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去隔行利器FieldsKit Deinterlacer 解析

发布时间:2018-11-17 19:57:24

在影视制作领域,为了构建相对完美的逐行扫描视频,或者为数字转胶片过程提供更高质量的画格,我们须将隔行扫描视频进行去隔行处理。尽管许多后期处理软件内置了去隔行处理机能,但是它们的算法都极为单一,往往达不到追求更高质量人员的要求。于是寻求一种先进的、易操作的去隔行处理的方法,一致是业内人士不懈的追求,Revisionfx公司提供的FieldsKit Deinterlacer软件在此领域独树一帜。

FieldsKit是Revisionfx公司专门针对视频场处理而开发的工具,包含三个重要滤镜。其中FieldsKit Deinterlacer专门用于去隔行处理,它提供了多种去隔行处理模式,还可镶嵌套用,而且参数调整灵活,大幅提高图像处理质量。另外两个滤镜分别是FieldsKit Reinterlace和FieldsKit Pulldown,它们分别提供了灵活多样的隔行扫描重建和帧率下拉变换方法。FieldsKit 以外挂的形式工作,支持 Adobe After Effects, Apple Final Cut Pro, Autodesk Combustion,Eyeon Fusion, Adobe Premiere等软件,不过涉及帧率变换时仅能在Combustion 2.1及其后续版本和After Effects中使用,因为这些应用软件在同一个工程项目中支持不同帧率的视频格式。


1、什么是场
在介绍Deinterlacer去隔行处理的方法之前,我们有必要提一下关于交错场和去隔行处理的基本知识。

那么什么是场呢,场存在于隔行扫描记录的视频中,隔行扫描视频的每帧画面均包含两个场,每一个场又分别含有该帧画面的奇数行扫描线或偶数行扫描线信息,故分别叫奇数场或偶数场,也称上场或下场。

我们在实际拍摄时,若使用隔行扫描的格式作记录的话,比如标清中的PAL制,NTSC制,高清中50i,60i等,它们在信号记录时,总是会先扫描记录下场(偶数场)信号,再扫描记录上场(奇数场)信号;或者相反。如果先记录下场的,我们就说是下场优先(偶数场优先),反之叫上场优先(奇数场优先)。这样就导致了上场与下场的图像实际上是有一定时间位移之差的,所以这两场的图像在空间上是不能完全重合的,尤其在拍摄活动画面时,活动主体的位置往往会形成梳状条纹,如图所示。

图1-隔行扫描视频的1帧画面由不同时刻取样的上场和下场画面组成

 


图2-隔行扫描视频在画面中运动的部分出现梳状交错现象(放大示意图)

 

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2、为什么要去隔行处理
在对影像做后期处理时,比如抠像等,若直接处理隔行扫描素材会产生边缘锯齿现象,导致画质下降。还有在隔行扫描数字格式转胶片和构建相对完美的逐行扫描视频时,每一格(帧)都需要无交错的高质量的画面,所以也需要对隔行片源视频进行去隔行处理。

图3-隔行扫描图像的奇偶场合并产生梳状条纹示意图

 

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3、常见的去隔行处理方法和原理
去隔行处理就是通过一定手段,让原本因隔行扫描形成的交错帧显得不再交错,注意是“显得不再交错”而不是“还原”,因为理论上讲是无法复原为100%完整画面的,如此一来,其实去隔行的目的就是最大限度地去交错,所以两个概念也往往混称。

一般情况下,我们常见的去隔行处理方法有以下几种

(1)、奇偶场直接合并
当画面中没有运动的时候,奇数场和偶数场的采样信息依然能直接合并为完整的一帧画面,如图所示。

图4-静止画面中奇数场与偶数场直接合并为完整的一帧画面

当然,这种情况少之又少,绝大多数情况下,画面中总是会有运动(否则就是照片了),所以这种模式几乎不会采用,不过它给我们提供了某种启示,在随后的运动遮罩合并模式中得到体现。

 

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(2)、场复制合并
最简单的一种解决方法就是仅保留单场,抛弃另一场,然后把该单场中的行进行复制组合为新的另一场,最后再合并为一帧。

图5-场复制模式减少梳状也带来锯齿

 

这样方法虽然大大减少梳状条纹的程度,但同时也会带来明显的锯齿现象,且画面的有效清晰度大大下降,因仅用了一半行数的画面信息。

(3)、内插补点(大多数情况适用)
为了改善场复制模式带来的锯齿程度,同时得到相对快捷的处理速度,许多应用软件都使用内插补点的方法作为标准的去交错模式。

这种方法首先依然保留单场信息,然后丢弃另一场,接着通过内插补点的方法创建新的扫描线。与场复制不同的时,它更加智能,会经过计算保留场相邻的行间的信息来创建另一场。

图6-内插补点方式消除梳状也较少锯齿

如此处理,大大减少了场复制模式带来的锯齿现象,图像质量大幅提升。不过画面的有效信息依然被抽去了一半。

 

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(4)、场融合
为了增加画面的有效信息,可以把内插补点的方法加以延伸,就是分别把原画面的奇数场使用内插补点得到新画面,再把原偶数场使用内场补点得到另一个新画面,然后再把两个新得到画面各取一半合并起来,就便是所谓的场融合方法,也叫奇偶平均合并方法。

图7-场融合方式保留全部信息但也带来重影现象

这种混合奇偶两个图场的方法,可以大大降低突兀的锯齿现象,是去交错的有效方法之一,而且画面的有效信息扩大为全帧画面信息。不过副作用是画面会因为两中间帧混合导致画面模糊,运动剧烈的画面还会有重影现象。

在分析完了常见的几种去交错的方法与原理后,我们现在来看看FieldsKit Deinterlacer是如何应用和发展它们的。

 

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4、FieldsKit Deinterlacer去隔行原理
FieldsKit Deinterlacer在去隔行处理中,有一点比较灵活,就是打破了传统方法非此即彼的选择,允许你将多种方法嵌套使用,甚至在同一个画面中也可以依据不同关键帧采用不同去隔行方法。所以从某种角度说,它为客户提供太多解决方案,这或许反而会让你犯晕,所以有必要了解一下其基本工作原理,在此我把它大体归纳为四大模式。

(1)、内插模式
这里的含义不等同于上面所述的狭义内插补点方法,它的含义更广泛,其基本定理为

支配场 内插处理得到另一场 = 新的一帧

 

在这种模式下,你首先要给Deinterlacer指定优先场,不要指定错误,许多软件能自动识别视频文件的场序列。另外,在Deinterlacer插件中,当你选择Fill Method = Blend时,在Field Order下拉菜单选择不同场序,观察画面,若场序出错,画面会突然劣化,相信你不会选错。选择好优先场后,Deinterlacer将其作为支配场,同时抛弃另一场,然后你再指定Deinterlacer使用以下5种选择重建另一场,最后合并输出。

下面,我们在AE中来进行说明,先建立一个工程文件,导入需要处理的隔行视频,然后将它拖入一个合成器中,随后给该素材施加效果effect\re:vision plug_ins\fieldskit dinterlacer,如图所示

图8-对素材施加效果

然后打开效果控制器,如图

图9-Fieldskit Dinterlacer控制器


确认你的Source Layer,即选定处理片源的名称。

 

在Field Order栏,你要确认你的优先场序,一般说来许多视频软件都带有自动识别场序的功能,这里暂不论述,我使用的片源是DV_PAL格式,属于下场优先,故选Low First。

 

在Timing Mode 时间重建上选择 = 1 Frame Per Frame , 这个选择让你将所有的优先场保留下来,然后抛弃另一场,然后运用5种方式来构建新的另一场。用“ = ”号象征构建后的新视频与原来的时间是等长的。

 

随后你就可以通过选择不同的Fill Method (填补策略)来选择不同的内插方法了。

图10-Fill Method下拉菜单选择不种内插方式

 

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共有5种内插方式,它们分别是:

1).None,即不进行任何处理,实质就是使用原来的另一场信息,也就是所谓的奇偶场直接合并。

2).Duplicate,即场复制方法,将复制保留场的行来构建新的另一场,最后再合并

3).Blend,即内插补点方法。与其他常见的软件的处理方式是一致的,即混合保留行间相邻上下像素来构建新行像素,示意图如下。


图11-Blend方式构建新行像素示意图

4). Best 3 Neighbors,即临近3像素取优,这就是对一般内插补点算法的发展,它把像素的选择范围扩大到上下相邻的各3个像素范围,然后经过比较后选择最佳Blend方案得到新行像素。

图12-Best 3 Neighbors方式构建新行像素示意图


5). Best 5 Neighbors,即临近5像素取优,这又是对临近3像素取优算法的发展,它把像素的选择范围扩大到上下相邻的各5个像素范围,然后经过比较后选择最佳Blend方案得到新行像素。

图13-Best 5 Neighbors方式构建新行像素示意图

 

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在实际工作中,前两种方法一般都不会用,一般使用后面的3种,大多数情况下,使用Best 3 Neighbors(临近3像素取优)和Best 5 Neighbors(临近5像素取优)都能得好比blend模式好的多的效果,大家可以参照我的实验效果图(放大200%,局部显示)。


图14-None

图15-Duplicate

 

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图16-Blend


图17-Best 3 Neighbors

 

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图18-Best 5 Neighbors

 

从上面的图像我们可以看出,None方式因未做任何处理,有明显的梳状条纹现象;Duplicate方式减少梳状条纹,不过有锯齿现象;Blend,Best 3 Neighbors和Best 5 Neighbors方式有效去除梳状条纹,同时也去除锯齿,此画面三者比较,肉眼观看不易区别异同,不过如果把它们进行放大800%后观看,可以看见三者的显示的平滑度依次增加,感觉画面的清晰度增加(实质上都是仅用原来的50%画面信息)。

 

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(2)、场融合模式
现在我们来介绍第二大合并模式,即场融合模式,该模式将支配场和非支配场分别做内插模式(当然内插方法依然有上面5个选择)处理后,各取50%信息混合构建新帧,其定义为:
(支配场 内插处理得到另一场)* 50% (非支配场 内插处理得到另一场)* 50%=新帧

在Fieldskit Dinterlacer效果控制器的Timing Mode 时间重建上选择= Field Blending,1 Frame Per Frame 这样系统就是依据上面的法则进行去隔行处理。

图19-场融合模式选择示意图


这种方法最大的优点在于使用了原来100%的信息,也就是说同时对奇数场和偶数场都进行了取样,不过由于两场之间存在的时间位移问题没有解决,所以混合后的画面有模糊的现象,如果画面的运动过大,还会有重影现象,不过在体育节目的处理中,这种现象其实也是好的,它把运动过程充分保留下来。

我们还是来具体比较一下与上一种模式的区别。

图20-原始图像

 

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这个我们将要处理的画面是一个固定拍摄的镜头,仔细观看,画面中女人走过的时候其周围出现了明显的梳状条纹,而立交桥处因为静止则没有。

图21-原始图像运动部分出现梳状条纹示意图


图22-原始图像静止部分无梳状条纹示意图

 

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我们先使用第一种模式进行处理,为了得到比较好的质量,我们选用Best 5 Neighbors方式,处理效果如下:

图23-运动部分经过内插模式/Best 5 Neighbors处理效果


图24-静止部分经过内插模式/Best 5 Neighbors处理效果

 

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我们发现运动主体周围的梳状条纹消失,但是静止部分由于只用一半信息所以细节不够丰富。
我们再来看看场融合模式,我们依然选择Best 5 Neighbors填充方式,处理效果如下:

图25-运动部分经过场融合模式/Best 5 Neighbors处理效果


图26-静止部分经过场融合模式/Best 5 Neighbors处理效果

不难发现运动人体便得更加模糊了,但是静止部分的细节变得丰富起来。

那么有没有两全其美的方法呢,又要保留足够的静止部分细节,还要使运动的部分不模糊? 我们来看一种更加智能的算法。

 

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(3)、运动补偿模式
运动补偿模式,分别对优先场和后续场作内插模式计算,构建两中间帧,然后计算后一中间帧运动位移误差,通过校正后与前一中间帧进行融合输出。

在Fieldskit Dinterlacer效果控制器的timing mode 时间重建上选择= Motion Estimated Blend 这样系统就选定了运动补偿模式,直译为运动估算融合模式。

图27-运动补偿模式选择示意图


对比分析,下面第一幅画面是经过场融合模式处理的效果,我们依然选择Best 5 Neighbors填充方式得到。我们看到运动的主体人手和肩章都比较模糊。


图28-经场融合模式/Best 5 Neighbors处理画面

 

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我们再来看看使用运动补偿模式得到的画面。

图29-经运动补偿模式/Best 5 Neighbors处理画面


我们看到运动的主体人手和肩章都变得比较清晰了,静止部分的画面基本一模一样。

尽管运动补偿模式一般说来能带来比较清晰的效果,但是也会使画面轻微发软。尤其适用于带有斜向边缘的物体和含有大量波纹的画面的处理。还要注意的是这种模式过于依靠计算机机能,建议较长时间的镜头不宜采用此法。 还有含有剧烈运动的镜头,比如极限体育运动和足球比赛,尽量不要使用,这些画面中往往会因太多物体的交错运动而导致轨迹追踪错误,出现画面瑕疵。

 

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(4)、运动遮罩模式
 

在去隔行处理中,我们知道对画面中的不动部分做任何处理都是画蛇添足的,但是我们又不得不对画面中含有运动的部分做处理,这同时也影响了不动的部分。两者能否分别对待呢。运动遮罩模式就是为了有效解决这样的问题而设置的,它通过判断相邻帧内的画面运动差异来绘制运动遮罩,然后分别对运动遮罩内外的画面分类做处理。

显然这种模式是为处理固定拍摄的镜头而设计的,适用的信号就是画面中要有明确的运动主体和相对静止背景,我们还是举个例子来分析吧。

图30-带有运动主体的固定拍摄镜头画面示意图


图31-原始画面运动主体部分放大出现梳状条纹示意图

 

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类似于这样的画面,大背景是静止的,画面中人和车流是运动的,这样才可能对其绘制运动遮罩,把运动的物体和静止的背景分开了,对运动部分实施以上3种模式去隔行处理,而对背景部分不做任何处理,直接将原来的奇数行和偶数行扫描线合并起来即可。

 

对画面绘制运动遮罩非常容易,首先你对整个画面进行好Timing Mode和Fill Method的设定后,实质就是选定好前三大类的去隔行处理模式;然后将Detect Motion(运动探测)的No Motion Mask更改为2 Frames Compare或者 3 Frames Compare,这样就开启了运动遮罩合并模式。

图32-2种运动探测方式选择示意图


2 Frames Compare是将当前帧和后续帧进行比较来探测运动区域。

3 Frames Compare则是将当前帧和前后相邻的帧进行比较来探测运动区域。使用此种选择一般能探测到比2 Frames Compare 方式更大的运动区域。

图33-2 Frames Compare探测到的运动区域


图34-3 Frames Compare探测到的运动区域

 

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从运动区域的大小我们就能看到两种探测方式的不同,为了直观观察运动运动遮罩,你可以把View Motion Mask选项打“√”。

图35-运动遮罩显示开关菜单


随后,我们可以选择3种不同的运动遮罩的绘制方法。

图36-不同运动遮罩绘制方法选择菜单
第一种是Point Difference,指的是依据同一位置的象素的变化而判定,当变化量达到或超过阈值,那么就认定为运动区域。这种方法往往会把许多噪点也误计算为运动范围。第二种Small Area,为了克服视频噪点的干扰,把像素的变化的比较范围扩大到周围的一个小的区域进行,这大大减少了视频噪点带来的误差,但是往往也会把实际运动的区域缩小。第三种Large Area,使用比前一种更大范围像素区域来进行判断,基本上能剔除噪点干扰。

图37-Point Difference

 

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图38-Small Area


图39-Large Area


接下来我们来调整Motion Tolerance,即运动宽容度,通过调整这个值,我们要达到的要求就是尽量不要让静止部分被误判为运动,也尽量不要把运动部分误判为静止,所以要仔细调整,找到合适值,该值一定,其实也就订了上面提到的阈值。

图40-运动宽容度调整菜单

 

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接下来有一个叫Mask Suppress,即遮罩抑制,适当调整它的值,可以去除遮罩内因为视频噪波而被误计为运动的区域范围。

图41-遮罩抑制参数调整菜单


当你施加Mask Suppress(遮罩抑制)后,你会发现尽管去掉了一些非运动的区域,但是本来的运动区域的面积在缩小,这时候你就需要放大这些本来不该缩小的运动遮罩。Mask Grow , 遮罩增大就是为这种情况设置的。


图42-遮罩增大控制参数调整菜单


由于运动区域需要做去隔行处理,而非运动区域不做处理,所以这两个区域之间画面的过渡总是会有所突兀的,为了平滑这种过渡,你可以调整Mask Feather,即遮罩羽化值。

图43-遮罩羽化值参数调整菜单

 

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好了,我们在使用运动遮罩模式的时候,要综合调整以上参数,相信你会得到满意的结果,我们还是来看看我们的实验效果。

图44-经运动遮罩模式处理画面

  


图45-经运动遮罩模式处理运动部分画面放大示意图


我们仔细观察,发现运动主体人和车在采用了运动补偿模式后变得清晰了,而且画面中静止部分立交桥的细节保持不变,总体上,效果令人满意。

至此,我们已经把Revisionfx公司的Deinterlacer插件的基本功能和原理,使用方法介绍完毕,大家在实际操作中还需要针对不同片源以及节目类型等情况,选择适当的处理组合。在大多数情况下,用Deinterlacer都能有效进行去交错处理,构建相对完美的全帧画面。此外,还要提醒两点,一是Deinterlacer插件中的许多参数都是可以定义关键帧的,这就允许甚至是针对同一个镜头,我们也可以随时改变去隔行处理的方法;二是限于篇幅,Deinterlacer插件中还有许多参数未能一一列举,更多进阶设定,可以参考《FieldsKit Users' Manual》。

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