Bewegungsunschärfe: Erkundung der Dynamik von Computer Vision: Bewegungsunschärfe enthüllt

Von Fouad Sabry

Was ist Bewegungsunschärfe

Bewegungsunschärfe ist die scheinbare Streifenbildung sich bewegender Objekte in einem Foto oder einer Bildfolge, beispielsweise einem Film oder einer Animation. Dies entsteht, wenn sich das aufgenommene Bild während der Aufnahme einer Einzelaufnahme durch schnelle Bewegung oder Langzeitbelichtung verändert.

Ihr Nutzen

( I) Erkenntnisse und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Bewegungsunschärfe

Kapitel 2: Bildrate

Kapitel 3: Verschlusszeit

Kapitel 4: Bullet Time

Kapitel 5: Go-Motion

Kapitel 6: Match-Moving

Kapitel 7: Hochgeschwindigkeitsfotografie

Kapitel 8: Bildstabilisierung

Kapitel 9: Bewegungsunschärfe anzeigen

Kapitel 10: Rolling Shutter

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zu Bewegungsunschärfe.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung von Bewegungsunschärfe in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch gedacht ist

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über grundlegende Kenntnisse oder Informationen für jede Art von Bewegungsunschärfe hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 4. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Bewegungsunschärfe

Bewegungsunschärfe ist das offensichtliche Streifen von sich bewegenden Objekten in einem Foto, Video oder einer Animation. Es tritt auf, wenn sich das aufgenommene Bild während einer Einzelbelichtung aufgrund schneller Bewegungen oder längerer Belichtung verschiebt.

Wenn eine Kamera ein Bild aufnimmt, erfasst sie keinen einzigen Augenblick. Aufgrund technologischer Einschränkungen oder kreativer Überlegungen kann das Bild die Szene im Laufe der Zeit darstellen. Diese Belichtungszeit ist in der Regel kurz genug, dass das von der Kamera aufgenommene Bild einen unmittelbaren Moment einzufangen scheint. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, und ein sich schnell bewegendes Objekt oder eine längere Belichtungszeit können zu unscharfen Artefakten führen, die dies deutlich machen. Wenn sich Objekte in einem Bild bewegen, muss ein Bild dieser Szene eine Integration aller Positionen dieser Objekte sowie des Blickwinkels der Kamera während der durch die Verschlusszeit bestimmten Belichtungszeit darstellen. Jedes Objekt, das sich relativ zur Kamera bewegt, erscheint in einem solchen Bild verschwommen oder entlang der Relativbewegungsrichtung verschmiert. Dieses Verschmieren kann auf einem sich bewegenden Objekt oder einem stationären Hintergrund auftreten, wenn sich die Kamera bewegt. Auf einem Film- oder Fernsehbildschirm wirkt dies natürlich, weil sich das menschliche Auge ähnlich verhält.

Da der Effekt durch die Relativbewegung der Kamera, der Objekte und der Szene erzeugt wird, ist es möglich, die Bewegungsunschärfe zu steuern, indem die Kamera geschwenkt wird, um den sich bewegenden Objekten zu folgen. In diesem Fall erscheinen bewegte Objekte selbst bei längeren Belichtungszeiten schärfer, während der Hintergrund unscharf ist, was zu einem Bild führt, das ein Gefühl von Bewegung und Geschwindigkeit vermittelt.

Dieser Effekt muss in der Computeranimation repliziert werden, da eine virtuelle Kamera einen diskreten Zeitpunkt erfasst. In der Regel wird diese simulierte Bewegungsunschärfe angewendet, wenn sich die Kamera oder Objekte im Bild schnell bewegen.

Ohne diesen simulierten Effekt würde jedes Bild einen perfekten Moment darstellen (ähnlich wie bei einer Kamera mit einer endlos kurzen Verschlusszeit), ohne Bewegungsunschärfe. Aus diesem Grund kann ein Videospiel mit einer Bildrate von 25 bis 30 Bildern pro Sekunde ruckelig erscheinen, während natürliche Bewegungsaufnahmen mit der gleichen Bildrate kontinuierlicher erscheinen. Viele moderne Videospiele, insbesondere Autosimulationen, enthalten Bewegungsunschärfe.

Die aktuellsten Need for Speed-Spiele, Unreal Tournament III und The Legend of Zelda: Majora's Mask und viele andere, nutzen diese Technologie. Es gibt zwei Hauptmethoden, die in Videospielen verwendet werden, um Bewegungsunschärfe zu erreichen: billigere Vollbildeffekte, die in der Regel nur die Kamerabewegung berücksichtigen (und manchmal auch, wie schnell sich die Kamera im 3D-Raum bewegt, um eine radiale Unschärfe zu erzeugen), und selektivere oder pro Objekt Bewegungsunschärfe, bei der in der Regel ein Shader verwendet wird, um einen Geschwindigkeitspuffer zu erstellen, um die Bewegungsintensität für einen Unschärfeeffekt zu markieren, auf den angewendet werden soll.  oder einen Shader zum Ausführen der Geometrieextrusion. Vor den heutigen Pro-Pixel-Shading-Pipelines bestanden klassische Bewegungsunschärfe-Effekte häufig darin, aufeinanderfolgende Bilder mit wenig Transparenz übereinander zu zeichnen, was technisch gesehen Video-Feedback ist.

Da der Renderer mehr Zeit hat, um jedes Bild in vorgerenderten Computeranimationen, wie z. B. CGI-Filmen, zu erstellen, kann realistische Bewegungsunschärfe gezeichnet werden. Temporales Anti-Aliasing erzeugt Frames, die aus mehreren Momenten bestehen. Frames sind keine diskreten Momente, sondern Zeitintervalle. Wenn sich ein Objekt in vier Zeiträumen mit linearer Geschwindigkeit einen Pfad von 0 Prozent bis 100 Prozent entlang bewegt und diese Zeiträume als Frames betrachtet werden, weist das Objekt Bewegungsunschärfestreifen auf, die 25 Prozent der Pfadlänge in jedem Frame ausmachen. Wenn die Verschlusszeit auf weniger als die Periode eines Frames verkürzt wird und es möglich ist, dass sich die Dauer der Zeit Null nähert, muss der Computeranimator auswählen, welchen Teil der Viertelpfade (in unserem 4-Frame-Beispiel) er als Open Shutter-Momente anzeigen möchte. Sie können die Anfänge jedes Frames rendern, in diesem Fall werden sie das Objekt nie am Ende der Straße ankommen sehen, oder sie können die Enden jedes Frames rendern, in welchem Fall sie nie den Beginn der Reise sehen werden. Die meisten Computeranimationssysteme machen den traditionellen Zaunpfahlfehler in ihrem Umgang mit der Zeit, indem sie die zeitlichen Perioden einer Animation mit den momentanen Momenten verschmelzen, die sie trennen. Daher platzieren die meisten Computeranimationssysteme ein Objekt fälschlicherweise auf einer Reise mit vier Bildern entlang eines Pfades bei 0 Prozent, 0,33 Prozent, 0,66 Prozent und 1 Prozent, und wenn sie aufgefordert werden, Bewegungsunschärfe zu rendern, müssen sie ein oder mehrere Frames kürzen oder über die Grenzen der Animation hinausblicken – Kompromisse, die echte Kameras nicht machen und die synthetische Kameras nicht machen müssen.

In der Cel-Animation werden Bewegungslinien in die gleiche Richtung wie Bewegungsunschärfe gezeichnet und erfüllen einen ähnlichen Zweck. Go Motion ist eine Art Stop-Motion-Animation, bei der die Modelle während der Belichtung bewegt werden, um einen weniger ruckartigen Eindruck zu erzeugen.

Bewegungsunschärfe ist ein ästhetischer Filter, der das digitale Bild/Rasterbild verändert, um den Effekt in 2D-Computergrafiken zu imitieren. Zahlreiche grafische Programme (z. B. Adobe Photoshop und GIMP) verfügen über einfache Bewegungsunschärfefilter. Erweiterte Bewegungsunschärfefilterung, einschließlich Kurven und ungleichmäßiger Geschwindigkeitsanpassung, erfordert eine spezielle Software (z. B. VirtualRig Studio).

Wenn sich das Auge eines Tieres bewegt, wird das Bild unscharf und verhindert die Auflösung feiner Details. Menschen wechseln oft zwischen Sakkaden (schnelle Augenbewegungen) und Fixierung, um damit umzugehen (Fokussierung auf einen einzigen Punkt). Die Sakkadenmaskierung kaschiert Bewegungsunschärfen während einer Sakkade. In ähnlicher Weise ermöglicht die sanfte Verfolgung dem Auge, ein Ziel in schneller Bewegung zu verfolgen, wodurch Bewegungsunschärfe vom Ziel und nicht von der Szene entfernt wird.

Bei Sportübertragungen, bei denen typische Kameras Bilder 25 oder 30 Mal pro Sekunde belichten, kann Bewegungsunschärfe problematisch sein, da sie die genaue Position eines Projektils oder eines Athleten in Zeitlupe verschleiert. Daher werden häufig Spezialkameras eingesetzt, um Bewegungsunschärfe zu reduzieren, indem schnelle Belichtungen in der Größenordnung von 1 Millisekunde aufgenommen und dann über die nächsten 30 bis 40 Millisekunden übertragen werden. Obwohl dies zu klareren Zeitlupenwiederholungen führt, kann es bei normaler Geschwindigkeit zu Erschütterungen kommen, da das Auge aufgrund der Bewegung verschwommene Bilder erwartet, diese aber nicht erhält.

Im Gegensatz dazu kann unbeabsichtigte zusätzliche Bewegungsunschärfe auf Monitoren unvermeidlich auftreten. Einige Videobildschirme (insbesondere LCD) weisen bei schnellen Bewegungen