Depth of Field

Ein Fachvortrag von:

Max Goltzsche und Igor Marijanovic

Real-Time Rendering Beuth Hochschule für Technik SoSe 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.

QuellenNutty Software WebGL Depth of Field Example (Nathaniel Meyer)http://www.nutty.ca/webgl/dof/

GPU Gems Chapter 23. Depth of Field: A Survey of Techniques (Joe Demers)http://http.developer.nvidia.com/GPUGems/gpugems_ch23.html

Gpu Gems 3 Chapter 28. Practical Post-Process Depth of Field (Earl Hammon, Jr.) http://http.developer.nvidia.com/GPUGems3/gpugems3_ch28.html

Devmaster.net (Nathaniel Meyer)http://devmaster.net/posts/shader-effects-depth-of-field

wikipedia.org (verschiedene Autoren)http://en.wikipedia.org/wiki/Depth_of_field

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!