。

（1）系统控制

系统控制用于对视频切换台的各部分功能电路进行控制操作。主要包括：

①控制视频切换台的主机和控制面板之间的通讯。

②具有记忆（存储）单元的切换台其系统控制单元又具有接受记忆（存储）单元的指令和实行程序化自动操作的功能。

③为了遥控编辑方便，许多视频切换台都有与编辑机的接口，因此系统控制单元还能接受外部编辑机送来的遥控指令，实施遥控操作。

（2）同步信号发生器

同步信号发生器在视频切换台中主要完成以下几种功能：

①为黑场发生器、彩底发生器等提供基准信号。其中黑场和彩底信号可作为字幕、边框着色或换幕等使用。

②受演播中心的同步机控制并与之同步锁相。

③在没有演播中心同步机的系统中，通过黑场发生器产生的黑场信号，为信号源的同步机、时基校正器等提供基准并与它们同步锁相。

（3）彩底信号发生器

彩底信号发生器用于划像特技时的边框着色、在下游键中进行换幕。另外，在利用外键特技将彩色字幕或图形嵌入背景时彩底信号发生器可提供彩色背景。

彩底信号发生器产生的彩色信号其色调、饱和度均可任意调整。

（4）提示（TALLY）电路

提示（TALLY）电路是为节目制作、播出系统的完善性而设立的辅助电路，与视频切换台本身的特性无关。

视频切换台有多路信号源，当操作人员按下输入矩阵的按键，选择出输入信号时，该电路与之联动，产生提示信号，一方面点亮信号源监视器下的提示灯，提示操作人员参与制作的为哪几幅图像，另一方面通过提示系统点亮摄像机的提示灯，提示摄像师该路信号被选用，操作须细致。