KR100300969B1 - 레이트레이싱에있어서교차테스트영역추출방법및이에적합한렌더링장치 - Google Patents

Abstract

불필요한 교차 테스트를 제외시켜 레이 트레이싱의 수행 속도를 증진시키는 개선된 교차 테스트 영역 추출 방법 및 이에 적합한 렌더링 장치가 개시된다.

본 발명에 따른 교차 테스트 영역 추출 방법은 대상물의 바운딩 박스를 화상 평면상에 투영시켜 관점으로부터 투사되는 1차 광선에 대한 교차 테스트가 필요한 영역을 추출하는 과정; 및 대상물의 형태에 따라 대상물에서 반사된 2차 광선이 다른 대상물의 바운딩 박스와 교차될 가능성이 있는 부분을 추출하여 2차 광선에 대한 교차 테스트 필요 영역을 추출하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 교차 테스트 영역 추출 방법은 이러한 광선-박스 교차 테스트 중 1차 및 2차 레이에 대하여 불필요하게 수행되어 왔던 부분을 약 70%까지 배제할 수 있다.

Description

레이 트레이싱에 있어서 교차 테스트 영역 추출 방법 및 이에 적합한 렌더링 장치

제1도는 3차원 공간상의 기하학적 데이터 세트와 뷰 평면의 상관관계를 도식적으로 보이기 위한 도면이다.

제2도는 기하학적 데이터 세트의 화상 평면상으로의 투영도를 보이는 도면이다.

제3도는 바운딩 박스의 화상 평면 투영으로 발생된 1차 레이 교차 테스트 필요 영역을 보이는 도면이다.

제4도는 기하학적 대상물에 따른 반사 광선 발생군 분류도를 보이는 도면이다.

제5도는 각 대상물의 중심선 및 중심점에 의한 화상 평면 분할을 보이는 도면이다.

제6도는 1차, 2차 광선에 의해 교차 테스트가 수행되어야 할 영역을 보이는 도면이다.

제7도는 본 발명에 따른 렌더링 장치의 구성을 보이는 블록도이다.

제8도는 제7도에 도시된 광선-대상물 교차 정보 발생기의 상세할 구성을 보이는 블록도이다.

본 발명은 레이 트레이싱 방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 광선이 대상물에 반사됨에 의해 생성된 2차 광선에 대한 불필요한 교차 테스트 영역을 제외시켜 레이 트레이싱의 수행 속도를 증진시키는 교차 테스트 영역 추출 방법 및 이에 적합한 렌더링 장치에 관한 것이다.

하드웨어 기술의 발전에 따라 최근에는 실시간에 가까운 처리 속도를 지닌 그래픽 시스템이 소개되고 있다. 이러한 그래픽 시스템은 대부분 다각형(polygon) 단위의 기본 요소(primitive)를 묘화의 기본 단위로 하는 다각형 렌더링 시스템(polygon rendering system)이다.

다른 렌더링 방법의 하나로서 대상물 자체를 묘화의 기본 요소로 하고 관점(view point)으로부터 화소 평면(pixel plane) 상으로 투사도는 광선(ray)을 추적(trace)하면서 정경(scene)을 완성하는 레이 트레이싱(ray tracing) 기법이 있다.

레이 트레이싱 기법은 대상물 공간(object space) 상에 존재하는 대상물 상호간의 명암(intensity) 간섭 현상을 효율적으로 해소함으로서 좋은 화질의 화상을 제공할 수 있다.

그러나, 이러한 레이 트레이싱 기법은 대상물 공간 내에 투사된 광선을 추적하면서 여러 대상물에 의한 명암을 계산, 종합하여 화상 평면상에 존재하는 화소의 칼라 값을 결정하여야 하므로 많은 시간과 연산량을 필요로 한다는 단점이 있다.

특히 레이 트레이싱 처리에서 많은 시간과 계산을 필요로 하는 부분은 추적되는 광선과 3차원 공간상에 존재하는 대상물들과의 교차 테스트이다.

다양한 대상물의 형태에 따른 광선과 대상물의 교차 테스트는 대상물의 형태에 따라 각각 계산된다. 그런데, 관점(view point)으로부터 투사되는 각각의 광선에 대하여 3차원 공간상에 존재하는 모든 대상물에 대한 교차 테스트를 행한다는 것은 칼라값을 지니지 않게 되는 광선에 대해서도 교차 테스트를 행하여야 한다는 결과를 낳게 된다.

그래서, 각종의 기하학적 대상물에 대한 교차 테스트를 단일화하고 보다 적은 양의 계산으로 줄이기 위해 바운딩 박스(bounding box) 및 infinite slabs를 이용한 바운딩 볼륨(bounding volume)기법이 제안되었다.

그러나, 이 바운딩 볼륨 기법은 단순히 많은 계산량을 필요로 하는 대상물로부터 보다 적은 량의 계산을 필요로 하는 대상물로 옮기기 위한 미봉책일 뿐 근본적인 해결책은 되지 못한다.

제1도에 도시된 바에서 3차원 공간상에 존재하는 각 대상물에 바운딩 박스를 적용하더라도 관점으로부터 처음 투사도는 광선 Ra의 경우 대상물이 투영되지 않는 각 화소 위치에서 3개의 박스에 대한 교차 테스트를 수행하고 있다. 또한, 광선 Rb₂와 같이 대상물에서 반사되어 투사할 경우도 3차원 공간상에 존재하는 3개의 박스에 대한 교차 테스트를 수행하고 있다. 이러한 불필요한 교차 테스트는 공간상에 존재하는 대상물의 수, 대상물과 관점 사이의 거리, 시각 등에 비례하여 증가된다.

이는 화면의 크기가 1280×1024일 경우 1280×1024xn(n은 고려되는 광선의 차수)개의 광선들에 해한 막대한 양의 레이 트레이싱 연산이 수행되어야 함을 의미합니다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 불필요한 교차 테스트를 제외시켜 레이 트레이싱 속도를 개선시키는 개선된 교차 테스트 영역 추출 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기의 방법에 적합한 렌더링 장치를 제공하는 것에 있다.

상기의 목적을 달성하는 본 발명에 따른 교차 테스트 영역 추출 방법은

3차원 공간상에 존재하는 대상물을 묘화의 기본 요소로 하고 관점으로부터 화소 평면상으로 투사되는 광선을 추적하면서 정경을 구축하는 레이 트레이싱 방법에서 각 대상물에 바운딩 박스를 적용하여 광선과 대상물이 교차하는 영역을 추출하는 방법에 있어서,

대상물의 바운딩 박스를 화상 평면상에 투영시켜 관점으로부터 투사되는 1차 광선에 대한 교차 테스트가 필요한 영역을 추출하는 과정; 및

대상물의 형태에 따라 대상물에서 반사된 2차 광선이 다른 대상물의 바운딩 박스와 교차될 가능성이 있는 부분을 추출하여 2차 광선에 대한 교차 테스트 필요 영역을 추출하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기의 다른 목적을 달성하는 본 발명에 따른 그래픽 장치는

3차원 공간상에 존재하는 대상물을 묘화의 기본요소로 하고 관점으로부터 화소 평면상으로 투사되는 광선을 추적하면서 정경을 구축하는 렌더링 장치에 있어서,

지정된 대상물에 대하여 박스 바운딩 및 화상 평면에 대한 투영 처리를 행하여 화상 평면에 투영된 바운딩 박스의 영역 정보, 대상물의 위치, 기울기 정보를 발생하는 지오메트리 엔진;

상기 지오메트리 엔진에서 제공되는 화상 평면에 투영된 바운딩 박스의 영역 정보를 참조하여 대상물 데이터에 대하여 세이딩 처리를 수행하여 렌더링 처리된 화상을 발생하는 라스터 엔진;

상기 지오메트리 엔진에서 제공되는 화상 평면에 투영된 바운딩 박스의 영역 정보와 대상물의 위치, 기울기 정보를 참조하여 1차, 2차 광선에 대하여 교차 테스트를 필요로 하는 영역과 이에 상응하는 대상물의 식별 정보를 추출하는 광선-대상물 교차 정보 발생기;

상기 광선-대상물 교차 정보 발생기에서 발생된 교차 테스트 필요 영역 및 이에 상응하는 대상물의 식별 정보를 저장하는 버퍼; 및

호스트 컴퓨터로부터 다운 로드된 대상물에 대한 데이터를 상기 지오메트리 엔진에 분배하고, 상기 버퍼에 저장된 교차 테스트 필요 영역 정보를 참조하여 레이 트레이싱되어야 할 광성만을 상기 지오메트리 엔진에 분배하는 헤드 프로세서를 포함함을 특징으로 한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 특징 및 효과를 상세히 설명한다.

1차 광선에 대한 교차 테스트를 가속화시키기 위한 최적의 방법은 제2도에 도시된 바와 같이 대상물 자체를 화상 평면상에 투영시키고, 투영된 위치의 광선-대상물 교차 정보를 얻는 것이다. 그러나 이 방법은 대상물의 정확한 실루엣(silhouette)정보를 도출하고, 그에 대한 광선-대상물 교차 정보를 발생하지 않으면 안된다.

본 발명에서는 대상물의 바운딩 박스를 화상 평면상에 투영시키고, 투영된 위치에서 광선-대상물 교차 정보를 얻게 함으로써, 레이 트레이싱을 가속화한다. 특히, 1차 광선과 2차 광선에 대한 불필요한 교차 테스트 영역을 제거함으로써 연산량을 대폭적으로 저감시킨다.

본 발명에 따른 교차 테스트 영역 추출 방법은 다음과 같이 수행된다.

먼저, 대상물의 바운딩 박스를 화상 평면상에 투영시켜 관점으로부터 투사되는 1차 광선에 대한 교차 테스트가 필요한 영역을 추출한다. 여기서, 1차 광선에 대해 교차 테스트가 필요하지 않은 영역이 제거된다.

제3도는 대상물의 바운딩 박스가 화상 평면에 투영된 결과를 보이는 도면이다. 제3도에 도시된 바와 같이 화상 평면에 투영된 바운딩 박스에서 좌상측, 우하측의 좌표를 찾고, 이에 의해 설정되는 사각형 영역을 블록 채움 처리를 이용하여 메모리에 기록한다. 이때, 대상물의 식별 기호는 하위 비트 중 해당 비트 위치에 기록된다. 예를 들면, 32비트로 기록하는 경우 하위 16비트의 각 자릿수는 대상물의 식별 기호로 할당된다.

발생되는 대상물 교차 정보의 저장을 위한 메모리 조작은 메모리 비트 마스킹 기록 조작에 의해 진행되므로 제3도에서 대상물의 위치가 중첩되는 부분에 대한 메모리 조작도 기록 동작만으로 수행 가능하다.

다음으로는 대상물의 형태에 따라 대상물에서 반사된 2차 광선이 다른 대상물의 바운딩 박스와 교차될 가능성이 있는 부분을 추출하여 2차 광선에 대한 교차 테스트 필요 영역을 추출한다.

대상물에서 반사된 2차 광선이 다른 대상물의 바운딩 박스와 교차될 가능성이 있는 부분을 추출하기 위해 제4도에 도시된 바와 같이 대상물의 종류에 따른 반사광선의 방향을 분류하고, 이를 제5도의 화상 평면상에 적용한다.

제4도에 있어서 원통형 대상물의 경우 반사광선의 방향은 중심선 sO을 중심으로 좌측 반면 Ca과 우측 반면 Cb에서 발생한 반사광선으로 분류할 수 있으며, 구형 대상물의 경우 중심점 pO을 중심으로 4분면 Sa, Sb, Sc, Sd에서 발생한 반사광선으로 분류할 수 있고, 그리고 원추형 대상물의 경우 중심선 s3을 중심으로 좌측 반면 Soa과 우측 반면 Sob에서 발생한 반사광선으로 분류할 수 있다.

결국 공간상에서의 반사 광선의 분류를 화상 평면상에 적용시킬 경우 제5도에 도시된 바와 같이 원통형, 원추형의 중심선 및 원의 중심선에 의해 화상 평면을 나눌 수 있게 된다.

제5도에서 원통형 대상물은 sO을 중심으로 하여 a 및 b부분으로 나누어지며, a에서 발생한 반사광선은 대상물 O₁및 O₂와 교차하지 않지만 b부분에서 발생한 반사광선은 대상물 O₁및 O₂와 교차될 수 있다. 결국 제5도에서 반사광선에 대한 교차 테스트를 하지 않아도 되는 부분은 제6도에서 도시된 바와 같이 대상물 O₀, O₁, O₂의 b, c, d부분이다.

제6도는 본 발명에 의해 추출된 교차 테스트 필요 영역을 도시한 도면이다. 제6도에 있어서 점으로 표시된 부분은 1차 교차 테스트 필요 영역을 보이는 것이고, 빗금으로 표시된 부분은 1차와 2차 교차 테스트 필요 영역을 보이는 것이다.

제7도는 본 발명에 따른 레이 트레이싱 장치의 구성을 보이는 블록도이다. 제7도에 도시된 장치는 헤드 프로세서(10), 지오메트리 엔진(20), 라스터 엔진(30), ROI 정보 발생기(40), ROI 버퍼(50)를 포함한다.

제7도에 도시된 장치는 기본적으로 종래의 다각형 렌더링 그래픽 시스템의 하드웨어 자원을 이용하여 수행된다. 종래의 3차원 다각형 렌더링 그래픽 시스템에서는 스캔 컨버젼(scan conversion) 및 세이딩 처리가 종료되면 스크린 상의 각 픽셀에 대한 칼라값이 발생되어 프레임 버퍼라는 메모리 공간에 저장된다. 이 메모리 공간은 표시하고자 하는 칼라의 수에 따라 8비트에서 24비트까지 그 깊이(depth; 여기서는 비트수를 의미)가 설정되어 있다. 또한, 3차원 그래픽 시스템들은 각 픽셀에 대한 원근 정보를 z버퍼라는 메모리 공간에 저장하고, 이 정보를 이용하여 물체 상호간의 가시성(visibility)을 결정한다.

이 z버퍼는 보통 16비트에서 32비트를 사용하므로 프레임 버퍼와 합하면 각 픽셀당 할당되는 비트수는 24 ~ 56비트가 된다.

제7도에 도시된 장치에서는 이러한 버퍼들을 1차 광선-대상물 교차 정보 및 2차 레이-대상물 교차 정보를 저장하는 공간으로 사용한다.(ROI buffer; Ray Object Intersect)

레이 트레이싱 가속화를 위한 또 하나의 구성 요소로 렌더링할 각 대상물에 대한 위치 정보를 받아 1, 2차 레이-대상물 교차 정보를 발생하여 ROI 버퍼에 저장하는 ROI 정보 발생기가 있다.

제7도에 도시된 장치의 동작을 상세히 설명한다. 레이 트레이싱을 위해 입력되어진 모든 대상물 데이터는 헤드 프로세서(10)로부터 복수의 지오메트리 엔진들이 병렬적으로 연결도어져 있는 지오메트리 엔진부(20)로 전달되고, 각 지오메트리 엔진의 로컬 메모리에는 레이 트레이싱될 대상물 데이터가 똑같이 저장되게 된다.

지오메트리 엔진부(20)를 구성하는 각 지오메트리 엔진은 입력된 대상물들에 대해 박스 바운딩 및 투시(projection)를 수행하고, 그 결과로 발생된 화상 평면상의 바운딩 박스 좌표를 ROI 정보 발생기(40)로 전달하게 된다.

이때, 각 지오메트리 엔진은 모든 대상물에 대해 같은 조작을 수행하지만 ROI 정보 발생기(40)로 전달되는 대상물 바운딩 박스 좌표는 헤드 프로세서(10)로부터 할당받은 대상물에 대해서만 선택되므로 ROI 정보 발생기(40)는 같은 대상물에 대한 바운딩 좌표의 입력을 피할 수 있게 된다.

지오메트리 엔진은 투영된 바운딩 박스 좌표들 외에도 2차 레이에 대한 교차 대상물 선별을 위해서 대상물의 특성에 따라 결정된 정보를 ROI 정보 발생기(40)에 제공한다. 여기서, 원통형 및 원추형 대상물의 경우 각각 중심선에 대한 화상 평면상에서의 위치 및 기울기 정보, 원형의 대상물의 경우 중심점이 화상 평면상에 투영된 좌표가 전달된다.

ROI 정보 발생기(40)는 지오메트리 엔진(30)으로부터 렌더링될 대상물 정보를 받아 1, 2차 광선에 대한 교차 가능성이 있는 대상물을 선별하고, 그 대상물의 식별 기호를 ROI 버퍼(50)에 저장한다.

ROI 정보 발생기(40)의 내부는 제8도에 도시된 바와 같이 기본적으로 지오메트리 엔진부(30) 및 ROI 버퍼(50)와의 인터페이스를 위한 인터페이스 로직들(80, 92), 대상물에 관한 정보를 저장하는 레지스터 파일(90)을 포함하고 있다. 그 외에 지오메트리 엔진으로부터 입력되는 8개의 바운딩 박스 어드레스로부터 1차 광선-대상물 교차 영역에 관련된 좌상측, 우하측 좌표를 찾기 위한 X, Y 어드레스 비교기(82, 84), 대상물의 종류에 따른 2차 광선-대상물 교차 영역에 관련된 정보를 발생하기 위한 위치 평가기(86) 및 어드레스 발생기(88)로 구성된다.

반사광선에 대해 교차될 가능성이 있는 대상물을 찾는 방법은 지오메트리 엔진으로부터 입력된 투영 선분 데이터를 이용하여 수행한다. 제5도의 경우 원통형 대상물의 b부분에서 발생한 반사 광선과 교차되는 대상물을 찾기 위해서는 선분 sO(y=x)의 x와 1차 광선 처리시 비교, 저장된 대상물들의 좌상측, 우하측의 x좌표와 비교하여 선분의 x값보다 큰 값의 포인트를 찾게 된다.

비교 결과 선분의 x값보다 큰 값이 하나 이상 존재하는 대상물이 있을 경우 그 대상물은 원통형 대상물의 b부분에서 발생한 반사광선과 교차될 가능성이 있으므로 원통형 대상물의 b부분에 해당하는 ROI 버퍼(50)의 어드레스 영역에 대상물의 식별 기호를 기록한다. 이 경우 ROI 버퍼(50)의 원통형 대상물의 b부분에 해당하는 영역에는 대상물 O₁, O₂의 정보가 기록된다.

1, 2차 광선에 대해 교차되는 대상물의 식별 기호를 저장하는 동작이 완료되면 ROI 정보 발생기(40)는 ROI 버퍼(50)를 스캐닝하면서 읽어 온 정보를 헤드 프로세서(10)에 전달하고, 헤드 프로세서(10)는 이 정보를 해석하여 레이 트레이싱이 수행되어야 하는 광선만을 지오메트리 엔진에 배분하게 된다.

ROI 버퍼(50)는 다각형 렌더링을 위해 구성된 프레임 버퍼 및 z버퍼를 그대로 이용한다. 트루 칼라 및 32비트의 z버퍼로 구성된 그래픽 시스템을 고려할 경우 각 픽셀당 총 32비트를 광선-대상물 교차 정보를 저장하는 공간으로 활용할 수 있다. 각 픽셀당 할당된 총 32비트 중 하위의 16비트는 관점으로부터 주사되는 1차 광선과 대상물의 바운딩 박스가 교차될 때 그 바운딩 박스를 가진 대상물의 식별 정보자 저장되고, 상위 16비트는 반사 계수가 0이 아닌 대상물들에 의해 발생된 반사광선 즉 2차 광선에 의해 교차될 가능성이 있는 모든 대상물의 식별 기호가 저장된다. 1,2차 광선에 대한 대상물 정보는 각각 최대 32개까지의 교차 대상물 식별 정보를 설정할 수 있다.

레이 트레이싱 처리에 있어서 바운딩 박스에 의한 교차 테스트 가속화 기법을 적용하여 1프레임의 화상을 작성할 경우 광선-박스의 교차 테스트를 해야 할 경우의 수는 (화상 평면이 × 사이즈 × 화상 평면의 Y 사이즈 × 대상물의 수 × 레이 트레이싱 레벨)이 된다. 한 번의 광선-박스 교차 테스트를 위해서는 적어도 30번 이상의 비교, 2번의 덧셈 및 곱셈 연산이 필요하게 되어 결과적으로 많은 연산량을 필요로 하게 된다.

본 발명의 교차 테스트 영역 추출 방법은 이러한 광선-박스 교차 테스트 중 1차 및 2차 레이에 대하여 불필요하게 수행되어 왔던 부분을 약 70%까지 배제할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 렌더링 장치는 기존의 다각형 렌더링 그래픽 시스템의 하드웨어 자원을 그대로 이용할 수 있으므로 기존의 시스템 구조를 그다지 크게 변경하지 않고도 구현할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 교차 테스트 영역 추출 방법은 대상물의 형태에 따라 광선이 대상물에서 반사됨에 의해 발생도는 2차 광선에 대한 불필요한 교차 테스트 영역을 제거시켜 줌으로써 레이 트레이싱을 가속화하는 효과를 갖는다.

Claims (2)

1. 3차원 공간상에 존재하는 대상물을 묘화의 기본 요소로 하고 관점으로부터 화소 평면상으로 투사되는 광선을 추적하면서 정경을 구축하는 레이 트레이싱 방법에서 각 대상물에 바운딩 박스를 적용하여 광선과 대상물이 교차하는 영역을 추출하는 방법에 있어서, 대상물의 바운딩 박스를 화상 평면상에 투영시켜 관점으로부터 투사되는 1차 광선에 대한 교차 테스트가 필요한 영역을 추출하는 과정; 및 대상물의 형태에 따라 대상물에서 반사된 2차 광선이 다른 대상물의 바운딩 박스와 교차될 가능성이 있는 부분을 추출하여 2차 광선에 대한 교차 테스트 필요 영역을 추출하는 과정을 포함하는 교차 테스트 영역 추출방법.
2. 3차원 공간상에 존재하는 대상물을 묘화의 기본 요소로 하고 관점으로부터 최소 평면상으로 투사되는 광선을 추적하면서 정경을 구축하는 렌더링 장치에 있어서, 지정된 대상물에 대하여 박스 바운딩 및 화상 평면에 대한 투영 처리를 행하여 화상 평면에 투영된 바운딩 박스의 영역 정보를 발생하고, 대상물의 위치, 기울기 정보를 발생하는 지오메트리 엔진; 상기 지오메트리 엔진에서 제공되는 화상 평면에 투영된 바운딩 박스의 영역 정보를 참조하여 대상물 데이터에 대하여 세이딩 처리를 수행하여 렌더링 처리된 화상을 발생하는 라스터 엔진; 상기 지오메트리 엔진에서 제공되는 화상 평면에 투영된 바운딩 박스의 영역 정보와 대상물의 위치, 기울기 정보를 참조하여 1차, 2차 광선에 대하여 교차 테스트를 필요로 하는 영역과 이에 상응하는 대상물의 식별 정보를 추출하는 광선-대상물 교차 정보 발생기; 상기 광선-대상물 교차 정보 발생기에서 발생된 교차 테스트 필요 영역 및 이에 상응하는 대상물의 식별 정보를 저장하는 버퍼; 및 호스트 컴퓨터로부터 다운 로드된 대상물에 대한 데이터를 상기 지오메트리 엔진에 분배하고, 상기 버퍼에 저장된 교차 테스트 필요 영역 정보를 참조하여 레이 트레이싱되어야 할 광선만을 상기 지오메트리 엔진에 분배하는 헤드 프로세서를 포함하는 렌더링 장치.