Kinematografische Schärfentiefe

Die folgenden Methoden für die Schärfentiefe bieten einen kinematografischen Look, der der Fotografie und dem Film für Desktop- und Konsolenplattformen mit dem Renderer „Aufgeschobene Schattierung" und dem Renderer „Vorwärts geclustert" sehr nahe kommt.

Kinematografisch

Kinematografische ST entspricht der von realen Kameras. Ähnlich wie bei der kreisförmigen ST und dem Bokeh-Tiefenfeld kannst du kreisförmige Bokehs (unscharfe Bereiche) mit scharfem Hohem Dynamikbereich (HDR)-Inhalt sehen. Diese Methode verwendet eine prozedurale Bokeh-Simulation, die dynamische Auflösungsstabilität und Alphakanalunterstützung bietet, während sie schneller, skalierbar und optimiert für die Entwicklung auf Desktops und Konsolen ist.

Fokussieren des Aufnahmemotivs

Der Schlüssel zu einem ästhetisch ansprechenden Schärfentiefeeffekt liegt in der Art und Weise, wie das/die Motiv(e) der Aufnahme fokussiert werden. Es gibt drei Hauptfaktoren, die die Einstellung der Schärfentiefe für eine bestimmte Aufnahme beeinflussen:

• Entscheidung über die gewünschte Brennweite des zu verwendenden Objektivs.

• Auswahl einer geeigneten Blendenöffnung (f-stop-Zahl).

• Auswahl eines Abstands zu deinem/deinen Motiv(en) von der Kamera.

Um zu verstehen, was passiert, wenn wir diese Einstellungen anpassen, sollten wir die Elemente, aus denen die Kamera und die aufgenommene Szene bestehen, aufschlüsseln:

1. Punkte in der Szene

   1. Rot: Unscharf

   2. Blau: Perfekt fokussiert

   3. Grün: Geringfügig fokussiert

2. Fokusentfernung zum Aufnahmemotiv (1. ii)

3. Kameraobjektiv

4. Objektivblende (gemessen in f-stop)

5. Brennweite des Objektivs

6. Filmback/Bildsensor

7. Endgültiges Bildresultat

Beachte, dass das gerenderte Bild auf der rechten Seite durch das Kameraobjektiv seitenverkehrt ist. Rot ist Teil des Hintergrunds und unschärfer, Grün ist Teil des Vordergrunds und geringfügig unscharf.

Hier haben wir mehrere Punkte (1), die Objekte repräsentieren, die von der Kamera in einer bestimmten Fokusentfernung (2) aufgenommen wurden, in diesem Fall das blaue Motiv. Die Blendenöffnung (4) definiert, wie unscharf Objekte im Vorder- und Hintergrund sind, die sich nicht im Fokus befinden und schließlich bestimmt die Brennweite (5) des Objektivs das Sichtfeld bzw. die Vergrößerung des Bildes.

Blendenöffnung

Die Blendenöffnung definiert, wie scharf oder unscharf der Vorder- und Hintergrund sind basierend auf dem Durchmesser der Blende, die in f-stop gesteuert wird.

1. Kameraobjektiv

2. Objektivblendenöffnung gemessen in f-stop

Diese Abbildung demonstriert die Blende (2), die das durch das Objektiv (1) fallende Licht blockiert. Die Größe der Blendenöffnung (oder f-stop-Zahl) legt fest, wieviel Licht durch das Objektiv fällt, und steuert damit, wie stark Vorder- und Hintergrund in Abhängigkeit von der Fokusentfernung der Aufnahme unscharf werden.

Die Blendenöffnung besteht aus zwei Elementen; die f-stop-Zahl und die Blende.

1. Die Blendenöffnung ist der Durchmesser der Öffnung, durch die das Licht fällt. Die Blendenöffnung wird über die Brennweite geteilt durch eine f-stop-Zahl bestimmt.

2. Die Blende ist die mechanische Struktur, die aus mehreren Lamellen, die das Licht blockieren. Sie öffnet und schließt sich entsprechend des angegebenen f-stops.

Die Objektivblendenöffnung wird durch den Durchmesser der Blende definiert, der mit zunehmender f-stop-Zahl abnimmt und den Schärfentiefeeffekt bestimmt. Eine Abbildung zur Darstellung dieses Effekts findest du unter Fokusentfernung.

Um zu demonstrieren, wie die Blendenöffnung funktioniert, ziehst du den Schieberegler, um die f-stop-Zahl zwischen 1,4, 2,8 und 5,6 zu ändern. Kleinere f-stop-Zahlen erzeugen eine flachere ST mit mehr Unschärfe im Hinter- und Vordergrund. Höhere f-stops erhöhen die Tiefe der ST mit weniger Unschärfe.

Beachte, dass hier nur der f-stop geändert wird, die Fokusentfernung und die Brennweite bleiben konstant bei 7 mm und 75 mm.

Ziehe den Schieberegler, um den f-stop der Blendenöffnung zu ändern.

Wenn du bei einer realen Kamera die Blendenöffnung einstellst, musst du normalerweise gleichzeitig auch die Belichtung anpassen, um die gleiche Lichtintensität zu erhalten, die vom Filmback/Bildsensor empfangen wird. In Unreal Engine ist dies jedoch keine reale Kamera und somit hat die Anpassung von f-stop und Blende also keinen Einfluss auf die Lichtintensität.

Brennweite

Die Brennweite ist der Abstand von der Mitte des Objektivs zum Filmback (oder Bildsensor) gemessen in Millimeter (mm).

1. Kameraobjektiv

2. Brennweite

Um zu demonstrieren, wie dies funktioniert, ziehe den Schieberegler, um die Brennweite des Objektivs zwischen 50 mm, 75 mm, and 100 mm zu ändern. Beachte, wie effektiv sich das Sichtfeld (FOV) der Aufnahme verändert; mit zunehmender Brennweite verringert sich das Sichtfeld (FOV). Man kann sich die Brennweite so vorstellen, als würde man mit einer Kamera heranzoomen, nur dass dabei die unscharfen Bereiche der Aufnahme im Hintergrund und im Vordergrund deutlicher werden. Im folgenden Beispiel kann man dies sehen, wenn man zwischen einer Brennweite von 50 mm und 100 mm wechselt; die Aufnahme erscheint im Vordergrund weitgehend scharf, aber bei 100 mm Brennweite ist es einfacher zu erkennen, dass der Hintergrund unschärfer ist und der Vordergrund ebenfalls eine minimale Unschärfe aufweist.

Beachte, dass die Abbildung und das Beispiel nur die Brennweite des Objektivs ändern; die Fokusentfernung und der f-stop bleiben konstant bei 7m und f/2,8.

Fokusentfernung

Die Fokusentfernung ist der Abstand von der Mitte des Kameraobjektivs zum Motiv der Aufnahme, das fokussiert wird, wodurch eine Fokusebene entsteht. Je näher die Kamera dem Motiv ist, desto unschärfer wird der Hintergrund.

1. Brennpunkte in der Szene

   1. Rot: Unscharf

   2. Blau: Perfekt fokussiert

   3. Grün: Geringfügig fokussiert

2. Fokusentfernung zum Motiv (1b)

3. Kameraobjektiv

Diese Abbildung demonstriert Objekte (1), aus der die Szene besteht; Hintergrund, aufgenommenes Motiv und Vordergrund. Der Abstand vom Objektiv (3) zum fokussierten Motiv (2) – in diesem Fall der blaue Punkt – ist die Fokusentfernung. Je nach f-stop und Brennweite des Objektivs sind die Bereiche im Hintergrund und im Vordergrund unscharf.

Wir können die Ebenen der ST visualisieren, indem wir die Dropdown-Liste Anzeigen im Viewport verwenden, um Erweitert \> Schärfentiefeebenen auszuwählen. In dieser Instanz stellt Grün die Vordergrundobjekte dar, Schwarz ist der Bereich, in dem die Objekte fokussiert sind und Blau ist Teil des Hintergrunds.

Um zu demonstrieren, wie dies funktioniert, ziehst du den Schieberegler, um die Fokusentfernung zwischen 4 m, 7 m und 10 m zu ändern. Durch die Anpassung der Fokusentfernung wird die Fokusebene (lila gepunktete Linie) in der Szene angepasst, die angibt, wo sich der fokussierte Bereich der Aufnahme befindet. Der blaue Referenzpunkt in der Abbildung verwendet hier den Charakter als Fokusmotiv. Wenn die Kamera den Aufnahmefokus (schwarzer/grauer Bereich oben) auf verschiedene Teile der Szene verschiebt, verschieben sich auch die Objekte im Vorder- und Hintergrund. Beginnend mit 4 m ist das Polizeiauto im Vordergrund scharf fokussiert und der Charakter im Hintergrund ist unscharf. Die blaue Referenz in der Abbildung zeigt dies mit dem Schnittpunkt des Brennpunkts vor dem Filmback an. Bei einer Entfernung von 7 m ist der Charakter vollständig scharf, während die Objekte im Vorder- und Hintergrund unscharf sind. Bei einer Entfernung von 10 m sind die Bauabsperrungen scharf, während der Charakter und das Polizeiauto im Vordergrund unscharf sind. Die blaue Referenz in der Abbildung zeigt dies an, da der Schnittpunkt über den Filmback hinausgeht. Durch all diese Änderungen der Fokusentfernung erhöht oder verringert sich der ST-Effekt, je nachdem, ob sich ein Objekt im Vorder- oder Hintergrund befindet.

Beachte, dass hier nur die Fokusentfernung geändert wird; der f-stop und die Brennweite bleiben konstant bei f/1,4 und 75 mm.

Prozedurale Blendensimulation

Die Aufgabe der Schärfentiefe besteht darin, einem oder mehreren Motiven in deiner Szene eine besondere Bedeutung beizumessen. Genauso wichtig können aber auch Bereiche sein, die nicht im Fokus stehen. Die Schärfentiefe von Unreal Engine 4 simuliert die Objektivblende, indem du die Form des Bokeh (unscharfe Bereiche) ästhetisch steuern kannst, indem du die Anzahl und Rundung der Blendenlamellen anpasst.

Aus Performance-Gründen wird die Blendensimulation nur in den Einstellungen der Engine-Skalierbarkeit von Epic und der Kinematografie unterstützt. Bei niedrigeren Qualitätseinstellungen wird auf kreisförmige Bokeh-Formen mit gleicher Fläche zurückgegriffen, um ein ähnliches Verhalten bei der automatischen Belichtung zu gewährleisten, wodurch die Simulation der Blendenlamellen deaktiviert wird.

Anzahl der Blendenlamellen

Die Blende (oder Iris) ist der Mechanismus, der aus Lamellen besteht, die sich anpassen können, um das Aussehen von Bokeh-Formen ästhetisch zu gestalten. Die Verwendung einer geringeren Anzahl von Lamellen führt zu einer polygonförmigen Blende, während eine höhere Anzahl von Lamellen die Rundung der Blende verbessert, um mit einem abgerundeten, unscharfen Bokeh natürlicher wirken.

Die Anzahl der Blendenlamellen beeinflusst direkt die Form des Bokehs, wenn die maximale Blendenöffnung erhöht wird (minimale f-stop-Zahl wird verringert).

Blendenöffnung und max. Blendenöffnung

Die Blendenöffnung ist die Öffnung des Objektivs, die über den Durchmesser der Blende gesteuert und in f-stops gemessen wird. Die Lichtmenge, die durch das Objektiv gelangt, wird durch die Größe der Blendenöffnung bestimmt. Durch die Einstellung der Blendenöffnung wird die Fokusebene festgelegt, um die Schärfe bzw. Unschärfe der Bereiche außerhalb des Fokusbereichs zu regulieren.

Das folgende Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen der Größe der Blendenöffnung (f-stop-Zahl), der max. Blendenöffnung (min. f-stop-Zahl) und den Schärfentiefe-Effekten.

Eine größere Blendenöffnung (niedrigere f-stop-Zahl) hat einen flachen Fokusbereich, wodurch der Vorder- und Hintergrund unschärfer werden. A kleine Blendenöffnung (höhere f-stop-Zahl) weist einen tieferen Fokusbereich auf, der mehr Objekte im Vorder- und Hintergrund scharf abbildet.

f-stops der Blendenöffnung: 1,4, 2,0, 2,8, 4,0, 5,6, 8,0

Die Blendemöffnung kann so klein sein, wie du möchtest, aber immer nur so groß wie die maximale Größe des Objektivs. Die Maximale Blendenöffnung (gemessen in f-stops) definiert, wie groß das Objektiv sein kann. Dies definiert auch die Rundung der Lamellen, aus denen die Blende besteht, indem die Größe der Blendenöffnung begrenzt wird; die Begrenzung der Größe der Blendenöffnung verkürzt den effektiven Fokusbereich, was die Unschärfe der Bereiche begrenzt.

5 Blendenlamellen mit unterschiedlichen max. Blendenöffnungswerten

In diesem Beispiel ist die Anzahl der Blendenlamellen auf 5 festgelegt. Bei einer kleineren Blendenöffnung werden die Lamellen der Blende in den Bokeh-Formen sichtbarer. Bei der Verwendung einer größeren Blendenöffnung (f-stop ist gleich dem minimalen f-stop), werden die Bokeh-Formen langsam kreisförmig.

In diesem Beispiel, wird ein Filmkamera-Actor mit den folgenden Werten verwendet:

• Min. f-stop: 1,4

• Max. f-stop: 4,0

• Anzahl der Blendenlamellen 5

• Aktuelle Blendenöffnung: 1,4 – 4,0

Bei diesen Werten kann der f-stop nur Werte zwischen 1.4 und 4.0 annehmen. Da der Schärfentiefeneffekt mit einem größeren f-stop (kleinere Blendenöffnung) vertieft wird, werden die Blendenlamellen in den Bokeh-Formen besser sichtbar.

Denke daran, dass die Blendenöffnung nicht die Lichtintensität steuert. Diese Wahl wurde getroffen, damit du nicht ständig zur gleichen Zeit die Belichtung wie bei einer echten Kamera anpassen musst.

Kinematografische ST-Einstellungen

Kinematografische Kamera

Die folgenden Einstellungen sind spezifisch für den Kinematografischen Kamera-Actor. Beachte, dass du auch Zugriff auf die Einstellungen für die Kamera and Schärfentiefe hast.

Nachbearbeitungsvolumen und Kamera-Actor

Die folgenden Einstellungen sind verfügbar in Filmkamera-Actor, Kamera und Nachbearbeitungsvolumen.

Nützliche Konsolenvariablen für die Optimierung

Die Herausforderung bei der ST besteht darin, dass es je nach Inhalt variieren kann und wie viel Wert auf die künstlerische Ausrichtung Ihres Spiels mit ST gelegt wurde. Aus diesem Grund bietet die ST-Implementierung eine Vielzahl von Konsolenvariablen, die für jede Plattform angepasst werden können, damit die Entwickler das zugewiesene Leistungsbudget besser kontrollieren können. 

Nachfolgend findest du einige Konsolenvariablen, die für die Bindung der kinematografischen ST-Performance nützlich sein können.

• r.DOF.Kernel.MaxBackgroundRadius: Die maximale Größe des Hintergrundschärfenradiuses im horizontalen Bildschirmbereich.

• r.DOF.Kernel.MaxForegroundRadius: Die maximale Größe des Vordergrundschärfenradiuses im horizontalen Bildschirmbereich.

• r.DOF.Scatter.MaxSpriteRatio: Das maximale Verhältnis von verstreuten Pixelquads als Sprites. Nützlich für die Steuerung der Obergrenze der ST-Streuung.

Beachte, dass dies ein guter Ausgangspunkt ist und dass du weitere Konsolenvariablen unter r.DOF.* finden kannst.

Bokeh-ST-Methode (alt)

Seit Unreal Engine 4.23 wurde Bokeh-ST aus Unreal Engine und aus dem Quellcode entfernt. Wenn du 4.22 oder 4.21 verwendest, wurde Bokeh-ST für den Deferred Desktop Renderer und den Pfad für das Vorwärtsrendern zurückgezogen.

Bokeh-ST bezieht sich auf den Namen der Form, die in Fotos oder Filmen zu sehen ist, wenn Objekte unscharf sind. Bei dieser Methode wird für jedes Pixel ein texturiertes quad gerendert, wobei eine benutzerdefinierte Textur verwendet wird, um eine Form zu definieren, mit der der Effekt eines Kameraobjektivs reproduziert werden kann.

Die Implementierung verwendet nur die halbe Auflösung, um diesen intensiven Effekt durchzuführen. Durch die Verwendung der adaptiven Tiefenschärfe wird versucht, in Bereichen, in denen der Effekt nicht spürbar ist, Render-Performance zu sparen. Die Bokeh-ST ist kostspieliger als andere ST-Methoden, die in Unreal Engine zur Verfügung stehen, und eignet sich daher hervorragend für Kinematografien und Präsentationen, bei denen die ansprechende Optik oft schwerer wiegt als etwaige Performance-Probleme in solchen Situationen.

Adaptive Schärfentiefe für Bokeh-ST

Die Bokeh-ST wird aus Performance-Gründen standardmäßig mit einer Viertelauflösung (halbe Auflösung in jeder Richtung) gerendert. In den meisten Fällen ist das Downsampling kaum wahrnehmbar, was durchaus akzeptabel ist. in einigen Situationen kann es jedoch zu Artefakten und unerwünschten Ergebnissen führen. Die adaptive Schärfentiefe löst diese Arten von Artefakten nach Möglichkeit auf.

Die im Hintergrund unscharfen Charaktere erscheinen blockartig, wenn nur die ST-Technik mit Downsampling verwendet wird. Außerdem erscheinen einige Artefakte um die Hörner des Charakters im Vordergrund. Die adaptive ST eliminiert dies Arten von Artefakten und die Charaktere im Hintergrund haben ein viel weicheres Erscheinungsbild.

Die adaptive ST kann mit dem Flag Adaptive Schärfentiefe im Level-Viewport unter Anzeigen \> Visualisieren visualisiert werden. Wenn die Option aktiviert ist, wird eine Überlagerung angezeigt, bei der der Effekt mit reduzierter Auflösung (grün) und der Effekt mit voller Auflösung (rot) verwendet wird. Wo keine Unschärfe angewendet wird, wird die reguläre Szenenfarbe angezeigt.

Im Allgemeinen soll die adaptive ST ganz grün angezeigt werden. Je mehr Rot in der Visualisierung angezeigt wird, desto teurer ist das Rendern der Szene pro Bild.

Bokeh-ST-Einstellungen

Die folgenden Einstellungen sind verfügbar in Filmkamera-Actor, Kamera und Nachbearbeitungsvolumen, die sich im Abschnitt „Schärfentiefe" unter dem Reiter „Objektiv" befinden.

Externe Ressourcen

• SIGGRAPH 2018 - "A Life of a Bokeh" von Guillaume Abadie (PowerPoint-Präsentation ~150 MB)

• Blende (Optik)

• Blendenöffnung

• Lichtstärke (f-stop, Fotografie)

• Understanding Factors that affect Depth of Field