Dodatek RWzory · takPoziom · głębiejEXT OF · R.32
Dodatek R / Głębiej

Rozmycie ruchu: kąt, czas, próbkowanie

Przeliczanie kąta migawki na czas, ile próbek potrzeba, żeby smuga nie była schodkowa, i dlaczego rozmycie w CG bywa zbyt czyste.

Co tu jest
Tabela · kąt na czas

Czasy otwarcia

t = (α / 360°) / F t — czas otwarcia w sekundach. α — kąt migawki. F — częstotliwość klatek. Wzór jest definicją kąta migawki, nie przybliżeniem.
Kąt24 kl./s25 kl./s30 kl./s48 kl./s60 kl./sΔ do 180°
360°1/241/251/301/481/60+1,00 dz
270°1/321/331/401/641/80+0,58 dz
180°1/481/501/601/961/1200
144°1/601/631/751/1201/150−0,32 dz
90°1/961/1001/1201/1921/240−1,00 dz
45°1/1921/2001/2401/3841/480−2,00 dz
22,5°1/3841/4001/4801/7681/960−3,00 dz

Ostatnia kolumna nie zależy od częstotliwości: różnica ekspozycji względem 180° to log₂(α/180). Połowienie kąta zawsze kosztuje dokładnie działkę.

Warto zauważyć rzecz, którą tabela pokazuje wprost, a która bywa myląca w praktyce: przejście z 24 na 48 klatek przy zachowaniu 180° kosztuje działkę. Podwojenie częstotliwości połowi czas otwarcia, więc materiał kręcony do zwolnienia potrzebuje albo otwartej przysłony, albo więcej światła — i jest to koszt fizyczny, nie do obejścia.

Rachunek · dwa wzory na smugę

Przedmiot i panorama

Prędkość obrazu na matrycy liczy się inaczej dla przedmiotu poruszającego się w scenie i dla kamery obracającej się w miejscu. Różnica jest istotna, bo pierwsza zależy od odległości, a druga nie.

Przedmiot poruszający się poprzecznie. Prędkość obrazu jest prędkością przedmiotu przemnożoną przez powiększenie, czyli przez stosunek ogniskowej do odległości:

vobr = V · f / s · (W / w) vobr — prędkość obrazu w px/s. V — prędkość przedmiotu w m/s. f, s — ogniskowa i odległość w tych samych jednostkach. W/w — przelicznik z milimetrów na piksele.

Panorama. Tu przedmiot stoi, a obraca się kamera. Prędkość obrazu zależy wyłącznie od prędkości kątowej i od ogniskowej — odległość nie występuje wcale, i dlatego panorama rozmywa jednakowo tło i pierwszy plan:

vobr = ω · (π/180) · f · (W / w) ω — prędkość kątowa w stopniach na sekundę. Reszta jak wyżej. Dla małych kątów przybliżenie liniowe wystarcza; przy szerokich obiektywach i dużych kątach dochodzi poprawka na tangens.
Rachunek · samochód przecinający kadr
DaneV = 15 m/s (54 km/h), f = 50 mm, s = 20 m, matryca 24,89 mm szeroka, kadr 4096 px
Powiększenief/s = 50/20000 = 0,0025
Prędkość na matrycy15 000 mm/s · 0,0025 = 37,5 mm/s
Na piksele37,5 · (4096/24,89) = 6172 px/s
Smuga przy 1/48 s6172 / 48 = 129 px
Smuga ma 129 px, czyli 3,1% szerokości kadru. Przeskok między klatkami: 6172/24 = 257 px.
Kontrola: smuga wynosi dokładnie połowę przeskoku, jak musi przy 180°. Zgadza się niezależnie od wszystkich pozostałych liczb — jest to najszybszy sposób sprawdzenia, czy rachunek nie ma pomyłki.
Strobing · dwie różne granice

Dopuszczalna prędkość panoramy

Krążą tu obok siebie dwie liczby i warto je rozdzielić, bo różnią się sześciokrotnie i opisują co innego.

Granica strobingu to punkt, w którym ruch przestaje być czytany jako ciągły. Leży tam, gdzie przeskok między klatkami przekracza mniej więcej jedną dwudziestą szerokości kadru — przy 4096 px około 205 px na klatkę, czyli przebiegnięcie całego kadru w 0,8 sekundy. Powyżej tego widać przeskoki niezależnie od rozmycia.

Granica komfortu jest znacznie niżej i pochodzi z praktyki zdjęciowej, nie z rachunku: kadr nie powinien przebiegać przez ekran szybciej niż w pięć do siedmiu sekund. To około 34 px na klatkę, czyli sześć razy mniej niż granica strobingu. Między jedną a drugą ruch jest coraz mniej przyjemny, ale wciąż ciągły.

OgniskowaKąt kadruω komfortu (5 s)ω strobingu (0,8 s)
18 mm69,3°13,9 °/s95,1 °/s
24 mm54,8°11,0 °/s71,3 °/s
35 mm39,1°7,8 °/s48,9 °/s
50 mm28,0°5,6 °/s34,2 °/s
85 mm16,7°3,3 °/s20,1 °/s
135 mm10,5°2,1 °/s12,7 °/s

Super 35, matryca 24,89 mm szeroka, kadr 4096 px, 24 kl./s, migawka 180°. Kolumna komfortu to kąt kadru podzielony przez pięć sekund; kolumna strobingu to prędkość dająca 205 px przeskoku na klatkę.

Tabela wyjaśnia obserwację, którą operatorzy znają z praktyki: im dłuższa ogniskowa, tym wolniej wolno panoramować. Nie jest to kwestia stabilności ani drgania — jest to ta sama liczba pikseli na klatkę, osiągana przy coraz mniejszym ruchu kamery. Setka wymaga panoramy około czterokrotnie wolniejszej niż dwudziestka czwórka, i próba zrobienia inaczej daje przeskoki, których nie usunie żadne rozmycie.

Dla compu ma to znaczenie odwrotne, niż się wydaje. Nie chodzi o to, żeby element nie strobował — chodzi o to, żeby strobował dokładnie tak samo jak plate. Ujęcie z panoramą powyżej granicy komfortu ma przeskoki w tle; element wstawiony z gładkim, gęsto próbkowanym rozmyciem będzie od tego tła płynniejszy, a płynniejszy znaczy w tym kontekście: obcy.

Render · ile próbek

Kiedy smuga rozpada się na kopie

Silnik przybliża całkę po czasie skończoną sumą. Jeśli kolejne próbki dzieli więcej niż piksel, przedmiot pojawia się w smudze jako ciąg oddzielnych kopii. Warunek jest więc prosty:

n ≥ s / Δ n — liczba próbek. s — długość smugi w px. Δ — dopuszczalny odstęp; dla ostrych krawędzi Δ = 1 px, dla przedmiotów już nieostrych wystarcza 2–3 px.
SmugaKrawędź ostra (Δ=1)Lekko nieostra (Δ=2)Wyraźnie nieostra (Δ=4)
16 px1684
64 px643216
129 px1296533
256 px25612864

Liczba próbek czasowych. Wiersz 129 px odpowiada rachunkowi samochodu z sekcji wyżej.

Dwie rzeczy warto z tego wyciągnąć. Po pierwsze, przedmiot już nieostry potrzebuje kilkakrotnie mniej próbek, bo jego własne rozmycie zaciera odstępy — dlatego tło w głębi rzadko wymaga wysokich ustawień, a szybki przedmiot na pierwszym planie zawsze. Po drugie, koszt rośnie liniowo z długością smugi, czyli z kątem migawki; ujęcie kręcone na 360° kosztuje dwa razy więcej próbek niż to samo na 180°.

Rolling shutter · pomiar z kadru

Odczytanie czasu odczytu

Czas odczytu matrycy rzadko bywa podawany, ale da się go zmierzyć z dowolnego ujęcia, w którym pion się skosił. Potrzebne są dwie liczby: pochylenie krawędzi i prędkość obrazu.

Jeśli obraz przesuwa się poziomo z prędkością v px/s, a pionowa krawędź w kadrze o wysokości H pikseli pochyliła się o Δx pikseli od góry do dołu, to czas odczytu wynosi:

todcz = Δx / v todcz — czas odczytu całego kadru. Wzór zakłada, że skos zmierzono na całej wysokości H; przy pomiarze na fragmencie należy wynik przeskalować.
Rachunek · pomiar z panoramy
Danepanorama 8 °/s, f = 35 mm, S35, kadr 4096×2160, słup pochylony o 96 px
Prędkość obrazu8 · (π/180) · 35 · (4096/24,89) = 804 px/s
Czas odczytu96 / 804 = 0,119 s
Odczyt całej matrycy trwa 119 ms, czyli blisko trzy klatki przy 24 kl./s. Jest to wartość typowa dla taniej elektroniki; kamery kinowe schodzą poniżej 10 ms.
Kontrola: przy tym czasie odczytu i tej panoramie każde 10 ms opóźnienia daje 8 px przesunięcia. Dolna linia kadru fotografuje o 119 ms później niż górna — i o dokładnie tyle pikseli dalej.

Do compu wystarcza z tego jedna liczba: skos wyrażony jako przesunięcie na całą wysokość kadru. Element wstawiany w takie ujęcie dostaje ścinanie proporcjonalne do pozycji w pionie, o tej samej wartości. Jeśli w plate'cie zmienia się prędkość panoramy, zmienia się też skos — i wtedy jest to krzywa, a nie stała.

Warto sprawdzić jedną rzecz przed rekonstrukcją: czy materiał nie został już skorygowany w kamerze albo przy wywołaniu. Korekcja rolling shuttera prostuje skos, ale zostawia ślad — brzegi kadru bywają wtedy lekko rozciągnięte albo obcięte, a ruch pionowy w kadrze przestaje być liniowy. Jeśli plate jest już wyprostowany, element ma być prosty i żadnego ścinania nie potrzebuje.