Эффект размытия в движении: артефакт фотографии и симуляция в играх.

Введение

Фотографический артефакт при съемке движущихся объектов

Размытие в движении — это видимое растягивание движущихся объектов на фотографии или последовательности кадров, например, в кинофильме или анимации. Оно возникает, когда изображение изменяется во время экспозиции из-за быстрого движения или длительной выдержки.

Фотография

Когда камера создает изображение, это изображение не отражает единичный момент времени. Из-за технологических ограничений или художественных целей изображение может представлять сцену в течение определенного промежутка времени. Чаще всего время экспозиции достаточно короткое, чтобы захваченное камерой изображение казалось снимком мгновения, но это не всегда так: быстро движущийся объект или более длительная экспозиция могут привести к появлению эффекта размытия, делающего это очевидным. Поскольку объекты в сцене перемещаются, изображение этой сцены должно представлять собой интеграцию всех их положений, а также точки зрения камеры, за период экспозиции, определяемый выдержкой. На таком изображении любой объект, движущийся относительно камеры, будет выглядеть размытым или смазанным по направлению относительного движения. Это смазывание может возникать как на движущемся объекте, так и на статичном фоне, если движется камера. В кино или на телевидении это выглядит естественно, поскольку человеческий глаз работает аналогичным образом. Поскольку эффект вызван относительным движением между камерой, объектами и сценой, размытие в движении можно контролировать, плавно перемещая камеру вслед за движущимися объектами. В этом случае даже при длительной выдержке движущиеся объекты будут выглядеть более четкими, а фон – более размытым, и полученное изображение будет передавать ощущение движения и скорости.

Анимация

В компьютерной анимации этот эффект необходимо имитировать, поскольку виртуальная камера фактически фиксирует дискретный момент времени. Это моделируемое размытие движения обычно применяется, когда камера или объекты в сцене движутся быстро. Без этого имитируемого эффекта каждый кадр отображает идеальный момент времени (аналогично камере с бесконечно быстрой выдержкой), без какого-либо размытия движения. Именно поэтому видеоигра с частотой кадров 25-30 кадров в секунду будет казаться прерывистой, в то время как естественное движение, снятое с той же частотой кадров, выглядит более плавным. Многие современные видеоигры используют размытие движения, особенно симуляторы транспортных средств. Среди известных игр, использующих эту технологию, можно выделить последние части Need for Speed, Unreal Tournament III, The Legend of Zelda: Majora's Mask и многие другие. Существует два основных метода, используемых в видеоиграх для достижения эффекта размытия движения: более дешевые эффекты для всего экрана, которые обычно учитывают только движение камеры (а иногда и скорость движения камеры в 3D-пространстве для создания радиального размытия), и более "селективное" или "размытие движения для каждого объекта", которое обычно использует шейдер для создания буфера скорости, отмечающего интенсивность движения для применения эффекта размытия, или использует шейдер для выполнения экструзии геометрии. Классические эффекты "размытия движения", предшествовавшие современным конвейерам затенения по пикселям, часто просто накладывали последовательные кадры друг на друга с небольшой прозрачностью, что, строго говоря, является формой видеообратной связи. В предварительно отрендеренной компьютерной анимации, такой как CGI-фильмы, реалистичное размытие движения можно отрисовать, поскольку у рендерера есть больше времени для отрисовки каждого кадра. Временное сглаживание (anti-aliasing) создает кадры как композицию множества моментов времени. Кадр – это не точка во времени, а период времени. Если объект совершает путешествие с постоянной скоростью по пути от 0% до 100% за четыре периода времени, и если эти периоды времени рассматриваются как кадры, то объект будет отображать полосы размытия движения в каждом кадре, составляющие 25% длины пути. Если выдержка сокращается до значения, меньшего, чем продолжительность кадра, и может быть сокращена настолько, чтобы приблизиться к нулевой продолжительности, то компьютерный аниматор должен выбрать, какую часть четвертей пути (в нашем примере из 4 кадров) он хочет отобразить как время "открытой выдержки". Он может выбрать отрисовку начала каждого кадра, в этом случае он никогда не увидит прибытие объекта в конец пути, или он может выбрать отрисовку конца каждого кадра, в этом случае он пропустит начальную точку путешествия. Большинство систем компьютерной анимации допускают классическую "ошибку забора" в обработке времени, путая периоды времени анимации с мгновенными моментами, которые их ограничивают. Таким образом, большинство систем компьютерной анимации будут неправильно размещать объект на четырехкадровом пути на 0%, 0,33%, 0,66% и 1,0%, и при запросе на отрисовку размытия движения придется либо укорачивать один или несколько кадров, либо выходить за границы анимации – компромиссы, на которые не идут реальные и синтетические камеры. Линии движения в покадровой анимации рисуются в том же направлении, что и размытие движения, и выполняют примерно ту же функцию. Go motion – это вариант покадровой анимации, при котором модели перемещаются во время экспозиции для создания менее прерывистого эффекта.

In computer animation this effect must be simulated as a virtual camera actually does capture a discrete moment in time. This simulated motion blur is typically applied when either the camera or objects in the scene move rapidly. Without this simulated effect each frame shows a perfect instant in time (analogous to a camera with an infinitely fast shutter), with zero motion blur. This is why a video game with a frame rate of 25 30 frames per second will seem staggered, while natural motion filmed at the same frame rate appears rather more continuous. Many modern video games feature motion blur, especially vehicle simulation games. Some of the better known games that utilise this are the recent Need for Speed titles, Unreal Tournament III, The Legend of Zelda: Majora's Mask, among many others. There are two main methods used in video games to achieve motion blur: cheaper full screen effects, which typically only take camera movement (and sometimes how fast the camera is moving in 3 D Space to create a radial blur) into mind, and more "selective" or "per object" motion blur, which typically uses a shader to create a velocity buffer to mark motion intensity for a motion blurring effect to be applied to or uses a shader to perform geometry extrusion. Classic "motion blur" effects prior to modern per pixel shading pipelines often simply drew successive frames on top of each other with slight transparency, which is strictly speaking a form of video feedback. In pre rendered computer animation, such as CGI movies, realistic motion blur can be drawn because the renderer has more time to draw each frame. Temporal anti aliasing produces frames as a composite of many instants. Frames are not points in time, they are periods of time. If an object makes a trip at a linear speed along a path from 0% to 100% in four time periods, and if those time periods are considered frames, then the object would exhibit motion blur streaks in each frame that are 25% of the path length. If the shutter speed is shortened to less than the duration of a frame, and it may be so shortened as to approach zero time in duration, then the computer animator must choose which portion of the quarter paths (in our 4 frame example) they wish to feature as "open shutter" times. They may choose to render the beginnings of each frame, in which case they will never see the arrival of the object at the end of the path, or they may choose to render the ends of each frame, in which case they will miss the starting point of the trip. Most computer animations systems make the classic "fence post error" in the way they handle time, confusing the periods of time of an animation with the instantaneous moments that delimit them. Thus most computer animation systems will incorrectly place an object on a four frame trip along a path at 0%, 0.33%, 0.66%, and 1.0% and when called upon to render motion blur will have to cut one or more frames short, or look beyond the boundaries of the animation, compromises that real cameras don't do and synthetic cameras needn't do. Motion lines in cel animation are drawn in the same direction as motion blur and perform much the same duty. Go motion is a variant of stop motion animation that moves the models during the exposure to create a less staggered effect.

Компьютерная графика

В 2D компьютерной графике размытие в движении — это художественный фильтр, преобразующий цифровое изображение, растровое изображение или битмап для имитации этого эффекта. Многие графические программы (например, Adobe Photoshop или GIMP) предлагают простые фильтры размытия в движении. Однако для продвинутой фильтрации размытия в движении, включая работу с кривыми или неравномерной регулировкой скорости, требуются специализированные программные продукты (например, VirtualRig Studio).

Биология

Когда глаз животного находится в движении, изображение страдает от размытости из-за движения, что приводит к неспособности различать детали. Чтобы компенсировать это, люди обычно чередуют саккады (быстрые движения глаз) и фиксацию (удержание взгляда на одной точке). Саккадное маскирование делает размытость, возникающую во время саккады, невидимой. Аналогично, плавное слежение позволяет глазу отслеживать движущийся объект, устраняя размытость именно этого объекта, а не всей сцены.

Телевидение

В телевизионных спортивных трансляциях, где обычные камеры снимают 25 или 30 кадров в секунду, размытие в движении может быть нежелательным, поскольку оно скрывает точное положение снаряда или спортсмена при просмотре в замедленной съемке. Поэтому часто используются специальные камеры, устраняющие размытие, делая короткие экспозиции порядка 1 миллисекунды, а затем передавая их в течение следующих 30–40 миллисекунд. Хотя это обеспечивает более четкие повторы в замедленной съемке, при нормальной скорости просмотра это может выглядеть неестественно, так как глаз ожидает видеть размытие, а изображения остаются четкими. С другой стороны, нежелательное размытие может возникать на дисплеях. Это происходит с некоторыми видеодисплеями (особенно ЖК), которые демонстрируют размытие при быстром движении. Это может приводить к усилению воспринимаемого размытия, сверх того, что уже присутствует в видеоматериале. См. статью "Размытие движения на дисплеях". Иногда размытие можно убрать с изображений с помощью деконволюции.

Видеоигры

В видеоиграх использование размытия движения — вопрос довольно спорный. Некоторые игроки считают, что размытие ухудшает игру, поскольку оно смазывает изображение, усложняя распознавание объектов (особенно в динамичных сценах). Эта проблема становится более заметной и серьезной при снижении частоты кадров. Улучшение визуального качества современных шейдеров размытия движения в постобработке, а также общая тенденция к увеличению частоты кадров, снизили негативное влияние эффектов размытия движения, вызванного недостаточной дискретизацией.

Картографирование/управление географией с воздуха

Во время аэрофотосъемки используется самолет или беспилотник для получения изображений земной поверхности в полете. Если скорость полета слишком велика или выдержка слишком длинная, это может привести к смазыванию изображения из-за движения. Смазывание изображения снижает качество снимков и негативно сказывается на картографических продуктах. Чтобы избежать смазывания изображения, необходимо регулировать высоту полета, скорость полета или выдержку.