Depth of Field Ein Fachvortrag von: Max Goltzsche und Igor Marijanovic Real-Time RenderingBeuth Hochschule für TechnikSoSe 2012

Grundlagen

Depth of Field in der Fotografie Die Zone, die sich aus dem Bereichen vor und hinter einem fokussierten Objekt ergibt, in denen akzeptabel scharf abgebildet wird. DOF ist abhängig vom Typ der Kamera, der Blendenöffnung und der Fokussierung. Quelle: Wikipedia.org

Circle of Confusion Der Circle of Confusion (CoC) definiert, die Schärfe eines Punktes bei einer bestimmten Tiefe. Wenn der CoC sichtbar wird, ist diese Region außerhalb des DOF und somit nicht mehr scharf in einem akzeptablen Rahmen. Quelle: Wikipedia.org

Methoden

Ray-Traced Depth of Field Eigenschaften Beruht auf Ray-Tracing (Modellierung des Weges von Lichtstrahlen durch eine virtuelle Linse) Vorteile Bildet Depth of Field naturgetreu ab Nachteile Enorme Rechenleistung erforderlich und derzeit nicht als Real-Time Rendering Verfahren nutzbar.

Accumulation-Buffer Depth of Field Eigenschaften Es werden Bilder gespeichert die von verschiedenen Punkten durch eine virtuelle Linse betrachtet die Szene abbilden. Vorteile Wie im Ray-Traced Verfahren ist eine natrurgetreue Abbildung des Effektes möglich. Nachteile Da viele Bilder benötigt werden für eine Depth of Field Abbildung ist dieses Verfahren nicht in Echtzeit nutzbar.

Layered Depth of Field Eigenschaften Objekte einer Szene werden in Abhängigkeit ihrer Tiefenwerte auf verschiedenen Ebenen gerendert und zu einem Ausgabebild zusammengefügt. (Optimierung: Ebenenschnitte entlang der Z-Achse) Vorteile Verfahren in Echtzeit anwendbar. Nachteile Sortierung der Objekte schwer, wenn Objekte über mehrere Ebenen gehen. Harte Übergänge zwischen Voreinanderliegenden Ebenen. Probleme bei verdeckten Objekten die bei einem Schnitt sichtbar werden.

Forward-Mapping Z-Buffer Depth of Field Eigenschaften Buffer für Tiefen- und Farbinformationen Punkte werden als Kreise entsprechend ihrem CoC gerendert. Gerenderte Sprites werden zu einem Ausgabebild gemischt. Vorteile Trotz optischer Ungenauigkeiten (Lochkamera) naturgetreuer Depth of Field Effekt Nachteile Für die einzelnen Sprites können Millionen Passes benötigt werden, was den zeitlichen Aufwand bei der Anwendung außerhalb des Echtzeitbereichs bringt.

Reverse-Mapping Z-Buffer Depth of Field Eigenschaften Buffer für Tiefen- und Farbinformationen Variante 1: Textur der Szene wird in verschiedenen Mip-Mapping Leveln erzeugt und Lookups entsprechend dem CoC durchgeführt. Variante 2: Anstatt Mipmaps Verwendung von weichgezeichneten Texturen für die Lookups. Farbmischung aus klaren und weichgezeichneten Texturen. Vorteile Als Real-Time Rendering Verfahren nutzbar. Artefakte durch Optimierung auf akzeptables Maß reduzierbar. Nachteile Diverse Artefakte bei der Anwendung solcher Verfahren.

Implementierung

Vereinfachte Shaderparameter

Weichzeichner

Erstimplementierung (naiv)

Artefakte Depth Discontinuity Artefakte im Übergangsbereich von Würfel und Torus

Postprocessing Pipeline Normales und weichgezeichnetes Bild interpoliert (CoC-abhängig) Weichgezeichnete Bild (CoC-abhängig) Normales Bild mit CoC-Werten im Alphakanal Tiefenbild Normales Bild der Szene

Circle of Confusion Blur

Vorstellung der Implementierung Depth of Field Beispiel

Abschluss Ausblick Fazit

Ausblick In naher Zukunft auch Ray-Traced Depth of Field in Echtzeit denkbar. Mögliche Erleichterungen bei Implementierungen vergleichbarer Effekte durch OpenGL ES 3.0

Fazit DOF-Effekte lassen sich mit Real-Time Rendering Verfahren teilweise nur unter Inkaufnahme von schwerwiegenden Artefakten realisieren. Erweiterung durch dynamischen Weichzeichner ermöglicht jedoch bereits eine deutliche Reduzierung von Artefakten gegenüber der ursprünglichen Implementierung. Höchster Aufwand durch Texture-Lookups beim angewendeten Verfahren.Entwicklung von DOF Verfahren allgemein aufwändig.

Quellen Nutty Software WebGL Depth of Field Example (Nathaniel Meyer) GPU Gems Chapter 23. Depth of Field: A Survey of Techniques (Joe Demers) Gpu Gems 3 Chapter 28. Practical Post-Process Depth of Field (Earl Hammon, Jr.) Devmaster.net (Nathaniel Meyer) wikipedia.org (verschiedene Autoren)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!