键控

两个视频信号输入源的画面，在切换过程中的一种基本切换方式

键控（Key）是两个视频信号输入源的画面，在切换过程中的一种基本切换方式。

基本原理

在20世纪60年代拍摄的电影《超人》中，超人在天空中自由飞行的一幕让当时的观众叹为观止。那时的超人是在摄影棚中实景拍摄的，摄制组将事先拍摄的外景画面投射到一块由特殊材质制作的屏幕上作为超人飞行的背景，超人则是被钢丝吊着飞行的，通过全组成员的相互配合共同努力，成功实现了超人飞行的奇观。如今，这样的场景一律都采用键控技术来实现。相比较来说，键控技术的成本低，效果好，摄制安全。

“键”（KEY）就是我们通常所说的抠像，表现为一种分割屏幕的特技，在电视节目的制作中应用很普遍。它的本质就是“抠”和“填”。 “抠”就是利用前景物体轮廓作为遮挡控制电平，将背景画面的颜色沿该轮廓线抠掉，使背景变成黑色；“填”就是将所要叠加的视频信号填到被抠掉的无图像区域，而最终生成前景物体与叠加背景相合成的图像。

键控特技的原理与画面扫换特技相似，键控特技也是用参与切换的两路视频信号在屏幕上分割画面。两者的区别在于，键控特技的分割形式可以是任意形状，可产生比画面扫换特技复杂得多的画面分割，所创造的艺术效果也更加丰富多彩。一般情况下，被抠的图像是背景图像，填入的图像为前景图像。用来抠去图像的电信号称为键信号，形成这一信号的信号源为键源。

键控特技具有视频切换开关的性质，在有键信号的时候让前景图像通过，背景图像不能通过，没有键信号的时候则让背景图像通过，而前景图像不能通过。视频切换开关输出合成图像的背景和前景也就是被抠图像和填充图像。

分类

按键源的性质分

（1）内键。内键是以参与键控特技其中的一路信号作为键信号来分割画面的，也就是说键源与前景图像是同一个图像。内键也称自键，一般用于文字、图形的叠加。内键的键源信号通常是在黑底上的白色字符或图形，它的电平只有高低两种，且对应白色部分的电平高。

（2）外键。外键是相对于内键而言的，其键信号由第三路键源图像提供，而不是参与键控特技的前景或背景图像。外键的键源信号通常也是黑底上的白色字符或图形，填充信号通常为单一色调的彩色信号，因此外键特技通常用于彩色字幕或图形的插入。

按键源图像成分分

（1）亮度键。亮度键利用键源图像中亮度成分来形成键信号，它要求键源图像要有较高的亮度反差，即键源中作前景的图像部分要亮，其余部分要暗（黑），要形成明显的黑白反差。亮度键又称黑白键。

（2）色度键。色度键是利用前景图像的色度成分与其后的彩色背景幕布的色调差别来形成键信号，用键信号去抠背景图像，再填入前景图像。色度键要求键源图像信号有较高的色度反差，也就是要求键源信号的前景和背景的色调尽量分开，最好是补色关系，以保证两者之间的色调差别。

按键信号波形分

（1）硬色键。在硬色键中，键信号为高电平时视频开关接通，前景图像全透过其后的背景图像，键信号为低电平时视频开关切断，前景图像全不透过其后的背景图像。由于键信号波形是前后沿很陡的矩形脉冲信号，用硬色键合成的图像其前景和背景的分界处有抖动和突变现象，还存在分界处彩色闪烁和有幕布色镶边等现象，所以硬色键特技常常令人感到不真实。

（2）软色键。软色键的键信号波形是与前景图像透明度相关的斜坡形（梯形）信号，键信号在上升和下降期间有一定的斜率，很大程度上克服了硬色键的缺点。在软色键的基础上又发展出了线性键控特技。线性键对半透明物体的抠像十分有用。线性键的数学模型可用下式表示：

Vout=Vfront*K+Vback*（1-K）

其中Vout为前景信号和背景信号合成后的输出信号，Vfront为前景信号，Vback背景信号，K为键信号。从该数学模型可知，当K=1时，Vout=Vfront，此时线性键的合成输出就是前景信号，这种情况称为完全叠加；当K=0时，Vout=Vback，此时线性键的合成输出就是背景信号，这种情况称为完全不叠加；当0 < K < 1时，线性键的合成输出为前景信号Vfront和背景信号Vback按照K值所决定的比例进行合成而形成的图像，合成图像看上去是半透明的效果，透明度的大小取决于键信号K的值。

一种无线键控系统的设计与实现

在嵌入式系统的设计中，经常需要通过无线方式给受控系统传递命令和参数。近年来，无线通信技术发展迅速，多种无线通信手段都能满足这种需求，比如WIFI、Bluetooth, ZigBee等短距离无线通信技术。特别是近年物联网技术的迅猛发展，出现了ESP8266, CC2540, CC2530等电路模块，不管是向云端传输传感数据，还是通过无线方式向系统传递信息和参数都非常容易实现。但上述提及的技术手段需要发送方和接收方必须具备相应的通信模块，增加了系统方案的成本。本文设计的系统服务于数字信号处理课程教学，让学生能生动形象地学习DFT变换和Goertzel算法。出于教学和成本的考虑，不需要上述复杂的通信手段实现键控系统。由于移动通信技术的蓬勃发展，手机的普及率非常高，手机成为与钥匙、钱包类似的东西，是每个人必备的物品。双音多频信号(DTMF)是电话系统中电话机与交换机之问的一种用户信令，每部手机都具备DTMF信号的产生功能，同时麦克风接口是实验室很多开发板和电子设备的标配。本文提出了一种利用手机的DTMF信号，通过音频传递的方式，实现了一种无线键盘控制的方案。经过MATLAB仿真和DSP实验验证，该方案是可行和有效的，几乎不需要额外成本。通过该系统的设计与教学演示，使得学生增加了学习数字信号处理理论的乐趣，对信号的频谱分析有了史深刻的理解。

系统原理

本文提出的系统主要实现了无线键盘控制功能，由手机和键盘受控系统构成。

手机利用拨号键盘产生DTMF音频信号，驱动扬声器发声。扬声器发出的声音信号传递到受控系统的麦克风，由麦克风采集声音信号，经AD采样后送到微处理器进行分析。微处理器运行相应的算法判断手机拨号界面的什么按键按下，根据按键的预设功能判断出传递的参数和命令，继而驱动外设控制机构，实现系统的控制功能。

DTMF信号的产生

DTMF（Dual Tone Multi Frequency）信号是音频电话的拨号信号，DTMF在数字通信及其它方面有广泛的应用，成为现代通信系统的一个标准。 DTMF信号是用7个单音频信号任意两个进行组合来表示0到9,*和#共12个拨号音。

实现表1的音频组合信号的方法很多，常见的有三种：1)利用数学公式计算正弦函数的值；(2)利用二阶数字正弦波振荡器产生正弦波；(3)采用直接频率合成DDS技术，通过查表法获取正弦波的值。本教学演示系统重点在于DTMF信号的检测，直接利用任何手机本身就具有的DTMF信号来完成信号的产生。用音频线很容易从手机耳机插孔中获取想要的DTMF信号。为了方便验证系统方案的可行性，不失一般性，本文采用了安卓APP应用软件DTMF Tone Ad来完成DTMF信号的产生，在此对软件作者表示感谢。该软件安装完成后，按下需要的键就可以产生对应的DTMF信号并通过扬声器传输出去。

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