schärfentiefe in der computervisualisierung · maxon cinema 4d r16.027 student (kompletter...

28
Schärfentiefe in der Computervisualisierung Praxisanwendung und Vergleich unterschiedlicher Wege zur Realisierung eines Schärfentiefeeffektes in gängigen 3D-Programmen. Professur: Betreuer: Eingereicht von: Matrikel-Nr: Prof. Dipl.-Ing. Jörg Joppien Dipl.-Ing. Knuth Pietsch Gregor Roloff Hochschulstraße 48 01069 Dresden 3867606 Seminararbeit an der Technischen Universität Dresden Fakultät Architektur Professur Grundlagen des Entwerfens

Upload: others

Post on 27-Jul-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

Schärfentiefe in der ComputervisualisierungPraxisanwendung und Vergleich unterschiedlicher Wege zur Realisierung eines Schärfentiefeeffektes in gängigen

3D-Programmen.

Professur:

Betreuer:

Eingereicht von:

Matrikel-Nr:

Prof. Dipl.-Ing. Jörg Joppien

Dipl.-Ing. Knuth Pietsch

Gregor RoloffHochschulstraße 4801069 Dresden

3867606

Seminararbeit

an der

Technischen Universität Dresden

Fakultät Architektur

Professur Grundlagen des Entwerfens

Page 2: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

Vorwort

Das Ziel von Architekturvisualisierungen ist in der Regel die Vermittlung einen Eindrucks von etwas zu diesem Zeitpunkt nicht Existenten. Von bis dahin nur fiktiv existierenden Gebäuden Räumen oder Orten, die Verdeutlichung von Raumeindrücken und Atmosphären. Dabei ist es egal, ob es sich um eine frühe Kon-zeptskizze handelt oder um ein fotorealistisches Rendering auf einem Wettbewerbsplakat, immer muss es dem Zielpublikum je nach seiner Architektonischen Expertise möglich sein das gezeigte zu begreifen und daraus eine Vorstellung des beworbenen Endprodukts zu entwickeln. Je laienhafter der Betrachter, desto realitätsnäher und glaubhafter sollte dabei die Visualisierung sein. So mag erfahrenen Architekten eine in wenigen Sekunden erzeugte Strichzeichnung genügen um einen Raum zu verstehen, ein architektonisch unerfahrener Investor braucht möglicherweise ein hoch realistisches Panoramabild um von einer Idee über-zeugt werden zu können. Daher kann (leider) schon allein die Qualität einer Visualisierung über Sieg oder Niederlage bei einem Wettbewerb entscheiden, was auch bei Projekten mit noch so guten Konzepten eine ansprechende Darstellung erforderlich macht.Mit Hilfe der modernen Computertechnik ist es heute keine große Schwierigkeit mehr, auch ohne viel künstlerische Fähigkeiten, glaubhafte bis praktisch von einer Fotografie nicht mehr unterscheidbare Visualisierungen zu erstellen. Wichtig dabei ist es, die Art und Weise der visuellen Wahrnehmung des Menschen zu kennen und diese so gut wie möglich in einem Bild zu imitieren. Dazu zählt z.B. die Wahrnehmung von Perspektive, Lichteinwirkung auf unterschiedliche Materialien und Bereiche von Schärfe und Unschärfe.

Wie man leicht aus der eigenen Erfahrung feststellen kann, ist unser Auge nur in der Lage einen bestimmten Entfernungsbereich gleichzeitig als scharf abbilden. Die Größe die-ses Bereiches bezeichnet man als Schärfentiefe. In der digitalen Bilderzeugung ist es nun erstrebenswert diese Eigenschaft nachzuahmen um einen höheren Grad an Realismus zu erhalten. Dabei spielt vor allem der Eindruck von Räumlicher Tiefe eine große Rolle. Der Gezielte Einsatz von Schärfe und Unschärfen kann auch genutzt werden um bestimmte Objekte in einer Szene gegenüber anderen stärker zu betonen oder herauszustellen oder, mit einem eher künstlerischen Ansatz, die Wahrnehmung von Größenverhältnissen zu beeinflussen (z.b. mit einem so genanten Miniatureffekt)Im Folgenden soll die Entstehung des Schärfentiefeeffekts in einer Kamera kurz erläutert werden, und mit Hilfe unterschiedlicher Computerprogramme, mehrere Herangehens-weisen an die digitale Nachbildung dieses Effektes aufgezeigt und bezüglich Aufwand und Kosten verglichen werden. Natürlich würde es den Rahmen dieser Arbeit sprengen alle Rendering-Programme und ihre Funktionen zum Erzeugen von Schärfentiefeeffekten zu betrachten. Daher soll hier der Vergleich zwischen der Arbeit mit kommerziellen und mit Open-Source-Programmen angestellt werden.

Abb. 01 Macroaufnahme mit sehr kurzem Schärfebereich.

Page 3: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

1. Schärfentiefe 1.1 Was ist Schärfentiefe? 1.2 Bokeh 1.3 Schärfentiefe in der digitalen Bilderzeugung 1.4 Schärfentiefe in Animationen2. Voraussetzungen 2.1 Softwarevoraussetzungen 2.2 Verwendete Hardware

3. Praxisanwendung 3.1 Arbeiten in Cinema 4D und Photoshop 3.1.1 Schärfentiefe im Standard Renderer 3.1.2 Schärfentiefe im Physikalischen Renderer 3.1.3 Ausgabe einer Tiefenmap und Nachbearbeitung in Photoshop 3.2 Arbeiten in Blender und Gimp 3.2.1 Schärfentiefe über das Defocus Node 3.2.2 Ausgabe einer Tiefenmap und Nachbearbeitung in Gimp 3.3 Arbeiten im CineRenderer von Archicad 3.3.1 Schärfentiefe im Standard Renderer 3.3.2 Schärfentiefe im Physikalischen Renderer 3.4 Vectorworks und Renderworks4. Auswertung 4.1 Probleme und Limitationen 4.2 Vergleich Ergebnis 4.3 Vergleich Benutzerfreundlichkeit 4.4 Vergleich Kosten5. Fazit

Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Page 4: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

1. Schärfentiefe

1.1 Was ist Schärfentiefe?

Schärfentiefe ist ein Begriff aus der Film- und Fototechnik, der die Ausdehnung des Schärfebereichs in einem aufgenommenen Bild beschreibt. Die Linse einer Kamera ist nur in der Lage eine Entfernungsebene gleichzeitig scharf abzubilden d.h. zu fokussieren. Diese Ebene nennt sich Fokusebene. Alle Bereiche davor oder dahinter sind zu einem gewissen Grade unscharf. Die Unschärfe nimmt graduell in beide Richtungen zu.Unschärfe entsteht, wenn die von der Linse gebündelten Lichtstrahlen, die ein bestimmter Punkt ausgesandt hat, sich nicht auf der Projektionsebene (Film bzw. Sensor) treffen, sondern ihr Kreuzungspunkt davor oder dahinter liegt. Es entstehen sogenannte Zerstreuungskreise auf der Projektionsfläche, deren Größe den Grad der Unschärfe bestimmen. Die Größe der Zerstreuungskreise, und damit die Stärke der Unschärfe, hängt von der Beschaffenheit der Linse, der Entfernung des betrachteten Punktes von der Kamera und von der Öffnungsweite der Blende ab.

Obwohl genaugenommen nur eine Ebene absolut scharf abgebildet werden kann scheint es, als hätte der scharfe Bereich eine gewisse Längenausdehnung. Diese

Abb. 02 Schema zur Entstehung von Schärfe- und Unschärebereichen in Abhängigkeit von der Entfernung.

Page 5: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

Schärfentiefe kommt daher, dass es einen Toleranzbereich in unserer Wahrnehmung gibt, in dem die Größe der Zerstreuungskreise gering genug ist, um die entsprechende Entfernungsebene noch als scharf wahrzunehmen. Die Tiefe des Schärfebereichs wird vor allem durch die Öffnungsweite der Blende bestimmt. Je weiter die Blende geöffnet ist, desto größer ist der Winkel zwischen den einfallenden Lichtstrahlen und desto kürzer ist der Bereich in dem die Zerstreuungskrei-se noch klein genug für die Erzeugung eines Eindrucks von Schärfe sind. Eine kleine Blende sorgt für Lichteinfall in einem sehr engen Winkel und zieht dadurch die Schärfentiefe in die Länge. Ein größerer Bereich erscheint scharf.

Abb. 03 Schematische Darstellung des Einflusses der Blendenweite auf die Tiefe der Schärfe.

Page 6: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

1.2 Bokeh

Bokeh ist ein, ursprünglich aus dem Japanischen stammender, Fotografischer Fachbegriff, der die ästhetische Qualität von Unschärfebereichen in Fotos Be-schreibt. Das Aussehen der unscharfen Bereiche wird bestimmt durch die Beschaffenheit des Objektives und den davon abhängigen Charakter der Unschärfe-kreise. Diese können zum Beispiel ring- statt kreisförmig wirken, scharfe oder weiche Ränder haben und natürlich, je nach Stärke der Unschärfe, in ihrer Größe variieren. Auch ist es möglich, dass Unschärfekreise nicht unbedingt eine runde Form, sondern zum Beispiel eine sechs- oder achteckige Form besitzen. Mit vorgesetzten Filtern ist es sogar möglich beliebige Freiformen zu verwenden, womit das Bokeh eine weitere künstlerische Qualität bekommen kann. Besonders deutlich zeichnen dabei im Unschärfebereich liegende Lichtquellen in der entsprechenden Linsenform ab. Teilweise wird versucht Objektive gezielt für ein an-sprechendes Bokeh zu optimieren, letztendlich ist die Schönheit des Bokeh aber ein sehr subjektives Kriterium, das sich technisch nicht klar definieren Lässt.Wenn es darum geht am Computer realistische Renderings zu erzeugen, spielt das Bokeh natürlich auch eine Rolle um ein ästhetisch ansprechendes Bild zu erhalten. Gute Programme bieten dabei die Möglichkeit zwischen unterschiedlichen Linsenformen zu wählen und die Linseneigenschaften frei einzustellen.

Abb. 04 Schärfentiefe bei verschiedenen Blendenweiten: links - f/2.8, mitte - f/7.1, rechts - f/22. Größere Blendenzahl = geringere Blendenweite = größere Schärfetiefe.

Page 7: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

Abb. 05 Szene gerendert mit dem Physikalischen Renderer von Cinema 4D unter Anwendung des Schärfentiefeeffektes.

Page 8: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

1.3 Schärfentiefe in der digitalen Bilderzeugung

Bei der Generierung digitaler Bilder, die einen gewissen Grad an Realismus aufweisen sollen, ist es unablässig Schärfe- und Unschärfebereichen zu simulieren. 3D-Renderingprogramme stellen eine Szene grundsätzlich zunächst mit unendlichem Fokus, das heißt von vorne bis hinten absolut scharf da. Um Unschär-fen in das Bild zu integrieren gibt es zwei grundsätzliche Herangehensweisen. Zum einen können Unschärfen erzeugt werden, indem sie beim Rendern, durch Nachahmung des physikalischen Verhaltens von Lichtstrahlen, in das ausgegebene Bild eingerechnet werden. Dabei werden einzelne Bildpunkte mehrfach abge-tastet, um aus den daraus ermittelten Werten einen Farbwert zu ermitteln. Dies wir auch als „Sampling“ bezeichnet. Oder es werden durch Nachbearbeitung des zunächst komplett scharf gerenderten Bildes, als so genannter „Post-Effekt“, unter Zuhilfenahme von Tiefeninformationen des in der Szene dargestellten dreidi-mensionalen Raumes, Unschärfebereiche erzeugt. Dies kann direkt als weiterer Schritt des Rendervorgangs, in Form von Compositing oder als nachträglicher Arbeitsschritt in einem externen Bildbearbeitungsprogramm, mit Hilfe einer Tiefenmap, erfolgen.Bei der Entscheidung für einen der Wege, einen Schärfentiefeeffekt in seine Renderings zu integrieren, muss der Nutzer Aufwand und Nutzen gegeneinander aufwiegen. Die Verwendung physikalisch korrekt berechnender Renderer kann zu extrem realistischen Darstellungen führen, benötigt aber unter Umständen sehr viel Rechenzeit. Auch ist die Kontrolle des Ergebnisses oft nur durch eine Vielzahl von Test-Renderings möglich, welche wiederum Zeit und Rechenleistung kosten. Schärfentiefe in der Nachbearbeitung, insbesondere über Bildbearbeitungsprogramme bieten hingegen eine große Flexibilität, was Art und Stärke des Effektes angeht, bergen aber Nachteile in Sachen Realismus und Qualität des Effektes.

1.4 Schärfentiefe in Animationen

In der Architekturvisualisierung erfreuen sich kleine Animationen zunehmender Beliebtheit, da bewegte Bilder, meist in Form von Kamerafahrten, weitaus leichter einen Raumeindruck vermitteln können als dies Einzelbilder vermögen. Ganz klar kann auch dabei ein möglichst realistisches simulieren einer Film-kamera zu der Illusion von realem Raum beitragen. In Animationen kann Schärfentiefe, vielleicht mehr noch als in stehenden Bildern, genutzt werden, um den Blick des Betrachters zu leiten. Zum Beispiel kann anstatt einer Kamerabewegung allein die Veränderung des Kamerfokus zu einer gewissen Räumlichkeit beitragen und Bewegung in die Szene bringen.Das große Problem von Schärfentiefe in Animationen ist die benötigte Rechenzeit. Bei hohen Auflösungen, vielen Materialien und Effekten, kann schon das rendern einzelner Bilder mit Unschärfen einige Zeit in Anspruch nehmen. Bei einer Animation vervielfacht sich nun diese Zeit, da die Unschärfen, genau wie alle anderen Effekte für jedes Bild einzeln berechnet werden müssen und das bei mindestens 24 Bildern pro Sekunde. Dies kann schon bei kurzen Szenen, je nach verfügbarer Rechenleistung, Stunden oder gar Tage dauern, womit viele Testrenderings zum genauen Einstellen der Effektstärken sehr ungünstig sind. Daher bietet es sich auch in Animationen an, sich separat Tiefenmaps für die einzelnen Bilder ausgeben zu lassen, um mit ihnen nachträglich Unschärfen in die Animation einrechnen zu lassen, wenn die eigentliche Berechnung der Szene bereits abgeschlossen ist. Dazu empfehlen sich Videobearbeitungsprogramme wie zum Beispiel Adobe After Effects.Meist verläuft die Kameraeinstellung für Animationen analog zu der von Einzelbildern, weshalb ich diese nicht gesondert behandeln werde. Wie gesagt ist es aber nicht empfehlenswert bei Animationen die Unschärfen direkt mitrendern zu lassen.

Page 9: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

2. Voraussetzungen

2.1 Softwarevoraussetzungen

In dieser Arbeit verwendete Software:

Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio)

Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64

Nemetschek Vectorworks 2015 Ausbildungsversion

Graphisoft Archicad 18 EDU

Blender 2.72b

GIMP 2.8.14

Camtasia Studio 8 (30 Tage Testversion)

Windows 7 Professional

2.2 Verwendete Hardware

Für das Rendern und Nachbearbeiten verwendeter PC:

Dell Precision T3500 Workstation

CPU: Intel Xeon W3690 mit 6x 3.47GHzArbeitsspeicher: 24 GBFestplatte: Samsung SSD 840 EVO 250 GBGrafikkarte: Nvidia Quadro FX 3800

Monitor: LG Flatron W2242T max. Auflösung: 1680x1050

Page 10: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

3. Praxisanwendung

In diesem Kapitel soll es um die praktische Anwendung von Schärfentiefeeffekten in Computerprogrammen gehen. Dazu habe ich eine kleine Reihe von Tuto-rial-Videos erstellt. Beispielhaft sollen darin die Arbeit mit den kostenpflichtigen Programmen Cinema 4D der Firma Maxon, Archicad von Graphisoft, Vek-torworks von Nemetschek und Adobe Photoshop, mit der Arbeit in den Open-Source-Programmen Blender und Gimp gezeigt werden. Es liegt in der Natur umfangreicher Computerprogramme, dass es meist eine Vielzahl von Wegen gibt ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen. Daher behaupte ich nicht alle Möglich-keiten zum erreichen eines Schärfentiefeeffektes in diesen Programmen aufzeigen zu können. Gerade Blender bietet, auch auf Grund der Vielzahl an erhältlichen Erweiterungen, sicherlich noch weitere Arten Schärfentiefe zu erzeugen.

Page 11: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

3.1 Arbeiten in Cinema 4D und Photoshop

3.1.1 Schärfentiefe im Standard Renderer

Eine gängiger Weg einen Schärfentiefeeffekt in Cinema 4D zu erzielen ist es, im Standard-Renderer diese Option auszuwählen und die Unschärfe und Tiefe des Schärfebereichs dann frei über Eingabe von Prozentwerten zu steuern. Diese Methode bietet viel Spielraum was die Stärke des Effektes angeht, führt aber nicht unbedingt zu einem realistischen Ergebnis. Bei dieser Renderart wird das Bild zunächst mit unendlicher Schärfe gerendert und die Unschärfe wird nachträglich für jeden Pixel eingerechnet.

Im folgenden Video werde ich eine sehr einfache Beispielszene einrichten, anhand derer die verschiedenen Wege zu einem Schärfentiefeeffekt gezeigt werden sollen. Dann werde ich zunächst zeigen, wie man mit dem Standard-Renderer über die Render-Voreinstellungen und die Kameraoptionen einen solchen Effekt einstellt. Neben den Grundparametern der Schärfentiefe lässt sich auch die Beschaffenheit der Linse und damit das Bokeh steuern und es besteht die Möglichkeit über den „Färben“-Tab einen farblichen verlauf in die Unschärfe vorne und hinten zu integrieren.

Hier klicken um zu Youtube weitergeleitet zu werden

Page 12: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

3.1.2 Schärfentiefe im Physikalischen Renderer

Ist das Ziel ein möglichst realistisches Rendering, das wie mit einer Fotokamera aufgenommen wirken soll, so empfiehlt sich das Rendern mit dem sogenannten Physikalischen Renderer. Dieser simuliert so gut wie möglich eine echte Kamera mit allen dazugehörigen Parametern wie Blendengröße, Verschlusszeit, Fil-mempfindlichkeit, Linsenverzerrung, usw. Diese Methode ist in der Regel rechenintensiver, ermöglicht aber gerade für Anwender mit Erfahrungen in der Foto-grafie eine sehr gute Kontrolle des ausgegebenen Bildes.

In diesem Video werde ich zeigen, wie man den Physikalischen Renderer in Cinema 4D für Schärfentiefe einrichtet und über Blendengröße und Fokusdistanz den Schärfebereich steuert. Auch die Physikalische Kamera ermöglicht es die Blendenform, zum Steuern des Bokeh, zu verändern und diese sogar mit einem Shader zu versehen.

Hier klicken um zu Youtube weitergeleitet zu werden

Page 13: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

3.1.3 Ausgabe einer Tiefenmap und Nachbearbeitung in Photoshop

Eine weitere interessante Möglichkeit beim Rendern ist das Multi-Pass-Rendering. Dabei können einzelne Elemente des Renderings, wie Lichter, Schatten, Ruf-lektionen oder eben auch Tiefe als Einzelbilder gerendert werden. Diese können dann nachträglich unabhängig voneinander z.B. in Photoshop nachbearbeitet werden. Um den Schärfebereich im Nachhinein steuern zu können ist es nötig, eine sogenannte Tiefenmap (depth map) ausgeben zu lassen, die Entfernungen dargestellter Objekte zur Kamera mit Hilfe von Grauwerten abbildet.

In Diesem Video zeige ich, wie man über die Multi-Pass Renderoption in Cinema 4D eine Tiefenmap als eigenen Pass ausgeben lässt, und wie man diese an-schließend in Adobe Photoshop zum Steuern des Schärfebereichs seines Renderings einsetzt.

Hier klicken um zu Youtube weitergeleitet zu werden

Page 14: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

3.2 Arbeiten in Blender und Gimp

3.2.1 Schärfentiefe über das Defocus Node

Professionelle Software kann extrem teuer sein. Umfangreiche Programme können schnell mit mehreren tausend Euro pro Lizenz zu Buche schlagen. Es gibt allerdings auch im professionellen Bereich durchaus erwähnenswerte Alternativen zu kommerziellen Produkten. Ein Musterbeispiel dafür ist die Open-Sour-ce-Software Blender. Blender bietet den kompletten Umfang eines Leistungsstarken 3D-Modelling-, Animations- und Renderprogramms und kann dabei kos-tenlos, auch kommerziell genutzt und beliebig erweitert werden.Auch Blender bietet die Möglichkeit Schärfentiefeeffekte in das Rendering zu Integrieren. Die gängigste Art dabei ist es, die Unschärfe über das sogenannte Node-Compositing zu steuern, das es erlaubt das gerenderte Bild durch diverse Filter zu ergänzen. Derzeit noch in Entwicklung befindet sich die Blender eigene Cycles Engine, die auch physikalisch korrekte Kameras simulieren kann.

Für das folgende Video habe ich eine einfach Szene eingerichtet, die prinzipiell der Beispielszene aus den Cinema 4D Videos ähnelt. Anhand dieser zeige ich wie man die Fokusdistanz der Kamera einstellt und wie man anschließend unter Zuhilfenahme des „Defocus“-Nodes die Unschärfe seines Bildes steuern kann.

Hier klicken um zu Youtube weitergeleitet zu werden

Page 15: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

3.2.2 Ausgabe einer Tiefenmap und Nachbearbeitung in Gimp

Auch in Blender ist es möglich sich zu seinem Rendering ein zusätzliches Bild mit Tiefeninformationen erstellen zu lassen. Auch dazu ist der Node-Editor hilfreich, der mehrere Wege bietet ein als Tiefenmap nutzbares Graustufenbild auszugeben. Möglichkeiten dazu sind z.B. die Nutzung eines „map value“-No-des, oder die „mist“-Einstellung, wenn man die seit Version 2.6 in Blender integrierte Cycles Render Engine nutzen möchte. Der Einfachheit halber soll hier die Nutzung eines „normalize“-Nodes gezeigt werden, das die in 32-bit vorliegenden Tiefeninformationen der Szene in einen Sichtbaren Bereich herunterskaliert. Dieses Verfahren geht sehr schnell und einfach, bietet aber bei sehr tiefen Szenen möglicherweise nicht ausreichend Abstufungen der Entfernung.

In diesem Video zeige ich den einfachen Weg, mit Hilfe des „normalize“-Nodes eine Tiefenmap in Blender zu generieren und wie man diese anschließend zum ändern der Schärfeebene nutzen kann. Um im Bereich der freien Software zu bleiben nutze ich dazu das kostenlose Open-Source-Bildbearbeitungsprogramm Gimp, das genau wie Blender, frei auch in kommerziellen Projekten genutzt werden kann. Um diese Funktion nutzen zu können wird allerdings ein kostenloses Plug-in namens „Focus Blur“ benötigt, welches einen Filter, ganz ähnlich dem „Objektivunschärfe“- bzw. „Lens Blur“-Filter in Adobe Photoshop, in Gimp integ-riert. Eine Version diese Plug-ins für Windows ist unter folgendem Link zu finden: http://www.gimpinfo.org/addons/plugin/focus_blur/

Hier klicken um zu Youtube weitergeleitet zu werden

Page 16: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

3.3 Arbeiten im CineRenderer von Archicad

Der CineRenderer In Archicad wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Maxon, die sich für Cinema 4D verantwortlich zeichnet, entwickelt und integriert somit eine leistungsstarke Renderengine in Archicad, die dem internen Renderer weit überlegen ist. Ähnlich wie in Cinema 4D gibt es im CineRender die Mög-lichkeit zwischen standardmäßiger Berechnung und der Verwendung einer Physikalischen Kamera zu entscheiden, wobei es auch grundsätzlich die gleichen Einstellungsmöglichkeiten wie in Cinema 4D gibt, die sich lediglich hinter einer anders gestalteten Benutzeroberfläche verbergen.

3.3.1 Schärfentiefe im Standard Renderer

Dieses Video zeigt die Verwendung des einfachen Schärfentiefeeffektes im Archicad CineRenderer in einer zuvor erstellten Szene, die an die vorhergegangenen angelehnt ist.

Hier klicken um zu Youtube weitergeleitet zu werden

Page 17: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

3.3.2 Schärfentiefe im Physikalischen Renderer

Im Video zeige ich, wie man den Physikalischen Renderer Aktiviert und die entsprechenden Einstellungen an der Blende vornimmt.

3.4 Vectorworks und Renderworks

Leider bietet Renderworks meines Wissens nach keine Funktion zum integrieren von Schärfentiefeeffekten in seine Renderings. Allerdings ist das Programm optimiert für einen Export zu Cinema 4D welches wie Vectorworks Teil de Nemetschek-Familie ist.

Hier klicken um zu Youtube weitergeleitet zu werden

Page 18: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

4. Auswertung

4.1 Probleme und Limitationen

Ein Grundsätzliches Problem aller Unschärfeeffekte ist die Darstellung von Unschärfen in Spiegelungen und hinter Transparenten Objekten. Der Renderer berechnet für jeden Pixel eine Unschärfe basierend auf seiner Entfernung zur Kamera. Da Spiegelung und Transparenz aber Eigenschaften des Materials sind, auf dem oder durch das sie gesehen werden, misst der Renderer nur die Entfernung zum spiegelnden bzw. durchsichtigen Objekt. Dadurch vernachlässigt er die eigentliche Entfernung des gesehenen und kann dadurch keine realistische Unschärfe berechnen. Diese Problem fällt natürlich nur auf, wenn das spiegelnde bzw. durchsichtige Objekt in einer anderen Entfernungsebene als das gespiegelnde bzw. durch das andere gesehene Objekt liegt. Eine mögliche Lösung wären wohl mehrere z-Werte (also Entfernungswerte zur Kamera) für jeden Pixel, was aber sehr aufwändig bezüglich Renderzeit und Speicherbedarf werden könnte. Zu dieser Thematik siehe auch: http://www.altyna.com/lw/DOFreflections.htm

Abb. 06 Dieses Rendering zeigt deutlich eines der Probleme des Schärfentiefeeffektes: Die Stuhllehnen, die durch das Glas zu sehen sind, sind nicht unscharf genug für ihre Entfernung zur Kamera, da für sie kein eigener Tiefenwert existiert.

Page 19: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

Weitere Probleme zitiert aus der Cinema 4D Dokumentation zu den Limitationen der Schärfentiefe:

„• Wenn der Post-Effekt Glühen nach der Schärfentiefe ausgeführt wird, kann es zu Unstimmigkeiten kommen. • Wenn der Post-Effekt Glühen vor der Schärfentiefe ausgeführt wird, überschreibt die Schärfentiefe komplett den Glüh-Effekt. • Die Schärfentiefe funktioniert nicht im Zusammenhang mit PyroCluster. • Der Post-Effekt Glanzlicht funktioniert nicht im Zusammenhang mit der Schärfentiefe. • Wenn Sie bei der Bildausgabe die Option Alpha-Kanal aktiviert haben, sollten Sie die Schärfentiefe NICHT aktivieren, da das nachteilige Auswirkungen auf den Alphakanal hat.“

Diese Probleme gelten genau so für den CineRenderer in Archicad, wie im Graphisoft Help Center nachgelesen werden kann (siehe Quellen).

Vermutlich bestehen ähnliche Inkompatibilitäten von Effekten in Blender, hierzu ist mir leider keine ausführliche Auflistung bekannt.

Bei der Verwendung von Tiefenmaps zur Nachträglichen Bearbeitung sollte darauf geachtet werden, dass die Tiefenmap in der gleichen Auflösung wie das ei-gentliche Rendering gerendert wird, um das auftreten von Artefakten oder Ungenauigkeiten zu vermeiden.

Page 20: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

4.2 Vergleich Ergebnis

Grundsätzlich sind alle untersuchten Programme, bis auf Vectorworks, in der Lage einen ansprechenenden Schärfentiefeeffekt zu erzeugen. Vectorworks ist, ei-gentlich genau wie Archicad, von seiner Idee her ein CAD-Programm, gedacht für das Zeichnen und Modellieren und nicht primär für das realistische Rendern von Ansichten. Daher sind die Rendertools von Vectorworks eher bescheiden, vorgesehen für hochwertige Renderings ist ein Export zu Cinema 4D, für den die Schnittstelle optimiert ist. Bei Archicad ist man im Vergleich dazu einen Schritt weiter gegangen, und hat den Cinema 4D Renderer in das Programm integriert, womit sich der primär mit Architektur beschäftigte Nutzer den Erwerb eines zusätzlichen Renderprogrammes wie Cinema 4D sparen kann, ohne auf hochwer-tige Visualisierung verzichten zu müssen. Daher schätze ich die Qualität des Renderings im CineRenderer in Archicad und in Cinema 4D als gleich ein, da für mich bei gleichen Einstellungen kein sichtbarer Unterschied im Schärfentiefeeffekt besteht. Dies gilt sowohl für Standard als auch Physikalische Renderoption. Bei beiden Programmen würde ich aber das Ergebnis des Physikalischen Renderers, dem des Standartmäßigen Schärfentiefeeffektes vorziehen. Daher landet Blender für mich, was die Qualität des Effektes angeht auch auf Platz drei, dies mag sich ändern, wenn die Cycles Engine fertig entwickelt und voll einsatzfähig ist, was auch Physikalischen Rendern ermöglichen wird.Es muss aber ausdrücklich gesagt werden, dass die Qualität der Schärfentiefe hauptsächlich von den Fähigkeiten des Anwenders bzw. den durch ihn gewählten Einstellungen abhängt und mit entsprechendem Wissen oder Gefühl für das Feintunig, alle drei Programme praktisch jedes gewünschte Ergebnis erbringen können.Photoshop und Gimp bieten ebenfalls die gleichen Möglichkeiten (bei Gimp nur mit Plug-in) was Schärfentiefeeffekte mit Hilfe einer Tiefenmap angeht, so dass die gleichwertige Ergebnisse erzielt werden können. Von meinem persönlichen Empfinden her scheint mir trotzdem Photoshop bessere Ergebnisse zu erzielen. Dies könnte zum Beispiel an der Nutzung anderer Algorithmen zum Weichzeichnen liegen, möglicherweise ist aber auch nur meine Wahrnehmung getäuscht.

Abb. 07 Beispielrendering mit der Schärfentiefeoption des standard Renderers von Cinema 4D

Abb. 08 Beispielrendering mit dem Physikalischen Renderer von Cinema 4D

Page 21: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

Abb. 09 Ergebnis eines Multipass Renderings mit Tiefenmap in Cinema 4D und nachträglicher Einstellung der Unschärfe in Photoshop.

Abb. 11 Ergebnis der Nachbearbeitung in Gimp eines Blender Renderings mit Tiefenmap.

Abb. 12 Blender Rendering mit Schärfentiefeeffekt über Node-Compositing.

Abb. 10 In Blender erstellte Tiefenmap

Page 22: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

4.3 Vergleich Benutzerfreundlichkeit

Was die Benutzerfreundlichkeit angeht, hat mich vor allem Cinema 4D mit seinem sehr konstanten Workflow überzeugt. Auch Empfinde ich die standardmäßig dunkel gehaltene Benutzeroberfläche als sehr angenehm und gut gestaltet. Das Zurechtfinden in Archicad finde ich allgemein etwas schwieriger, die Benutzung der Rendereinstellungen hingegen finde ich sehr angenehm, da das Fenster übersichtlich gestaltet ist und die Rendervorschau sehr nützlich sein kann.Blenders Benutzerfreundlichkeit lässt meines Erachtens nach noch einiges zu wünschen übrig. Gerade das Node Compositing ist anfänglich etwas schwierig zu verstehen. Zu der Benutzerfreundlichkeit von Vektorworks kann ich leider kein brauchbares Urteil abgeben, da ich mich, sobald ich herausgefunden hatte, dass das Pro-gramm keinen Schärfentiefeeffekt erzeugen kann, kaum damit beschäftigt habe. Beim Vergleich der Bildbearbeitungsprogramme Photoshop und Gimp würde ich mich in Sachen Benutzerfreundlichkeit eher für die kostenpflichtige Software entscheiden, schon allein weil zum nutzen des zur Einstellung der Schärfeebene benötigten Filters die Installation eines Plug-ins notwendig ist, welches selbst nicht gerade einen hohen Grad an Benutzerfreundlichkeit bietet. Natürlich sind mir diese Beurteilungen nur auf Grund meines momentanen Verständnisses der Programme möglich und damit nicht gerade objektiv. Mit genug Erfahrung ist sicher mit allen Programmen ein flüssiges Arbeiten möglich.

Abb. 13 Rendering des CineRenderers von Archicad mit Schärfentiefe als Post-Effekt.

Abb. 14 Rendering des CineRenderers con Archicad mit physikalisch berechne-tem Schärfentiefeeffekt.

Page 23: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

Tabelle 01 Vergleich 3D- und CAD-Programme

Tabelle 02 Vergleich Bildbearbeitungsprogramme

Page 24: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

4.4 Vergleich Kosten

Wie alle professionellen Werkzeuge haben auch die meisten 3D- und CAD-Programme ihren Preis, der auch von einem sehr begrenzten Kundenkreis herrührt. Die speziell auf Architektur ausgelegten Programme Archicad und Vectorworks sind in diesem Fall die teuersten, während das recht allgemein ausgelegte 3D Programm Cinema 4D preislich darunter rangiert. Photoshop ist in seiner neusten Version nur noch im Abo, über Adobes Creative Cloud, erhältlich. Finanziell gesehen sind die beiden kostenlosen Programme Blender und Gimp natürlich unschlagbar.

Preisliste:

Maxon Cinema 4D

Cinema 4D Broadcast - 1.547,00€ (günstigste Version mit integriertem Physikalischen Renderer)Cinema 4D Visualize - 1.904,00 € Cinema 4D Studio - 3.570,00 €

http://www.maxonshop.de/CINEMA-4D

Adobe Photoshop CS6 - 919,87 €Adobe Photoshop CS6 Extended - 1.322,09 €

http://www.adobe.com/de/products/catalog/cs6._sl_id-contentfilter_sl_catalog_sl_software_sl_creativesuite6.html

Vectorworks

Vectorworks Basic - 2.374,05 €Vectorworks Architektur - 4.581,50 €Renderworks (Zusatzmodul) - 743,75 €

http://edv-cad.de/cad-preise

Archicad

Archicad 18 - 5.750 €Archicad SE 2015 (Starter Edition) - 3.450,00 €

Page 25: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

http://www.graphisoft-suedwest.de/archicad-preise

Adobe Photoshop CC

Einzelkunden:Im Foto-Abo mit Adobe Lightroom - 11,89 €/Monat oder 141,94 €/JahrIm Creativ Cloud Komplett-Abo - 89,24 €/Monat; 59,29 €/Monat bei 1 Jahresabo ; 713,86 €/Jahr

Unternehmen:Einzelabo - 29,99 €/Monat pro LizenzKomplett-Abo - 69,99 €/Monat pro Lizenz

Vergünstigungen für Besitzer älterer Photoshop-Versionen

https://creative.adobe.com/de/plans

Blender

Kostenlos, auch kommerziell nutzbar.

http://www.blender.org/about/license/

Gimp

Kostenlos, auch kommerziell nutzbar

http://www.gimp.org/about/

Page 26: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

5. Fazit

Zusammenfassend kann ich sagen, dass Blender, zumindest soweit es die Anwendung von Schärfentiefeeffekten angeht, eine absolute Alternative zu den Kos-tenpflichtigen Programmen Cinema 4D und Archicad darstellt, wobei Vectorworks die Anforderungen leider nicht erfüllt und dafür die Zusammenarbeit mit einem vollwertigen Renderprogramm oder Plug-in benötigt. Wie zu erwarten machen die Profisoftwares Cinema 4D und Archicad einen „runderen“ und kompletteren Eindruck als Blender und ermöglichen meinem Empfinden nach ein flüssigeres Arbeiten. Die etwas umständlichere Bedienung und die eventuell selbstständig zu installierenden Erweiterungen macht Blender aber durch seine Kostenfreiheit allemal wieder wett. Daher ist es besonders für kleine Firmen und Privatanwender interessant, die über ein begrenztes Budget verfügen, aber trotzdem nicht auf hochwertige Software verzichten wollen. Cinema 4D ist ein sehr gutes 3D Programm, ist aber im Gegensatz zu Archicad nicht auf Architekturvisualisierung spezialisiert. Archicad mit dem integrierten CineRenderer ist von der Renderqualität mit Cineama 4D vergleichbar und daher für Architekturbüros die wohl beste Wahl.

Quellenverzeichnis

Theorie zur Schärfentiefe

Wissenschaftliche Arbeit über Bildpunktehttp://basics.designismakingsense.de/contentuploads/wa_punkt_borchert.pdf

Funktionsweise einer Kamera:http://de.wikibooks.org/wiki/Einführung_in_die_Fotografie/_Aufbau_und_Funktionsweise_einer_Kamera

Techniken im Umgang mit Tiefenschärfe in 3D-Programmen:http://www.pixelbaker.com/content_download/diploma_thesis_andre_schaarschmidt_ger.pdf

Schärfentiefe in der Fotografie:http://www.foto-kurs.com/schaerfentiefe-in-der-fotografie.htmhttp://kwerfeldein.de/2008/07/14/die-blende-verstehen-teil-2-schaerfentiefe/

Sehschärfe:http://de.wikipedia.org/wiki/SehschärfeH. Haferkorn: Optik, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1980

Bokeh:http://toothwalker.org/optics/bokeh.html

Page 27: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

http://kwerfeldein.de/2009/11/19/bokeh-oder-was-ist-das/

Genutzte Tutorials

Grundlagen zum Umgang mit Cinema 4D, Archicad, Vectorworks und Blender:

https://www.video2brain.com/de/cinema-4d

https://www.video2brain.com/de/blender

https://www.video2brain.com/de/vectorworks

http://wiki.blender.org/index.php/Doc:2.6/Tutorials

http://www.graphisoft.de/archicad/archicad/rendering/

http://helpcenter.graphisoft.com/guides/archicad-18-int-reference-guide/user-interface-reference/dialog-boxes/detailed-cinerender-settings/cinerender-effects/depth-of-field/

Cinema 4D Dokumentation

Nutzung einer Tiefenmap in Gimp:

http://www.studiorola.com/tutorials/rendering-tutorials/kerkythea-dof-using-depth-map-and-gimp-part-1/

Abbildungsverzeichnis

Abb. 01 (c) Gregor Roloff, 2015

Abb. 02 (c) Martin Klank, 2013 http://martinklank.de/die-schaerfentiefe/

Page 28: Schärfentiefe in der Computervisualisierung · Maxon Cinema 4D R16.027 STUDENT (kompletter Funktionsumfang von Cinema 4D Studio) Adobe Photoshop CS6 Version 13.0 x64 Nemetschek Vectorworks

Abb. 03 (c) Franz-Manfred Schüngel, 2000 http://www.foto-net.de/net/objektive/licht.html

Abb. 04 (c) Martin Gommel, 2008 http://kwerfeldein.de/2008/07/14/die-blende-verstehen-teil-2-schaerfentiefe/

Abb. 05 (c) Gregor Roloff, 2014

Abb. 06-14 (c) Gregor Roloff, 2015

Videos 01-07 (c) Gregor Roloff, 2015

Tabelle 01 und 02 Gregor Roloff, 2015 (erstellt mit Open Office Calc)

Alle Links wurden zuletzt am 20.03.2015 auf Funktionstüchtigkeit und Inhalt kontrolliert.

Ich versichere, dass ich meine Wissenschaftliche Arbeit ohne Hilfe Dritter und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt und die den benutzten Quellen wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form oder auszugsweise noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegen.

Dresden, den 20.03. 2015 Gregor Roloff