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Recipes for Optical Effect System Design

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拙訳

光学シミュレーションのパラメータ（Optical Simulation Parameters）

光学に基づかないパラメータの使用（Use of Parameters Not Based on Optics）

  • 長所
    • アーティストが光学的整合性《optical consistency》に制限されない
  • 短所
    • 出力はアーティストに強く依存する
    • 多くの経験か知識が必要になる
    • 写真撮影《photography》に親しみのない人は不自然な結果にほとんど気付かないかも
      • 物理的に｜怪しい《implausible》結果が定期的に見つかる
        • 例: 背景のボケが近、中距離と比較して大きすぎる
      • 写真撮影に親しみのある人がみれば、何かがおかしいと感じるかも

不自然なDOFハンドリング（Unnatural DOF Handling）

  • F値はフォーカシングかズーミングで｜過度に《immoderately》変化する
  • FOVが広いとき、背景のボケが大きすぎてしまう
    • ミニチュアのように見えるシーン

自然なDOFハンドリング（Natural DOF Handling）

  • 背景のCoCサイズはフォーカス距離やFOVによって異なる
    • 広いFOV、または、遠いフォーカスは小さなボケを生み出す
    • 狭いFOV、または、近いフォーカスは大きなボケを生み出す
  • F値は変えなくても良い
    • フォーカシング時はF値を一定にしたままにする
    • 最小F値はその機構に依存してズーミングにより変化するかも

光学に基づくパラメータの使用（Use of Parameters Based on Optics）

  • アーティスト設定から必要なパラメータを計算する
    • アーティスト設定
      • FOV、｜絞り《aperture》、フォーカス距離、など
  • 長所
    • 光学的整合性を維持できる
    • 設定するパラメータが少ない
  • 短所
    • アーティストが光学的整合性によって制約を受ける
      • アーティストが思い通りにDOFを制御できないかも

写真撮影に基づかないパラメータの使用（Use of Parameters Not Based on Photography）

  • 光学パラメータは依然として不自然になるかも
    • 10,000mmのフォーカス距離
    • 0.1のF値
    • ｜望遠レンズ《telephoto lens》で1cmのフォーカス距離
    • などなど…

よくある間違い（A Frequently Made Mistake）

  • 人物にピントを合わせて背景をボヤけさせたいとき
    1. 広角FOVを用いて人物をフレームに収める
    2. 人物にピントを合わせる
      • 背景をボヤかしづらい、ので
    3. 背景がボヤけるまで｜絞り《aperture》を開く
      • F値が小さくなりすぎてしまうかも

⇒ シーンが不自然にミニチュアっぽくなる

背景をボヤかす間違った方法 f/0.3(写真撮影に基づかない)（The Wrong Way to Make a Background Blurry f/0.3 (Not Based on Photography)）

パラメータは写真撮影に基づくべき（Parameters Should be Based on Photography）

  • 不十分なブラーは｜絞り《aperture》設定の問題ではない
    • カメラ位置とFOVの関係の問題である
      • カメラを前方に動かしたりズームインするとボケが大きくなる
  • 写真撮影に基づかないパラメータは不自然に見える結果を引き起こす
    • 光学パラメータを適切な範囲に制限する
      • F値はf/1.0からf/32.0までにすべき
        • ズームレンズではf/2.0以上
      • フォーカス距離の下限は焦点距離の2倍にすべき
        • つまり、マクロ1:1
      • など

写真撮影に基づくパラメータ（Parameters Based on Photography）

  • アーティストはカメラを移動したりズームインしたりしなければならないだろう
    • その結果は自然に見えると思う

背景をボヤかす間違った方法 f/0.3(写真撮影に基づかない)（The Wrong Way to Make a Background Blurry f/0.3 (Not Based on Photography)）

背景をボヤかす適切な方法 f/2.8(写真撮影に基づく)（The Proper Way to Make a Background Blurry f/2.8 (Based on Photography)）

光学パラメータのアニメーション（Optical Parameter Animation）

  • フォーカスアニメーション
  • ズーミングアニメーション
  • フォーカスブリージング
  • ズーミング時の最大絞りの変化
  • 口径食の変化
  • などなど…
  • アーティストはこれらすべてを制御すべき？
    • 多くの経験か知識が必要になる
      • フォーカシングとブリージングは｜まったく別《exclusive》の知識である
    • 出力の品質はアーティストの経験か知識に強く依存する
  • アーティストにより指定された設定をオーバーライドする
    • フォーカシングアニメーションを自動化する
      • アーティストはフォーカシングの対象を設定するだけ
    • フォーカスブリージングによりFOVをオーバーライドする
    • FOVに依存して最小F値をオーバーライドする
    • などなど…

フォーカスブリージングによるFOVのオーバーライド（Override FOV by Focus Breathing）

  • フォーカス距離とフォーカシングメカニズムに依存してFOVを変更する

フォーカスブリージングの近似（Approximation of Focus Breathing）

  • 無限遠《infinite focus》のFOVとフォーカス距離から現在の有限遠《finite focus》のFOVを計算する
    • f=h/(tan⁡(fov/2)∗2)f = h / (\tan(fov / 2) * 2)
      • ff: 無限遠の焦点距離
    • di=dof/(do−f)d_i = d_o f / (d_o - f)
      • did_i: 無限遠の像距離
    • s=di/f=do/(do−f)s = d_i / f = d_o / (d_o - f)
    • sr=pow(s,r)sr = \text{pow}(s, r)
    • di′=f∗srd_i' = f * sr
      • di′d_i': 現在の有限遠の像距離（ブリージングの結果）
    • fov′=atan(h/(di′∗2))∗2fov' = \text{atan}(h / (d_i' * 2)) * 2
      • fov′fov': 現在の有限遠のFOV（ブリージングの結果）
    • ブリージングの結果に対する光学の有効焦点距離
      • f′=di/s=f∗sr/s=(doh/2)/(tan⁡(fov′/2)∗do+h/2)f' = d_i / s = f * sr / s = (d_o h / 2) / (\tan(fov' / 2) * d_o + h / 2)
      • フォーカス距離とrrに依存してズレるだろう
    • rrはフォーカスブリージングの｜度合い《degree》
      • rrを−1-1から11の間に設定することでブリージングを制御できる

ブリージングの度合い: r（Degree of the Breathing: r）

  • 1.01.0は、FOVが単レンズの法則に応じて狭角になることを意味する
    • 全群繰り出しフォーカシング（典型的なマクロレンズ）
    • 光学的な焦点距離は常に一定
  • 0.00.0は、FOVが一定である（ブリージングしない）ことを意味する
    • 焦点距離は像距離をズラす代わりに短くなる
    • いくつかの高価なレンズ
  • −1.0-1.0は、有限遠に焦点を合わせるとき、FOVが広角になることを意味する。
    • 焦点距離は更に短くなる
    • 典型的なインターナルフォーカスレンズ（安価なレンズ）
  • アーティストはレンズごとにrrを選択する
    • 直接rrを設定する
    • レンズのフォーカスメカニズムを選択する

遠い焦点（Far Focus）

近い焦点(全群繰り出しフォーカシング: r = 1)（Close Focus (All-Group Focusing: r = 1)）

近い焦点(ブリージングなし: r = 1)（Close Focus (with No Breathing: r = 0)）

近い焦点(インナーフォーカシング: r = -1)（Close Focus (Inner Focusing: r = -1)）

可変最大絞りズームレンズ（Variable Maximum Aperture Zoom Lens）

  • 焦点距離に依存して最小F値を変更する
    • 現在のF値を最小F値に制限する
  • 現在のF値と最小F値の比に依存して絞り形状を変更する
    • 円形絞りから多角形絞りへ

可変絞りズームレンズの近似（Approximation of Variable Aperture Zoom Lens）

  • もとの最小F値と元のFOVと現在のFOVから現在の最小F値を計算する
    • f=h/(tan⁡(fov/2)∗2)f = h / (\tan(fov / 2) * 2)
      • ff: 元の焦点距離
    • f′=h/(tan⁡(fov′/2)∗2)f' = h / (\tan(fov' / 2) * 2)
      • f′f': 現在の焦点距離
    • F′=F∗pow(f′/f,1−q)F' = F * \text{pow}(f' / f, 1 - q)
      • F′F': 現在の最小F値
    • 上記のパラメータはすべて無限遠でのものである
      • fovfovは元の視野角
      • ffは元の焦点距離
      • FFは元の最小F値（最大絞り）
      • fov′fov'は現在の視野角
      • f′f'は現在の焦点距離
      • F′F'は現在の最小F値
    • qqは最大絞り変化の度合い
      • 0.50.5から11までにqqを設定することで最大絞りのズレを制御できる

最大絞り変化の度合い: q（Degree of the Maximum Aperture Varying: q）

  • 1.01.0は、最小F値が一定であることを意味する
    • いくつかの高価なレンズ
  • 0.50.5は、最小F値が焦点距離によりズレるであろうことを意味する
    • 焦点距離が4倍長くなれば、最小F値は2倍大きくなる
  • 0.00.0は、最小F値が焦点距離に比例することを意味する
    • 焦点距離が4倍長くなれば、最小F値は4倍大きくなる
  • ほとんどのレンズは0.70.7から1.01.0まで
  • アーティストはレンズごとにqqを選択する
    • 元の最小F値とqqを直接設定する
    • 最小F値の組み合わせを設定する
      • 製品のレンズ仕様から

可変絞りズームレンズの近似（Approximation of Variable Aperture Zoom Lens）

  • 絞りの組み合わせからqqを計算できる
    • q=1−log⁡(F2/F1)/log⁡(f2/f1)q = 1 - \log(F2 / F1) / \log(f2 / f1)
  • 製品のレンズ仕様の例
    • 9-18mm F4.0-5.6
      • f1=9,f2=18,F1=4.0,F2=5.6f1 = 9, f2 = 18, F1 = 4.0, F2 = 5.6
      • q=1−log⁡(5.6/4.0)/log⁡(18/9)q = 1 - \log(5.6 / 4.0) / \log(18 / 9)
      • q=0.5q = 0.5
    • 18-135mm F3.5-5.6
      • (f1,f2,F1,F2)=(18,135,3.5,5.6)(f1, f2, F1, F2) = (18, 135, 3.5, 5.6)
      • q=1−log⁡(5.6/3.5)/log⁡(135/18)q = 1 - \log(5.6 / 3.5) / \log(135 / 18)
      • q=0.7707q = 0.7707
    • 24-70mm F2.8(FOVの全範囲に対して一定の最小F値を持つレンズ)
      • (f1,f2,F1,F2)=(24,70,2.8,2.8)(f1, f2, F1, F2) = (24, 70, 2.8, 2.8)
      • q=1−log⁡(2.8/2.8)/log⁡(70/24)q = 1 - \log(2.8 / 2.8) / \log(70 / 24)
      • q=1.0q = 1.0

30mm(最大絞り f/2.8)（30mm (Maximum Aperture f/2.8)）

75mm(最大絞り f/2.8 : q = 1.0)（75mm (Maximum Aperture f/2.8 : q = 1.0)）

150mm(最大絞り f/6.3 : q = 0.5)（150mm (Maximum Aperture f/6.3 : q = 0.5)）

150mm(最大絞り f/2.8 : q = 1.0)（150mm (Maximum Aperture f/2.8 : q = 1.0)）

自動制御すべきパラメータ（Parameters which Should be Controlled Automatically）

  • 実際のレンズで写真家の意思に関わらず変化するもの
    • レンズのメカニズムによる

自動制御すべきパラメータの例（Examples of the Parameters which Should be Controlled Automatically）

  • フォーカシング
    • フォーカシングアニメーション
    • オートフォーカスの混乱《confusion》
    • フォーカスブリージング
  • ズーミング
    • ズーミングアニメーション
    • 絞りの変化
    • ズーム時のピントずれ
      • ある種のコンパクトデジタルカメラ
    • 口径食の変化
  • カメラの節点《nodal point》
    • NPP（No-Parallax Point）にカメラ位置をズラす
  • 自動露出調整
  • など

光学での”相互律”の扱い（Handling “Law of Reciprocity” in Optics）

どちらが良い？（Which is Better?）

  • 厳密に”相互律《Law of Reciprocity》”を扱う

または

  • 露出はシャッタースピードや絞りと無関係である

厳密に”相互律”を扱う（Handling “Law of Reciprocity” Strictly）

  • 例えば
    • 絞りを開く場合、露出量は間違いなく増える
    • 絞りを変えずに露出量を減らす場合、シャッタースピードをより早くしなければならない
  • 光学的な整合性は完璧に維持される

厳密に”相互律”を扱う(続き)（Handling “Law of Reciprocity” Strictly (cont’d)）

  • シーンの測光量（輝度、照度、など）とISO感度を適切に設定する。でないと、露出が失敗《miscarry》するだろう
    • 露出が減少するにも関わらず、シーンが白くなる
    • 露出が増加するにも関わらず、シーンが黒くなる
  • 制御するのは難しい
    • 露出
    • DOF
    • モーションブラー

露出はシャッタースピードや絞りと無関係（Exposure is Independent of Shutter Speed and Aperture）

  • 例えば
    • F値は”被写界深度”を扱うためにのみ使われる
    • シャッタースピードは”モーションブラー”を扱うためにのみ使われる
    • 独立露出は”露出”を扱うためにのみ使われる
  • アーティストは光学パラメータを簡単に制御できる
  • 光学的な整合性は完全には維持されない
    • 写真撮影に親しみのある人が見たら、不自然に見えるかもしれない

光学での”相互律”の扱い（Handling “Law of Reciprocity” in Optics）

  • 相互律を扱うより良いアプローチは、目的を達成する方法で行うことである

おわりに（Conclusion）

  • 光学は物理的にもっともらしい結果を達成することができる
    • 写真撮影に基づかないパラメータは光学に倣っていても不自然な結果を引き起こす
    • 自然な見た目の結果のために適切な範囲に光学パラメータを制限する

おわりに(続き)（Conclusion (cont’d)）

  • カメラメカニズムからパラメータを導くことができる
    • 撮影者からの外部入力を除く
  • “相互律”は目的に応じて選択的に使われるべき
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