KR100609145B1 - 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치 및 그 방법 - Google Patents

실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치 및 그 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 렌더링 방정식을 주파수 공간에서 정의하여 사용하고, 또한 실세계 조명정보(Real Radiance) 및 물체 표면의 반사 속성 데이터(BRDF 데이터)를 이용함으로써, 3차원 물체에 사실적인 전역조명 효과를 실시간적으로 줄 수 있게 하는, 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 전역조명 효과 표현을 위한 렌더링 장치에 있어서, 전방향에 대하여 조명의 방향이 될 조명 샘플을 생성하여 각각 조명 샘플에 대하여 구면 하모닉 기초(Spherical Harmonics Basis) 함수를 생성하기 위한 구면 하모닉 처리 수단; 상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, HDRI(High Dynamic Range Image) 영상의 조명 정보(Radiance)를 구면 하모닉 조명 계수로 변환하기 위한 조명 모델링 수단; 상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, 전역 조명 모델을 위한 조명 정보(Radiance)의 전달 특성을 나타내는 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수를 미리 계산하기 위한 래디언스 전달 처리 수단; 물체 표면의 반사 속성 정보(BRDF) 데이터를 자료 구조화한 후, 스무딩 과정을 통하여 BRDF 데이터의 계수를 구하기 위한 BRDF 처리 수단; 및 상기 구면 하모닉 조명 계수, 상기 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수, 및 상기 BRDF 데이터 계수를, 벡터의 도트 프러덕트로 표현된 렌더링 방정식에 적용함으로써 렌더링을 수행하기 위한 렌더링 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 실시간 전역조명 효과 표현을 위한 렌더링 등에 이용됨으로써, 게임과 같은 분야에 사용될 수 있음.
전역조명, 렌더링, HDR, 조명정보, BRDF, 구면 하모닉 기초 함수, 파라볼릭 맵

Description

실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치 및 그 방법{Rendering Apparatus and Method for real-time global illumination in real light environment}
도 1 은 본 발명에 따른 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치의 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치 및 그 방법에 대한 일실시예 설명도,
도 3 은 본 발명에 따른 시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 4 는 본 발명에 따른 360˚전방향에 대한 샘플 데이터의 일실시예 설명도,
도 5 는 본 발명에 따른 구면 하모닉 기초 함수에 대한 일실시예 설명도,
도 6 는 본 발명에 따른 입력 HDRI에 대한 일실시예 설명도,
도 7 은 본 발명에 따른 구면 하모닉 계수에 대한 일실시예 설명도,
도 8 은 본 발명에 따른 난반사 속성의 BRDF 데이터에 대한 일실시예 설명도,
도 9 는 본 발명에 따른 글로시 속성의 BRDF 데이터에 대한 일실시예 설명도 이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 구면 하모닉 프로세서 110: 조명 모델링 프로세서
120: 래디언스 전달 프로세서 130: BRDF 프로세서
140: 렌더링 프로세서
본 발명은 렌더링 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 렌더링 방정식을 주파수 공간에서 정의하여 사용하고, 또한 실세계 조명정보(Real Radiance) 및 물체 표면의 반사 속성 데이터(BRDF 데이터)를 이용함으로써, 3차원 물체에 사실적인 전역조명 효과를 실시간적으로 줄 수 있게 하는, 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 가상 물체의 렌더링에 전역 조명 효과를 부여하면서도 실시간에 렌더링을 함으로써 이를 게임과 같은 실시간성이 중요시 되는 분야에서 사용하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나, 현재까지의 종래기술에는 실제로 측정된 다양한 물체의 표면 특성을 반영하여 사실적인 조명 효과를 부여하는 것은 없으며, 특히 실시간적으로 조명 효 과를 부여하는 기술이 없다는 문제점이 있었다.
즉, 종래에는 물체의 표면 특성을 표현하기 위해서 일반적으로 이미 수식화되어 제안되어진 표면 속성에 관한 방정식(Phong, Blinn, Cook-Torrance, 등)을 이용하여 표현하였으나 이는 표현하고자 하는 물체의 표면 특성이 방정식의 성격과 정확히 맞아 떨어지지는 않았고, 또한 실시간적인 측면에서도 계산이 불가능하기 때문에 부드러운 그림자나 상호 조영 효과(inter-reflection)와 같은 전역 조명 효과는 실시간을 요구하는 분야에서는 표현이 불가능하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 렌더링 방정식을 주파수 공간에서 정의하여 사용하고, 또한 실세계 조명정보(Real Radiance) 및 물체 표면의 반사 속성 데이터(BRDF 데이터)를 이용함으로써, 3차원 물체에 사실적인 전역조명 효과를 실시간적으로 줄 수 있게 하는, 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 전역조명 효과 표현을 위한 렌더링 장치에 있어서, 전방향에 대하여 조명의 방향이 될 조명 샘플을 생성하여 각각 조명 샘플에 대하여 구면 하모닉 기초(Spherical Harmonics Basis) 함수를 생성하기 위한 구면 하모닉 처리 수단; 상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, HDRI 영상의 조명 정보(Radiance)를 구면 하모닉 조명 계수로 변환하기 위한 조명 모델링 수단; 상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, 전역 조명 모델을 위한 조명 정보(Radiance)의 전달 특성을 나타내는 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수를 미리 계산하기 위한 래디언스 전달 처리 수단; 물체 표면의 반사 속성 정보(BRDF) 데이터를 자료 구조화한 후, 스무딩 과정을 통하여 BRDF 데이터의 계수를 구하기 위한 BRDF 처리 수단; 및 상기 구면 하모닉 조명 계수, 상기 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수, 및 상기 BRDF 데이터 계수를, 벡터의 프러덕트로 표현된 렌더링 방정식에 적용함으로써 렌더링을 수행하기 위한 렌더링 수단을 포함한다.
한편, 본 발명의 방법은, 전역조명 효과 표현을 위한 렌더링 방법에 있어서, 전방향에 대하여 조명의 방향이 될 조명 샘플을 생성하여 각각 조명 샘플에 대하여 구면 하모닉 기초 함수를 생성하는 구면 하모닉처리 단계; 상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, HDRI 영상의 조명 정보(Radiance)를 구면 하모닉 조명 계수로 변환하는 조명 모델링 단계; 상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, 3차원 모델의 각 정점에 대해서 3타원 실제물체가 상기 조명 샘플이 존재하는 구형공간에 위치했을 때의 조명 정보(Radiance)의 전달 특성을 나타내는 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수를 미리 계산하는 래디언스 전달 처리 단계; 물체 표면의 반사 속성 정보(BRDF) 데이터를 자료 구조화한 후, 스무딩 과정을 통하여 BRDF 데이터를 계수화하는 BRDF 처리 단계; 및 상기 구면 하모닉 조명 계수, 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수, 및 BRDF 데이터 계수를, 벡터의 프러덕트로 표현된 렌더링 방정식에 적용함으로써 렌더링을 수행하는 렌더링 단계를 포함한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치의 일실시예 구성도이고, 도 2 는 본 발명에 따른 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 방법에 대한 일실시예 설명도로서, 각 프로세서의 기능과 데이터의 흐름을 자세히 표현한 것이다.
본 발명은, 렌더링 방정식을 구성하고 있는 적분 요소를 벡터의 도트 프러덕트(Dot Product)로 표현할 수 있게 하고, 렌더링 시에 변하지 않는 요소들을 미리 계산함으로써, 실시간 렌더링을 가능하게 하는, 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 제안하는 방법의 목적은 HDRI(High Dynamic Range Image)로부터 얻은 실세계 조명 정보(Real Radiance)를 이용하여 3차원 물체를 렌더링하는데 있어서 측정된 물체 표면의 반사 속성 데이터를 가지고 실시간에 처리하고자 하는 것이다.
측정된 물체의 표면 특성은 그 특성이 다양하기 때문에 이론적으로 구현하기 쉬운 완전난반사(Lambertian)나 퐁(Phong)과 유사한(Phong-like) 글로시 한 표면 특성을 가지는 3차원 물체를 렌더링 하는 것과는 다르다. 따라서 이와 같은 목표를 달성하기 위하여 본 발명은 실세계 조명정보(Real Radiance)와 그 조명 정보(Radiance)들이 어떻게 행동할 것인가에 대한 정보 그리고 측정된 물체의 표면 속성에 대한 데이터를 모두 주파수 공간에서 표현하여 함께 처리할 수 있는 모듈을 구성한다.
이하, 본 발명에 따른 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치의 각각의 구성부분을 간단히 설명하면, 다음과 같다.
구면 하모닉(Spherical Harmonic) 프로세서(100)는 구(Sphere) 공간에서 정의되는 함수가 입력으로 주어질 때, 이를 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 표현으로 전환할 수 있도록 하는 기능(모듈)을 제공하기 위한 프로세서이다. 이는 구면 하모닉(Spherical Harmonic)을 이용하기 위해 구 공간에 대한 샘플을 생성하고 이에 대한 구면 하모닉 기초(Spherical Harmonics Basis) 함수를 계산하기 위한 조명 샘플 생성(Light Sample Generation) 모듈(101)과, 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 계수와 관련된 처리를 담당하는 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 모듈(102)로 구성된다.
한편, 조명 모델링(Light modeling) 프로세서(110)는 조명 정보(Radiance)를 모델링하는 기능(모듈)을 제공하기 위한 프로세서로서, 이는 실세계 조명 정보(Real Radiance)로서 HDRI를 다루기 위한 HDRI 모듈(111)과 조명 정보(Radiance)를 주파수 공간(frequency domain)의 데이터로 모델링하기 위한 조명 모델링(Light modeling) 모듈(112)로 구성된다.
한편, 래디언스 전달(Radiance Transfer) 프로세서(120)는 렌더링 하고자 하는 물체에 대해서 3차원 공간 내에서의 조명정보(radiance)가 어떻게 전달될 것인가를 미리 계산하기 위한 프로세서로서, 이는 래디언스 전달을 나타내는 벡터나 또는 매트릭스를 계산하기 위한 래디언스 전달(Radiance Transfer) 모듈(121)이 있다.
한편, BRDF 프로세서 (130)는 하드웨어로 측정되어 입력으로 사용되는 물체 표면의 반사 속성 정보(BRDF: Bidirectional Reflectance Distributed Function) 데이터(이하, 간단히 BRDF 데이터라 함)를 처리하여 본 발명의 시스템 내에서 사용할 수 있도록 가공하기 위한 기능(모듈)을 제공하는 프로세서이다. 이는 하드웨어로 측정된 BRDF 데이터를 연속적 또는 정규적인 데이터로 변환(smoothing)하기 위한 BRDF 스무딩(Smoothing) 모듈(131)과, 변환되어 저장된 BRDF 데이터를 렌더링 시에 조건에 맞게 검색(indexing)하여 이용할 수 있게 하는 기능을 제공하는 BRDF 검색(Search) 모듈(132)로 구성된다.
렌더링 프로세서(140)는 렌더링 방정식 처리 프로세서로서, 이는 본 발명의 시스템의 목적에 맞게 렌더링 방정식의 적분 요소를 벡터의 도트 프러덕트로 계산하는 기능을 제공하는 렌더링 모듈(141)를 포함하여 이루어진다.
이하, 각각의 프로세서의 기능에 대하여 상세히 설명하면, 다음과 같다.
구면 하모닉(Spherical Harmonic) 프로세서(100)는 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 이론과 연관된 기능을 수행하는 모듈의 집합으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 360˚ 전방향에 대해서 조명의 방향이 될 샘플(도 4)을 생성하는 조명 샘플 생성(Light Sample Generation) 모듈(101)과 각 조명 샘플에 대해서 구면 하모닉 기초(Spherical Harmonics Basis) 함수(도 5)를 생성하고 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 계수에 대한 변환(Transform)을 제공하는 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 모듈(102)로 구성된다.
한편, 조명 모델링(Light modeling) 프로세서(110)는 실세계 조명 정보(Real Radiance)로서 사용될 HDRI를 처리하는 HDRI 처리 모듈(111)과 구면 하모닉(Spherical Harmonic)을 이용하여 영상으로부터 조명 정보(Radiance)를 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 계수로 변환하는 Light modeling 모듈(112)로 구성된다.
여기서, HDRI를 처리하는 HDRI 처리 모듈(111)은 HDRI 영상을 로딩하고 조명정보(radiance)를 자료구조화하는 기능을 한다. HDRI 처리 모듈(111)로부터의 조명정보(radiance)를 이용하여 조명 모델링(Light modeling) 모듈(112)에서 구면 하모닉 조명(Spherical Harmonic Light) 계수를 계산한다. 구 공간에서 정의되는 임의의 함수 f()가 존재할 때, 함수 f()는 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 계수로 표현될 수 있다.
아래의 [수학식 1]은 함수 f()를 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 계수화하는 식을 나타낸다. [수학식 1]에서 c는 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 계수를 나타내고, y()는 구면 하모닉 기초(Spherical Harmonics Basis) 함수이다. 도 6에 도시된 바와 같은 HDRI를 사용한 경우, 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 계수는 도 7과 같이 표현된다.
Figure 112004060022312-pat00001
한편, 래디언스 전달(Radiance Transfer) 프로세서(120)는 3차원 모델의 각 정점에 대해서 그 3차원 물체가 도 4와 같은 조명 샘플이 존재하는 구형 공간에 위치되었을 때, 어떠한 영향을 받게 될 것인가에 대하여 미리 계산하여 저장해 두기 위한 기능(모듈 121)을 한다.
3차원 물체의 표면 특성이 카메라의 방향과 무관한 완전 난반사 특성인 경우는 그 결과가 벡터의 형태를 가지며, 글로시한 속성을 가지는 물체로 가정하는 경우는 카메라의 방향에 따라 조명정보 전달(Radiance Transfer)의 결과가 달라지기 때문에 그 결과가 매트릭스의 형태로 표현된다.
본 발명에서 사용되는 하드웨어에 의해서 측정된 BRDF 데이터를 직접 사용하는 경우에는 측정 데이터로부터 글로시 정보를 판단하여 벡터의 형태로 표현할지 매트릭스의 형태로 표현할지를 결정하게 된다. 도 8은 난반사 속성이 강한 BRDF 데이터를 나타낸다. 도 9는 글로시 속성이 있는 BRDF 데이터를 보여준다.
BRDF 프로세서(130)는 측정된 BRDF 데이터를 입력으로 사용하여 본 발명의 시스템에서 사용할 수 있도록 스무딩(smoothing) 과정(혹은 인터폴레이션)을 거치는 기능을 하는 BRDF 스무딩(Smoothing) 모듈(131)과 이 모듈에 의해서 생성된 데이터 구조로부터 원하는 방향의 BRDF 데이터를 검색하는 기능을 하는 BRDF 검색(Search) 모듈(132)로 구성된다. 이 모듈은 본 발명의 주요한 기능을 담당한다. 즉, 하드웨어로 측정된 실제 물체의 BRDF 데이터를 구면 하모닉(Spherical Harmonic) 이론을 이용하여 계수화 한 뒤, 3차원 물체의 실시간 렌더링에 이용할 수 있도록 하는 것이다. 사용될 수 있는 BRDF 데이터는 코넬 대학에서 제공하고 있는 측정데이터인 BRDF 데이터와 콜롬비아 대학에서 제공하고 있는 측정데이터인 CUReT BRDF 데이터 뿐만 아니라 그 데이터 파일의 로더만 주어진다면 임의로 방식으로 측정된 어떤 BRDF 데이터도 사용할 수 있다. 여기서, CUReT BRDF는 Columbia Utrecht Reflectance and Texture Database(CUReT)에서 제공되는 BRDF 데이터를 나타낸다. 이를 더욱 상세히 설명하면, BRDF란 빛이 물체에 도달했을 때 어떤 특성을 가지고 빛이 반사되는가에 대한 함수를 나타내는 것인데, CUReT BRDF 데이터는 어떤 물체(예를 들면, 금속, 플라스틱 등)의 대표적인 BRDF 특성을 가지고 있는 텍스처 데이터 및 수치 데이터를 제공하는 리포지터리(Repository)에 해당합니다.
본 발명에서는 다음과 같은 방식으로 BRDF 데이터를 스무딩(Smoothing)을 한다. BRDF 데이터는 보통 (theta_i, phi_i, theta_o, phi_o, RGB data)의 형태를 가진다.
(theta_i, phi_i)는 조명(light)의 방향을 나타내고, (theta_o, phi_o)는 카메라의 방향, RGB 데이터는 BRDF 데이터를 RGB값으로 표현한 것이다. 우선, theta_o를 기준으로 오름차순 정렬한다. 이 결과를 가지고 다시 phi_o를 기준으로 오름차순 정렬한다. 마지막으로 theta_i를 기준으로 오름차순 정렬한다.
만약 BRDF 데이터가 등방적(isotropic) 특성을 가지면, phi_i 성분을 무시할 수 있다. 이 때에는 측정된 BRDF 데이터에 나타나 있는 카메라의 방향(theta_o, phi_o)을 기준으로 BRDF 데이터를 자료구조화한다. 이 때, 파라볼릭 맵(parabolic map)을 사용한다.
여기서, 파라볼릭 맵은 그 형태상 인덱싱에 의해서 180도 공간을 표현할 수 있기 때문에 3차원 물체의 노말(normal)과 조명(light)의 방향이 이루는 각이 90˚내에 포함되는 영역인 반구 영역에 대해서 BRDF 데이터를 자료구조화할 수 있다. 따라서 (theta_o, phi_o)를 이용하여 파라볼릭 맵을 인덱싱 한다.
이 때 앞에서 설명한 도 4에서 생성된 조명(light) 샘플이 (theta_i, phi_i)로 사용된다. 최종적으로 생성된 파라볼릭 맵은 3차원 물체의 각 정점에 대해서 각각 생성된다. 맵에 저장되는 값은 구면 하모닉(Spherical Harmonic) BRDF 계수이며 [수학식 1]과 같은 식에 의해서 계산될 수 있다.
결과적으로 3차원 물체를 구성하는 정점에 수에 의해서 사용되는 메모리가 점차 증가하지만, 이것은 전처리(Pre-processing) 과정으로서 한번만 계산되기 때문에, 렌더링 시에는 BRDF Search 모듈(132)에 의해서 이미 계산되어 있는 값을 가져다 사용하므로 속도에는 영향을 미치지 않는다.
BRDF Search 모듈(132)에서는 스무딩(Smoothing)과정에서 사용했던 인덱싱 방법을 똑같이 사용한다([수학식 2]). 현재 카메라의 방향을 이용하여 파라볼릭 맵의 인덱스를 결정하고 저장되어 있는 데이터를 얻어온다. 이 때, 저장되어 있는 값이 없는 경우가 발생하는데, 이 때는 3 X 3 윈도우를 설정하여 주변 영역에서 값을 얻어온다. 이러한 주변 값은 결국 카메라 방향의 주면 영역이 된다.
Figure 112004060022312-pat00002
마지막으로, 렌더(Render) 프로세서(140)는 앞에서 설명한 모듈들에서 얻어진 결과를 이용하여, 렌더링 방정식을 풀기 위한 기능(모듈 141)을 수행하는 것으로서, 기존의 렌더링 방정식이 적분을 요소를 가짐으로써 그 속도가 느렸던 것과 비교하여 벡터와 벡터의 도트 프러덕트로 렌더링 방정식을 표현한다.
아래의 [수학식 3]은 일반적인 렌더링 방정식을 나타낸다. 아래의 [수학식 4]는 렌더링 방정식을 구 공간에서 표현되는 각 함수로 분리하고 이것을 각각 계수화 하여 벡터 또는 매트릭스로 표현하여 벡터와 벡터 또는 벡터와 매트릭스 간의 도트 프러덕트로 표현한 식이다.
Figure 112004060022312-pat00003
여기서, LP(o)은 반사광 세기(Reflected Light Intensity), f(s, o)는 BRDF, L(s)는 입사광 세기(Incident Light Intensity), VP(s)는 가시성 함수(Visibility Function), HNp(s)는 Geometirc Term을 나타낸다.
Figure 112004060022312-pat00004
여기서, L은 입사광(Incident Light) 정보에 대한 계수 집합(즉, 구면 하모닉 조명 계수 집합) , Tp는 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수 집합, B는 BRDF 데이터에 대한 계수 집합을 나타낸다.
도 3 은 본 발명에 따른 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
본 발명은 영상으로부터의 실세계 조명정보(Real Radiance)를 가지고 3차원 물체를 렌더링 할 때 실시간에 전역조명 효과를 표현할 수 있도록 하기 위한 것으로, 영상으로부터의 조명정보(Radiance)를 모델링하고 물체가 놓여진 구 공간에서 조명 정보(Radiance)가 물체의 각 정점에서 어떻게 전달될 것인가를 미리 계산하는 기능과 물체의 표면 특성에 관한 정보를 계수화 하는 기능을 수행한다.
본 발명은 가상의 3차원 물체를 실사 조명정보(Real image radiance)를 이용하여 실시간에 사실적으로 렌더링하고자 하는 것으로 특히, 한 픽셀에 대한 정보가 실수(floating-point)로써 표현되어 있는 영상인 HDRI를 이용함으로써, 실세계에 존재하는 조명 정보(Radiance)를 충분히 렌더링에 반영하여 사실적 영상을 생성하고 그러면서도 실시간에 렌더링이 가능하도록 한다.
이를 위해서, 영상에서 추출한 조명 정보(Radiance)를 주파수 공간의 표현으로 전환하여 계수화(coefficient 계산) 함으로써 N개의 요소로 구성된 벡터를 구성한다. 또한 조명 정보(Radiance)가 구 공간에서 각 정점에 어떻게 전달될 것인가를 미리 계산하여 또한 주파수 공간의 표현으로 전환하여 계수화한다. 이때, 이 계수들은 3차원 물체의 표면 속성에 따라 N개의 요소로 구성된 벡터로 구성할 수도 있고, N×N의 매트릭스로 구성할 수도 있다. 물체의 표면 속성이 반짝임이 있는 글로시(glossy)한 경우에는 매트릭스로 구성한다.
아하, 도 3의 흐름도에 따라 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 구면 하모닉 프로세서(100)는 전방향에 대하여 조명의 방향이 될 조명 샘플을 생성하여 각각 조명 샘플에 대하여 구면 하모닉 기초(Spherical Harmonics Basis) 함수를 생성한다(300).
다음은, 조명 모델링 프로세서(110)는 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, HDRI 영상의 조명 정보(Radiance)를 구면 하모닉 조명 계수로 변환한다(302). 즉, HDRI 영상의 조명정보(Radiance)를 자료구조화하고, 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여 자료구조화된 조명 정보(Radiance)로부터 구면 하모닉 조명 계수를 계산한다.
한편, 래디언스 전달 프로세서(120)는 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, 전역 조명 모델을 위한 조명 정보(Radiance)의 전달 특성을 나타내는 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수를 미리 계산한다(304). 즉, 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, 3차원 모델의 각 정점에 대해서 3차원 실제물체가 조명 샘플이 존재하는 구형 공간에 위치했을 때의 영향을 나타내는 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수를 미리 계산하여 저장한다.
한편, BRDF 프로세서(130)는 물체 표면의 반사 속성 정보(BRDF) 데이터를 자료 구조화한 후, 스무딩 과정을 통하여 BRDF 데이터의 계수를 구한다(306). 즉, BRDF 프로세서(130)는 외부의 하드웨어에 의해서 측정된 BRDF 데이터를, 카메라의 방향 및 조명 방향을 기준으로 정렬한 후, 파라볼릭 맵 형태로 인덱싱하여 저장한다. 여기서, 정렬 과정은, 카메라의 방향을 기준으로 정렬한 후, 다시 조명 방향을 기준으로 정렬한다. 또한, BRDF 프로세서(130)는 외부의 하드웨어에 의해서 측정된 BRDF 데이터를 직접 사용하는 경우에는 글로시 정보의 유무를 판단하여, 글로시 정보가 있으면 매트릭스 형태로 표현하고, 글로시 정보가 없으면 벡터 형태로 표현한다.
그러면, 렌더링 프로세서(140)는 구면 하모닉 조명 계수, 상기 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수, 및 상기 BRDF 데이터 계수를, 벡터의 프러덕트로 표현된 렌더링 방정식에 적용함으로써 렌더링을 수행한다(308). 여기서, 렌더링 프로세서(140)는 현재 카메라의 방향을 이용하여 파라볼릭 맵의 인덱스를 결정하고, 결정된 인덱스를 이용하여, 저장되어 있는 BRDF 계수를 검색하여 렌더링 과정에 사용한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, HDRI에 나타난 실세계 조명정보(Real Radiance)와 하드웨어에 의해서 실제로 측정된 물체 표면의 반사 속성 데이터(BRDF)를 가지고 전역조명 모델 효과를 생성하는 실시간 렌더링을 위한 도구를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 가상의 3차원 물체를 실사 조명정보(Real image radiance)를 이용하여 실시간에 사실적으로 렌더링함으로써, 특히 한 픽셀에 대한 정보가 실수(floating-point)로써 표현되어 있는 영상인 HDRI를 이용함으로써, 실세계에 존재하는 조명 정보(Radiance)를 충분히 렌더링에 반영하여 사실적 영상을 생성하면서도 실시간 렌더링이 가능하도록 하는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 전역조명 효과 표현을 위한 렌더링 장치에 있어서,
    전방향에 대하여 조명의 방향이 될 조명 샘플을 생성하여 각각 조명 샘플에 대하여 구면 하모닉 기초(Spherical Harmonics Basis) 함수를 생성하기 위한 구면 하모닉 처리 수단;
    상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, HDRI(High Dynamic Range Image)로 영상의 조명 정보(Radiance)를 구면 하모닉 조명 계수로 변환하기 위한 조명 모델링 수단;
    상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, 전역 조명 모델을 위한 조명 정보(Radiance)의 전달 특성을 나타내는 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수를 미리 계산하기 위한 래디언스 전달 처리 수단;
    물체 표면의 반사 속성 정보(BRDF) 데이터를 자료 구조화한 후, 스무딩 과정을 통하여 BRDF 데이터의 계수를 구하기 위한 BRDF 처리 수단; 및
    상기 구면 하모닉 조명 계수, 상기 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수, 및 상기 BRDF 데이터 계수를, 벡터의 도트 프러덕트(Dot Product)로 표현된 렌더링 방정식에 적용함으로써 렌더링을 수행하기 위한 렌더링 수단
    를 포함하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 모델링 수단은,
    상기 HDRI 영상의 조명정보(Radiance)를 자료구조화하고, 상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여 상기 자료구조화된 조명 정보(Radiance)로부터 상기 구면 하모닉 조명 계수를 계산하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 래디언스 전달 처리 수단은,
    상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, 3차원 모델의 각 정점에 대해서 3차원 실제물체가 상기 조명 샘플이 존재하는 구형 공간에 위치했을 때의 영향을 나타내는 상기 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수를 미리 계산하여 저장하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 BRDF 처리 수단은,
    외부의 하드웨어에 의해서 측정된 BRDF 데이터를, 카메라의 방향 및 조명 방향을 기준으로 정렬한 후, 파라볼릭 맵 형태로 인덱싱하여 저장하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 BRDF 처리 수단에서의 정렬 과정은,
    카메라의 방향을 기준으로 정렬한 후, 다시 조명 방향을 기준으로 정렬하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 BRDF 데이터는,
    조명 방향, 카메라 방향, 및 RGB 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 조명 방향은,
    상기 조명 샘플을 사용하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 BRDF 처리 수단은,
    외부의 하드웨어에 의해서 측정된 BRDF 데이터를 직접 사용하는 경우에는 글로시 정보의 유무를 판단하여, 상기 글로시 정보가 있으면 매트릭스 형태로 표현하고, 상기 글로시 정보가 없으면 벡터 형태로 표현하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 렌더링 수단은,
    현재 카메라의 방향을 이용하여 파라볼릭 맵의 인덱스를 결정하고, 결정된 인덱스를 이용하여, 저장되어 있는 BRDF 계수를 검색하여 상기 렌더링 과정에 사용하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 장치.
  10. 전역조명 효과 표현을 위한 렌더링 방법에 있어서,
    전방향에 대하여 조명의 방향이 될 조명 샘플을 생성하여 각각 조명 샘플에 대하여 구면 하모닉 기초 함수를 생성하는 구면 하모닉처리 단계;
    상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, HDRI 영상의 조명 정보(Radiance)를 구면 하모닉 조명 계수로 변환하는 조명 모델링 단계;
    상기 구면 하모닉 기초 함수를 이용하여, 3차원 모델의 각 정점에 대해서 3 타원 실제물체가 상기 조명 샘플이 존재하는 구형공간에 위치했을 때의 조명 정보(Radiance)의 전달 특성을 나타내는 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수를 미리 계산하는 래디언스 전달 처리 단계;
    물체 표면의 반사 속성 정보(BRDF) 데이터를 자료 구조화한 후, 스무딩 과정을 통하여 BRDF 데이터를 계수화하는 BRDF 처리 단계; 및
    상기 구면 하모닉 조명 계수, 가시성 및 기하 항(Geometric Term)에 대한 계수, 및 BRDF 데이터 계수를, 벡터의 프러덕트로 표현된 렌더링 방정식에 적용함으로써 렌더링을 수행하는 렌더링 단계
    를 포함하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 BRDF 처리 단계는,
    외부의 하드웨어에 의해서 측정된 BRDF 데이터를, 카메라의 방향 및 조명 방향을 기준으로 정렬하는 정렬 단계; 및
    상기 정렬 단계에서 정렬된 측정 BRDF 데이터를 파라볼릭 맵 형태로 인덱싱하여 저장하는 저장 단계
    를 포함하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 정렬 단계는,
    카메라의 방향을 기준으로 정렬한 후, 다시 조명 방향을 기준으로 정렬하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 렌더링 단계는,
    현재 카메라의 방향을 이용하여 파라볼릭 맵의 인덱스를 결정하고, 결정된 인덱스를 이용하여, 저장되어 있는 BRDF 계수를 검색하여 상기 렌더링 과정에 사용하는 것을 특징으로 하는 실시간 전역조명 효과를 위한 렌더링 방법.
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