Chiave cromatica

Chroma key compositing, o chroma keying, è una tecnica di effetti visivi / post-produzione per compositing (stratificazione) di due immagini o flussi video in base a tonalità di colore (gamma cromatica). La tecnica è stata utilizzata pesantemente in molti campi per rimuovere uno sfondo dal soggetto di una foto o di un video – in particolare le industrie dei newscasting, dei film e dei videogiochi. Una gamma di colori nella metratura in primo piano è resa trasparente, consentendo riprese di sfondo filmate separatamente o un’immagine statica da inserire nella scena. La tecnica di chroma keying è comunemente usata nella produzione video e nella post-produzione. Questa tecnica è anche indicata come color keying, overlay color-separation (CSO, principalmente dalla BBC), o in vari termini per specifiche varianti cromatiche come green screen e blue screen – chroma keying può essere fatto con sfondi di qualsiasi colore che sia uniforme e distinto, ma gli sfondi verdi e blu sono più comunemente usati perché differiscono in modo molto distinto dalla maggior parte dei colori della pelle umana. Nessuna parte del soggetto filmato o fotografato può duplicare il colore usato come supporto.

È comunemente usato per le trasmissioni di previsioni del tempo, in cui un presentatore di notizie è di solito visto in piedi di fronte a una grande mappa CGI durante i programmi televisivi in ​​diretta, anche se in realtà è un grande sfondo blu o verde. Quando si utilizza una schermata blu, vengono aggiunte mappe meteorologiche diverse sulle parti dell’immagine in cui il colore è blu. Se il conduttore delle notizie indossa abiti blu, anche i suoi abiti saranno sostituiti con il video di sfondo. Il chroma keying è anche comune nel settore dell’intrattenimento per gli effetti visivi nei film e nei videogiochi.

Storia
predecessori
Prima dell’introduzione di matrici mobili e stampa ottica, è stata utilizzata la doppia esposizione per introdurre elementi in una scena che non erano presenti nell’esposizione iniziale. Ciò è stato fatto usando un drappeggio nero in cui oggi sarebbe stato utilizzato uno schermo verde. George Albert Smith utilizzò questo approccio per la prima volta nel 1898. Nel 1903, The Great Train Robbery di Edwin S. Porter usò la doppia esposizione per aggiungere scene di sfondo a finestre che erano nere quando venivano girate sul set, usando un mascherino per nascondere solo le aree della finestra.

Affinché le figure in un’esposizione si muovano effettivamente di fronte a uno sfondo sostituito nell’altra, era necessario un mascherino da viaggio, per occludere la porzione corretta dello sfondo in ogni fotogramma. Nel 1918 Frank Williams brevettò una tecnica opaca viaggiante, sempre basata su uno sfondo nero. Questo è stato usato in molti film, come The Invisible Man.:4

Negli anni ’20, Walt Disney utilizzava uno sfondo bianco per includere attori umani con personaggi dei cartoni animati e sfondi nelle sue Alice Comedies.:5

Schermo blu
Il metodo dello schermo blu è stato sviluppato negli anni ’30 da RKO Radio Pictures. Alla RKO, Linwood Dunn usava una versione iniziale del mascherino da viaggio per creare “salviette” – dove c’erano transizioni come un tergicristallo in film come Flying Down to Rio (1933). Accreditato su Larry Butler, una scena con un genio in fuga da una bottiglia è stato il primo utilizzo di un processo bluescreen appropriato per creare un mascherino itinerante per Il ladro di Bagdad (1940), che ha vinto l’Oscar per i migliori effetti speciali di quell’anno. Nel 1950, il dipendente della Warner Brothers e ricercatore ex-Kodak Arthur Widmer iniziò a lavorare su un processo opaco da viaggio ultravioletto. Ha anche iniziato a sviluppare tecniche di blu-verde: uno dei primi film ad usarli è stato l’adattamento del 1958 della novella di Ernest Hemingway, The Old Man and the Sea, con Spencer Tracy.

Petro Vlahos ha ricevuto un Oscar per la sua raffinatezza di queste tecniche nel 1964. La sua tecnica sfrutta il fatto che la maggior parte degli oggetti nelle scene del mondo reale hanno un colore la cui componente di colore blu è simile per intensità alla loro componente di colore verde. Zbigniew Rybczyński ha anche contribuito alla tecnologia bluescreen. Una stampante ottica con due proiettori, una cinepresa e un “beam splitter” è stata utilizzata per combinare l’attore davanti a uno schermo blu insieme al filmato di sfondo, un fotogramma alla volta. All’inizio degli anni ’70, le reti televisive americane e britanniche iniziarono a utilizzare i loro sfondi verdi anziché blu per i loro notiziari. Durante gli anni ’80, i minicomputer erano usati per controllare la stampante ottica. Per il film The Empire Strikes Back, Richard Edlund ha creato una “quad optical printer” che ha accelerato notevolmente il processo e risparmiato denaro. Ha ricevuto uno speciale Oscar per la sua innovazione.

Per decenni, i colpi opachi in viaggio dovevano essere fatti “bloccati”, in modo che né il soggetto arruffato né lo sfondo potessero spostare la prospettiva della fotocamera. In seguito, le videocamere di controllo del movimento al computer hanno alleviato questo problema, in quanto sia il primo piano che lo sfondo potevano essere ripresi con le stesse mosse della telecamera.

I meteorologi in televisione usano spesso un monitor da campo, a lato dello schermo, per vedere dove stanno mettendo le mani contro le immagini di sfondo. Una tecnica più recente è quella di proiettare un’immagine debole sullo schermo.

Alcuni film fanno un uso massiccio del chroma key per aggiungere sfondi costruiti interamente utilizzando immagini generate al computer (CGI). Le performance di diversi take possono essere composte insieme, il che consente agli attori di essere filmati separatamente e quindi messi insieme nella stessa scena. Chroma key consente agli artisti di apparire in qualsiasi posizione senza lasciare lo studio. Lo sviluppo del computer ha anche reso più facile incorporare il movimento in scatti compositi, anche quando si utilizzavano fotocamere portatili. I punti di riferimento possono essere posizionati sullo sfondo colorato (di solito come una griglia dipinta, le X segnate con del nastro o le palle da tennis equidistanti attaccate al muro). In fase di post-produzione, un computer può utilizzare i riferimenti per calcolare la posizione della telecamera e quindi rendere un’immagine che corrisponda perfettamente alla prospettiva e al movimento del primo piano. I moderni progressi nel software e nella potenza computazionale hanno eliminato la necessità di posizionare con precisione i marcatori – il software individua la loro posizione nello spazio (uno svantaggio di questo è che richiede un ampio movimento della fotocamera, forse incoraggiando tecniche cinematografiche moderne in cui la fotocamera è sempre in movimento).

Processi

Il soggetto principale viene filmato o fotografato su uno sfondo costituito da un unico colore o una gamma di colori relativamente ristretta, di solito blu o verde perché questi colori sono considerati i più lontani dal tono della pelle. Le parti del video che corrispondono al colore preselezionato vengono sostituite dal video di sfondo alternativo. Questo processo è comunemente noto come “keying”, “keying out” o semplicemente “chiave”.

Elaborazione di uno sfondo verde
Il verde è usato come sfondo per la televisione e la cinematografia elettronica più di ogni altro colore perché i meteorologi televisivi tendevano a indossare abiti blu. Quando il chroma keying è entrato per la prima volta in produzione televisiva, lo schermo blu che era allora la norma nell’industria cinematografica era usato per abitudine, fino a quando altre considerazioni pratiche hanno indotto l’industria televisiva a passare dagli schermi blu a quelli verdi. Le telecamere TV a colori di qualità broadcast utilizzano sensori di immagine separati di colore rosso, verde e blu, mentre i primi key chroma TV analogici richiedevano che il componente video RGB funzionasse in modo affidabile. Dal punto di vista della tecnologia è stato ugualmente possibile utilizzare il canale blu o verde, ma poiché l’abbigliamento blu era una sfida continua, lo schermo verde è diventato di uso comune. I giornalisti a volte dimenticano il codice di abbigliamento chroma key e quando la chiave viene applicata a vestiti dello stesso colore dello sfondo, la persona sembrerebbe scomparire nella chiave. Dato che l’abbigliamento verde è meno comune del blu, divenne presto evidente che era più facile usare uno schermo opaco verde piuttosto che controllare costantemente le scelte di abbigliamento dei talenti in onda. Inoltre, poiché l’occhio umano è più sensibile alle lunghezze d’onda verdi, che si trovano nel mezzo dello spettro di luce visibile, il canale video analogico verde in genere ha portato più forza del segnale, fornendo un rapporto segnale-rumore migliore rispetto agli altri canali video componente, così i tasti dello schermo verde potrebbero produrre la chiave più pulita. Nell’era della televisione digitale e del cinema, gran parte del tweaking richiesto per realizzare una chiave di buona qualità è stato automatizzato. Tuttavia, l’unica costante che rimane è un certo livello di coordinazione del colore per evitare che i soggetti in primo piano vengano cancellati.

Elaborazione di uno sfondo blu
Prima del chroma keying elettronico, il compositing era fatto su film (chimici). Il negativo del colore della fotocamera è stato stampato su un film in bianco e nero ad alto contrasto, utilizzando un filtro o la sensibilità del colore del film in bianco e nero per limitarlo al canale blu. Supponendo che questo film fosse un negativo, esso ha prodotto chiaramente dove lo schermo blu opaco era, nero altrove, tranne che anche per gli oggetti bianchi (poiché contenevano anche il blu). La rimozione di questi punti potrebbe essere eseguita da una doppia esposizione adeguata con il colore positivo e molte altre tecniche. Il risultato finale era uno sfondo chiaro con una forma opaca del soggetto nel mezzo. Questo è chiamato un mascherino femmina, simile a un mascherino alfa in chiave digitale. La copia di questo film su un altro negativo ad alto contrasto produceva l’opposto “mascherino maschile”. Il negativo di fondo è stato quindi confezionato con il mascherino femmina ed esposto su una striscia finale di pellicola, quindi il negativo della fotocamera è stato confezionato con il mascherino maschio stampato a doppia stampa su questo stesso film. Queste due immagini combinate insieme creano l’effetto finale.

Principali fattori
Il fattore più importante per un tasto è la separazione dei colori del primo piano (il soggetto) e dello sfondo (lo schermo) – verrà utilizzata una schermata blu se il soggetto è prevalentemente verde (ad esempio le piante), nonostante la fotocamera sia più sensibile a luce verde.

Nella TV analogica a colori, il colore è rappresentato dalla fase della sottoportante chroma rispetto a un oscillatore di riferimento. Il chroma key si ottiene confrontando la fase del video con la fase corrispondente al colore preselezionato. Le parti in fase del video vengono sostituite dal video di sfondo alternativo.

Nella TV digitale a colori, il colore è rappresentato da tre numeri (livelli di intensità rosso, verde, blu). La chiave cromatica si ottiene mediante un semplice confronto numerico tra il video e il colore preselezionato. Se il colore in un punto particolare dello schermo corrisponde (esattamente o in un intervallo), il video in quel punto viene sostituito dallo sfondo alternativo.

Illuminazione
Per creare l’illusione che i personaggi e gli oggetti filmati siano presenti nella scena di sfondo prevista, l’illuminazione delle due scene deve essere ragionevole. Per le scene all’aperto, i giorni nuvolosi creano una luce diffusa, uniformemente colorata che può essere più facilmente abbinata in studio, mentre la luce solare diretta deve essere abbinata in entrambe le direzioni e il colore complessivo in base all’ora del giorno.

Una foto scattata in studio di fronte a uno schermo verde avrà naturalmente la luce ambientale dello stesso colore dello schermo, a causa della sua diffusione luminosa. Questo effetto è noto come spill.:p20 Questo può sembrare innaturale o causare la scomparsa di parti dei personaggi, quindi deve essere compensato o evitato utilizzando uno schermo più grande posizionato lontano dagli attori.

telecamera
La profondità di campo utilizzata per registrare la scena davanti allo schermo colorato deve corrispondere a quella dello sfondo. Questo può significare registrare gli attori con una profondità di campo più ampia del normale.

Capi di abbigliamento

Un soggetto chroma key deve evitare di indossare indumenti di colore simile ai colori chroma key (a meno che non sia intenzionale, ad esempio, indossare un top verde per far sembrare che il soggetto non abbia un corpo), perché l’abbigliamento può essere sostituito con il immagine di sfondo / video. Un esempio di uso intenzionale di questo è quando un attore indossa una copertura blu su una parte del suo corpo per renderlo invisibile nello scatto finale. Questa tecnica può essere utilizzata per ottenere un effetto simile a quello usato nei film di Harry Potter per creare l’effetto di un mantello dell’invisibilità. L’attore può anche essere girato su uno sfondo chroma-key e inserito nello sfondo con un effetto di distorsione, al fine di creare un mantello che sia marginalmente rilevabile.

Le difficoltà emergono con lo schermo blu quando un costume in un colpo di effetti deve essere blu, come il vestito blu tradizionale di Superman. Nel film del 2002 Spider-Man, nelle scene in cui Spider-Man e Green Goblin sono in aria, Spider-Man doveva essere colpito di fronte allo schermo verde e il Green Goblin doveva essere sparato di fronte a un blu schermo. La differenza di colore è dovuta al fatto che Spider-Man indossa un costume di colore rosso e blu e il Green Goblin indossa un costume interamente di colore verde. Se entrambi sono stati girati davanti allo stesso schermo, alcune parti di un personaggio sarebbero state cancellate dallo sparo.

Per una divisione pulita del primo piano dallo sfondo, è anche importante che i vestiti e i capelli in primo piano abbiano una silhouette abbastanza semplice, poiché i dettagli fini come i capelli crespi potrebbero non risolversi correttamente. Allo stesso modo, gli elementi parzialmente trasparenti del costume causano problemi.

Colore di sfondo

Il blu è stato originariamente utilizzato per gli effetti speciali della TV chroma keying perché il tono della pelle umana contiene pochissimo blu e perché l’industria cinematografica utilizzava sfondi blu per scopi simili. Il colore blu era legato allo strato di pellicola blu di emulsione avente una grana e un dettaglio comparabili rispetto agli strati rosso e verde dell’emulsione. Nella televisione e nel cinema digitale, tuttavia, il verde è diventato il colore preferito a causa di alcune considerazioni pratiche e poiché gli algoritmi di compressione a perdita utilizzati nella distribuzione televisiva sia analogica che digitale mantengono più dettagli nel canale verde. La scelta del colore spetta agli artisti degli effetti e alle esigenze dello scatto specifico. Considerando che lo schermo blu è stato introdotto all’industria televisiva dall’industria cinematografica, l’uso degli effetti visivi dello schermo verde è stato introdotto nell’industria cinematografica poiché l’imaging elettronico è aumentato e ha sostituito l’uso di film chimici nel cinema. Inoltre, lo sfondo verde è preferito al blu per le riprese all’aperto in cui il cielo blu potrebbe apparire nel frame e potrebbe essere accidentalmente sostituito nel processo. Sebbene il verde e il blu siano i più comuni in parte perché i componenti rosso, verde e blu sono usati per codificare lo spettro luminoso visibile, è possibile utilizzare qualsiasi colore chiave. Il rosso è evitato per i soggetti umani a causa della sua prevalenza nei normali pigmenti della pelle umana, ma può essere spesso utilizzato per oggetti e scene che non coinvolgono le persone.

Il cosiddetto “schermo giallo” è realizzato con uno sfondo bianco. L’illuminazione del palcoscenico ordinario viene utilizzata in combinazione con una lampada al sodio giallo brillante. La luce di sodio cade quasi interamente in una stretta banda di frequenze, che può quindi essere separata dall’altra luce usando un prisma e proiettata su un supporto di pellicola separato ma sincronizzato all’interno della fotocamera. Questo secondo film è in bianco e nero ad alto contrasto e viene elaborato per produrre il mascherino.:16

Occasionalmente viene utilizzato uno sfondo color magenta, come in alcune applicazioni software in cui il magenta o il fucsia vengono a volte definiti “rosa magico”.

Una tecnica più recente consiste nell’utilizzare una cortina retroriflettente sullo sfondo, insieme a un anello di LED luminosi attorno all’obiettivo della fotocamera. Ciò non richiede che la luce risplenda sullo sfondo, a parte i LED, che utilizzano una quantità estremamente ridotta di potenza e spazio a differenza delle grandi luci del palco e non richiedono alcun sartiame. Questo progresso è stato reso possibile dall’invenzione negli anni ’90 di pratici LED blu, che consentono anche LED verde smeraldo.

C’è anche una forma di trasparenza dei colori che usa lo spettro della luce invisibile all’occhio umano. Chiamato Thermo-Key, utilizza l’infrarosso come colore chiave, che non sarebbe stato sostituito dall’immagine di sfondo durante la postelaborazione.

Per Star Trek: The Next Generation, un processo di opacizzazione a luce ultravioletta è stato proposto da Don Lee della CIS Hollywood e sviluppato da Gary Hutzel e dallo staff di Image G. Questo ha coinvolto uno sfondo arancione fluorescente che ha reso più facile la creazione di un mascherino di mantenimento, quindi consentendo al team degli effetti di produrre effetti in un quarto del tempo necessario per altri metodi.

In linea di principio, qualsiasi tipo di sfondo statico può essere usato come chroma key invece di un colore solido. Per prima cosa lo sfondo viene catturato senza attori o altri elementi in primo piano; allora la scena è registrata. L’immagine dello sfondo viene utilizzata per annullare lo sfondo nel filmato effettivo; per esempio in un’immagine digitale, ogni pixel avrà una chiave cromatica diversa. Questo a volte viene indicato come una differenza di mascherino. Tuttavia, ciò semplifica la rimozione accidentale degli oggetti se sono simili allo sfondo, o perché lo sfondo rimane a causa del rumore della fotocamera o se cambia leggermente rispetto al metraggio di riferimento. Uno sfondo con un motivo ripetuto allevia molti di questi problemi e può essere meno sensibile al colore del guardaroba rispetto agli sfondi a tinta unita.

Le tolleranze
Anche l’illuminazione

La sfida più grande quando si imposta un bluescreen o il greenscreen è anche l’illuminazione e l’evitare l’ombra, perché è meglio avere una gamma di colori più ristretta possibile da sostituire. Un’ombra si presenterebbe come un colore più scuro alla fotocamera e potrebbe non essere registrata per la sostituzione. Questo a volte può essere visto in trasmissioni a basso budget o in diretta in cui gli errori non possono essere riparati manualmente. Il materiale utilizzato influisce sulla qualità e sulla facilità di averlo uniformemente acceso. I materiali che brillano avranno molto meno successo di quelli che non lo sono. Una superficie lucida avrà aree che riflettono le luci facendole apparire pallide, mentre altre aree potrebbero essere oscurate. Una superficie opaca diffonderà la luce riflessa e avrà una gamma cromatica più uniforme. Per ottenere la chiave più pulita dalla ripresa di greenscreen è necessario creare una differenza di valore tra il soggetto e il greenscreen. Per differenziare il soggetto dallo schermo, è possibile utilizzare una differenza di due stop, rendendo lo schermo verde due stop più alto del soggetto o viceversa.

A volte un’ombra può essere utilizzata per creare un effetto visivo. Le aree del bluescreen o greenscreen con un’ombra su di esse possono essere sostituite con una versione più scura dell’immagine di sfondo di sfondo desiderata, in modo che sembri che la persona stia proiettando un’ombra su di esse. Qualsiasi fuoriuscita del colore della chiave cromatica renderà il risultato innaturale. Una differenza nella lunghezza focale delle lenti utilizzate può influire sul successo della chiave cromatica.

Esposizione

Un’altra sfida per bluescreen o greenscreen è l’esposizione corretta della fotocamera. La sottoesposizione o sovraesposizione di uno sfondo colorato può portare a livelli di saturazione insufficienti. Nel caso delle videocamere, anche le immagini sottoesposte possono contenere elevate quantità di rumore. Lo sfondo deve essere sufficientemente luminoso per consentire alla fotocamera di creare un’immagine luminosa e satura.

Programmazione
Esistono diverse tecniche ottimizzate per qualità e velocità per l’implementazione della codifica del colore nel software.

Nella maggior parte delle versioni, una funzione f (r, g, b) → α viene applicata a ogni pixel dell’immagine. α (alfa) ha un significato simile a quello delle tecniche di compositing alfa. α ≤ 0 significa che il pixel è completamente nello schermo verde, α ≥ 1 significa che il pixel è completamente nell’oggetto in primo piano, e i valori intermedi indicano che il pixel è parzialmente coperto dall’oggetto in primo piano (o è trasparente). Un’ulteriore funzione g (r, g, b) → (r, g, b) è necessaria per rimuovere la fuoriuscita verde sugli oggetti in primo piano.

Una funzione f () molto semplice per lo schermo verde è A (r + b) – Bg dove A e B sono costanti regolabili dall’utente con un valore predefinito di 1.0. Un molto semplice g () è (r, min (g, b), b). Questo è abbastanza vicino alle capacità di trascinamento dello schermo analogico e cinematografico.

Gli esempi moderni di queste funzioni sono meglio descritti da due superfici nidificate chiuse nello spazio rgb 3-D, spesso piuttosto complesso. I colori all’interno della superficie interna sono considerati schermo verde. I colori all’esterno della superficie esterna sono opachi in primo piano. I colori tra le superfici sono parzialmente coperti, sono più opachi più sono vicini alla superficie esterna. A volte vengono usate superfici più chiuse per determinare come rimuovere la fuoriuscita verde. È anche molto comune che f () dipenda da più del solo colore del pixel corrente, può anche usare la posizione (x, y), i valori dei pixel vicini, il valore dalle immagini di riferimento o un modello di colore statistico del scena e valori dalle maschere disegnate dall’utente. Questi producono superfici chiuse in uno spazio con più di tre dimensioni.

Una diversa classe di algoritmo tenta di individuare un percorso 2D che separa il primo piano dallo sfondo. Questo percorso può essere l’output o l’immagine può essere disegnata riempiendo il percorso con α = 1 come passaggio finale. Un esempio di tale algoritmo è l’uso del contorno attivo. La maggior parte delle ricerche negli ultimi anni è stata su questi algoritmi.