KR100724609B1 - A method for generating a cube mesh structure for a terrain rendering - Google Patents

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KR100724609B1 KR1020070037169A KR20070037169A KR100724609B1 KR 100724609 B1 KR100724609 B1 KR 100724609B1 KR 1020070037169 A KR1020070037169 A KR 1020070037169A KR 20070037169 A KR20070037169 A KR 20070037169A KR 100724609 B1 KR100724609 B1 KR 100724609B1
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신병석
강동수
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

A method for generating a cube mesh structure for terrain rendering is provided to solve problems of conventional methods for accelerating voxel-based ray casting and enable effective terrain rendering. The standard deviation for all of height field data which represents a height value of terrain is calculated and the standard deviation is multiplied by a constant to obtain a division reference value(S01). All the height field data is grouped into a block and the block is divided(S02). A difference between maximum and minimum values of the height field data is obtained for the block(S03). The difference between the maximum and minimum values is compared with the division reference value(S04). When the difference is greater than the division reference value, the block is divided into four(S05). When the difference is smaller than the division reference value, the division is finished and the maximum and minimum values and position coordinates are stored(S06).

Description

지형 렌더링을 위한 큐브 메쉬 구조를 생성하는 방법{A METHOD FOR GENERATING A CUBE MESH STRUCTURE FOR A TERRAIN RENDERING}A METHOD FOR GENERATING A CUBE MESH STRUCTURE FOR A TERRAIN RENDERING}

도 1은 다각형 지원 광선 투사법(PARC)에서 의미 있는 복셀(기여 복셀)을 선택하는 방법을 나타내는 도면.1 illustrates a method for selecting meaningful voxels (contributing voxels) in polygonal assisted ray projection (PARC).

도 2는 엔벨롭 방법에 대해 나타내는 도면으로서, 도 2a와 도 2b는 각각 엔벨롭 방법에서 엔벨롭 메쉬(envelop mesh)를 생성하는 방법, 및 엔벨롭 방법에서 발생할 수 있는 컨벡스 문제(지형이 생성된 둘러싼 메쉬를 뚫고 지나가는 문제)를 나타내는 도면.FIG. 2 is a diagram illustrating an envelope method, and FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating a method of generating an envelope mesh in an envelope method, and a convex problem that may occur in the envelope method. Drawing through the surrounding mesh).

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 큐브 메쉬 생성 방법의 각 단계들을 나타내는 블록도.Figure 3 is a block diagram showing the steps of the cube mesh generating method according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 고도 데이터를 이용하여 전체 고도 데이터 블록을 분할하는 방법을 나타내는 도면.4 illustrates a method of dividing an entire block of altitude data using altitude data in accordance with an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 큐브 메쉬를 생성하는 과정을 나타내는 도면으로서, 도 5a는 블록의 분할이 종료된 경우에 얻어지는 각각의 블록에 대한 최대값, 최소값 정보를 나타내는 도면이고, 도 5b는 도 5a의 최대값 정보를 이용하여 큐브를 생성하는 것을 나타내는 도면이며, 도 5c는 도 5b에서 생성된 큐브에 최소값 정보를 반영하여 크기를 조정한 후 이들을 합침으로써 최종적인 큐브 메쉬를 생성하는 것을 나타내는 도면.FIG. 5 is a diagram illustrating a process of generating a cube mesh according to an embodiment of the present invention. FIG. 5A is a diagram illustrating maximum and minimum value information for each block obtained when partitioning of blocks is completed. 5B is a diagram illustrating the generation of a cube using the maximum value information of FIG. 5A, and FIG. 5C illustrates a final cube mesh by resizing and reflecting the minimum value information in the cube generated in FIG. 5B and combining them. Drawing showing that.

도 6은 본 발명에 따라 최종적으로 생성된 큐브 메쉬의 일예를 나타내는 도면.6 illustrates an example of a cube mesh finally created according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따라 생성된 큐브 메쉬 구조를 이용하는 렌더링 방법과 엔벨롭 방법의 렌더링 시간(전처리 단계를 제외한 렌더링 단계만의 시간)을 비교하는 도면.7 is a view comparing the rendering time (time of the rendering step except the preprocessing step) of the rendering method and the envelope method using the cube mesh structure generated according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 방법과 엔벨롭 방법의 결과 영상을 비교하는 도면으로서, 도 8a 및 도 8b는 엔벨롭 방법에 의해 생성된 결과 영상을 나타내는 도면이고, 도 8c는 본 발명에 따른 큐브 메쉬를 사용하여 생성된 결과 영상을 나타내는 도면.8 is a view comparing the resultant image of the method according to the present invention and the envelope method, Figures 8a and 8b is a view showing the resultant image generated by the envelope method, Figure 8c is a cube mesh according to the present invention A diagram showing a resultant image generated using.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

310 : 고도 데이터310: altitude data

320 : 쿼드 트리 생성에 필요한 정보를 가공하는 단계320: processing information required for quad tree generation

330 : 쿼드 트리를 생성하는 단계330: step of creating a quad tree

340 : 큐브 메쉬를 생성하는 단계340: step of creating a cube mesh

S01 : 분할기준값을 계산하는 단계S01: step of calculating a split reference value

S02 : 고도 데이터 전체를 한 블록으로 하여 블록의 분할을 시작하는 단계S02: step of starting dividing the block using all the altitude data as one block

S03 : 해당 블록에 대하여 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 계산하는 단계S03: calculating a difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the block

S04 : 최대값과 최소값의 차이를 분할기준값과 비교하는 단계S04: comparing the difference between the maximum value and the minimum value with the divided reference value

S05 : 해당 블록을 4등분하는 단계S05: divide the block into quarters

S06 : 해당 블록에 대한 분할을 종료하는 단계S06: ending the split for the block

S06_2 : 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값, 최소값 및 위치 좌표를 저장하는 단계S06_2: storing maximum, minimum and position coordinates of the altitude data for the block

S07 : 분할이 가능한 블록이 남아있는지 확인하는 단계S07: checking whether a block capable of splitting remains

S08 : 해당 블록에 대해 단계 S03 내지 S07을 반복하는 단계S08: repeating steps S03 to S07 for the block

S09 : 전체 블록에 대한 분할을 종료하는 단계S09: end of division for all blocks

S10 : 3차원 공간상에 실제의 큐브를 생성하는 단계S10: step of creating a real cube in a three-dimensional space

본 발명은 지형 렌더링을 위한 큐브 메쉬 구조(cube mesh structure)를 생성하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 특정 블록의 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 고도 데이터 전체에 대한 표준편차에 기초한 분할기준값과 비교하는 방법에 의해 해당 특정 블록의 분할 여부를 결정하고, 분할이 최종 종료된 블록들의 정보를 이용하여 3차원 공간상에 지형을 둘러싸는 큐브 메쉬 구조를 생성함으로써, 복셀 기반의 광선 투사법을 가속화하기 위한 기존의 방법들이 가지고 있는 문제점을 해결하면서 동시에 효과적인 지형 렌더링을 가능하게 하는 큐브 메쉬 구조를 생성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for generating a cube mesh structure for terrain rendering. More specifically, the difference between the maximum value and the minimum value of the elevation data of a specific block is divided based on the standard deviation of the elevation data. The voxel-based ray projection method determines whether a specific block is divided by a method of comparing with a reference value, and generates a cube mesh structure that surrounds the terrain in three-dimensional space by using the information of the blocks in which the split is finally completed. The present invention relates to a method of generating a cube mesh structure that solves the problems of existing methods for speeding up a graph while simultaneously enabling effective terrain rendering.

지형 렌더링(terrain rendering)은, 지리 정보 시스템(Geographic Information System; GIS), 비행 시뮬레이션, 대화식 컴퓨터 게임 등과 같은 다양한 분야에서 이용되고 있다. 지형 렌더링을 위한 방법으로 삼각형 메쉬나 다른 다각형 모델들이 흔히 사용되고 있지만, 고도 데이터(height field data) 또한 지형을 표시하기 위한 방법으로 많이 사용된다. 광선 투사법(ray casting)은 고도 데이터를 이용하여 지형을 렌더링 하는 방법 중 하나로서, TIN(Triangle Irregular Network)와 같은 기하학적 모델링 없이 직접적으로 장면을 렌더링 할 수 있다는 것이 특징이다. 광선 투사법은 현실적이고 좋은 이미지를 생성할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 알고리즘의 고유 복잡도 때문에 수행 시간이 많이 걸린다는 단점 또한 가진다. 예를 들면, 이전부터 연구되어온 복셀 기반의 광선 투사법은 시각 절두체 선별이나 상세 단계 선택을 수행하기 위해서 많은 양의 CPU 계산을 요구한다.Terrain rendering is used in various fields such as Geographic Information System (GIS), flight simulation, interactive computer games and the like. Triangular meshes and other polygonal models are commonly used for terrain rendering, but height field data is also commonly used to represent terrain. Ray casting is a method of rendering terrain using elevation data, and is characterized by directly rendering a scene without geometric modeling such as a triangle irregular network (TIN). Ray projection has the advantage of producing realistic and good images, but also has the disadvantage that it takes much time to execute due to the inherent complexity of the algorithm. For example, previously studied voxel-based ray projection methods require a large amount of CPU calculation to perform visual frustum screening or step selection.

복셀 기반의 광선 투사법에서 CPU 계산량을 줄이기 위한 다양한 연구들이 진행되어져 왔다. 다각형 지원 광선 투사법(Polygon Assist Ray Casting; PARC)도 그러한 연구 중의 하나이다. 도 1은 다각형 지원 광선 투사법(PARC)에서 의미 있는 복셀(기여 복셀)을 선택하는 방법을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, PARC는 각각의 광선을 따라 마지막 이미지에 영향을 미치는(기여하는) 가장 가깝고 가장 멀리 있는 복셀들 사이의 거리에 의해 둘러싼 다각형의 쌍들을 결정하고, 이를 렌더링에 이용하는 방법이다. 일반적으로 해당 거리 값들은 둘러싼 다각형 모델의 투영에 의해서 얻어진다. 최초의 PARC 알고리즘은 시간 일관성을 사용하여 점차적인 이미지 선명화가 수행되는 방법이었다. 처음 프레임에서 PARC 알고 리즘은 전체 복셀 데이터에 대해서 둘러싼 다각형들에 대한 계산을 수행해야 하므로, 렌더링 속도는 상대적으로 느리다. 하지만 시간이 지날수록 이전 프레임보다 둘러싼 다각형이 촘촘해지게 되면서 최종 이미지에 영향을 미치는 복셀들만을 고려하면 되기 때문에 렌더링 속도가 점차적으로 빨라지게 된다.Various studies have been conducted to reduce CPU computation in voxel-based ray projection. Polygon Assist Ray Casting (PARC) is one such study. FIG. 1 is a diagram illustrating a method of selecting meaningful voxels (contributing voxels) in polygonal assisted ray projection (PARC). As shown in FIG. 1, PARC determines a pair of polygons surrounded by the distance between the closest and furthest voxels that affect (contribute) the last image along each ray and use it for rendering. to be. Typically, these distance values are obtained by projection of the surrounding polygonal model. The original PARC algorithm was a method in which progressive image sharpening was performed using time coherence. In the first frame, the PARC algorithm has to perform calculations on the surrounding polygons for the entire voxel data, so rendering speed is relatively slow. However, as time goes by, the surrounding polygon becomes denser than the previous frame, and the rendering speed is gradually increased because only the voxels affecting the final image are considered.

최초의 PARC 알고리즘은 볼륨 광선 투사법을 가속화하기 위해 고안된 것이었다. 이와 비슷하게 최근 고도 데이터에 적용할 수 있는 광선 투사법을 사용한 엔벨롭 방법(Envelope Method)이 발표되었다. 도 2는 엔벨롭 방법에 대해 나타내는 도면으로서, 도 2a와 도 2b는 각각 엔벨롭 방법에서 엔벨롭 메쉬(envelop mesh)를 생성하는 방법, 및 엔벨롭 방법에서 발생할 수 있는 컨벡스 문제(지형이 생성된 둘러싼 메쉬를 뚫고 지나가는 문제)를 나타내는 도면이다. 엔벨롭 방법은 그래픽 하드웨어를 사용하며, 복셀 기반의 지형 렌더링 기법을 확장한 것으로서, 렌더링 단계에서 지형의 표면을 감싸고 있는 둘러싼 다각형 메쉬(엔벨롭 메쉬)를 생성한다. 도 2a에 도시된 예의 엔벨롭 방법에서는, 전체 고도 데이터를 n x n 크기의 블록으로 나눈 후, 각 블록의 최대값을 가지는 점들을 선별한 뒤, 이들 점을 연결함으로써 삼각형 메쉬를 생성하고 있다. 하지만 엔벨롭 방법은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 각 블록에 대해 단지 최대값만을 고려하여 둘러싼 다각형을 생성하기 때문에 실제 지형이 둘러싼 다각형을 뚫고 나가는 아주 치명적인 문제(컨벡스 문제)가 발생 할 수 있으며, 이것은 최종 이미지에 왜곡을 불러일으키게 된다. 엔벨롭 방법에서의 컨벡스 문제를 해결하기 위한 방법으로 지형을 나누는 블록의 크기(n)를 줄이는 방법을 생각해 볼 수 있다. 하지만, 본 출원인이 실제 실험해 본 바에 따르 면, 블록의 크기를 충분히 줄였음에도 불구하고, 컨벡스 문제가 쉽게 해결되지 않았다. 요약하자면, 엔벨롭 방법에서 블록의 크기(n)를 매우 작게 함으로써 컨벡스 문제를 어느 정도 해결할 수는 있겠지만, 그 대가로 아주 촘촘하게 둘러 싼 다각형 메쉬를 생성하기 위해 전처리 단계와 렌더링 단계에서 촘촘한 블록 생성과 많은 수의 정점을 삼각형화 하는데 매우 많은 시간을 소비하게 된다. 따라서 복셀 기반의 광선 투사법을 가속화한다는 엔벨롭 방법의 장점은 그대로 가지면서, 컨벡스 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법이 필요하다.The first PARC algorithm was designed to accelerate volume ray projection. Similarly, recently, the envelope method using ray projection, which can be applied to elevation data, has been announced. FIG. 2 is a diagram illustrating an envelope method, and FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating a method of generating an envelope mesh in an envelope method, and a convex problem that may occur in the envelope method. (The problem of passing through the surrounding mesh). The envelope method uses graphics hardware and extends the voxel-based terrain rendering technique, which creates an enclosed polygon mesh (envelope mesh) that surrounds the surface of the terrain during the rendering phase. In the envelope method of the example shown in FIG. 2A, after dividing the total altitude data into blocks of size n × n, selecting points having the maximum value of each block, triangular meshes are generated by connecting these points. However, the envelope method, as shown in Fig. 2b, generates a surrounding polygon by considering only the maximum value for each block, which can cause a very fatal problem (convex problem) in which the actual terrain penetrates the surrounding polygon. This will cause distortion in the final image. One way to solve the convex problem in the envelope method is to reduce the size (n) of the dividing block. However, according to the applicant's actual experiment, the convex problem was not easily solved even though the size of the block was sufficiently reduced. In summary, the envelope method can solve some of the convex problem by making the block size very small (n), but in return, in the preprocessing and rendering steps, It takes a lot of time to triangulate a large number of vertices. Therefore, while maintaining the advantages of the envelope method of accelerating voxel-based ray projection, a new method is needed to solve the convex problem.

본 발명은 상기와 같은 필요성 인식에서 비롯된 것으로서, 특정 블록의 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 고도 데이터 전체에 대한 표준편차에 기초한 분할기준값과 비교하는 방법에 의해 해당 특정 블록의 분할 여부를 결정하고, 분할이 최종 종료된 블록들의 정보를 이용하여 3차원 공간상에 지형을 둘러싸는 큐브 메쉬 구조를 생성함으로써, 복셀 기반의 광선 투사법을 가속화하기 위한 기존의 방법들이 가지고 있는 문제점을 해결하면서 동시에 효과적인 지형 렌더링을 가능하게 하는 큐브 메쉬 구조를 생성하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention originates from the above recognition of necessity, and determines whether to partition the specific block by a method of comparing the difference between the maximum value and the minimum value of the elevation data of the specific block with the division reference value based on the standard deviation of the entire elevation data. By creating a cube mesh structure that surrounds the terrain in three-dimensional space using the information of the blocks whose segmentation is finally finished, while solving the problems of existing methods for accelerating the voxel-based ray projection method, Its purpose is to provide a method for generating a cube mesh structure that enables effective terrain rendering.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 지형 렌더링에 사용할 수 있는 큐브 메쉬 구조 생성 방법은,Cube mesh structure generation method that can be used for terrain rendering according to the characteristics of the present invention for achieving the above object,

(1) 지형의 고도값을 표시하는 고도 데이터(height field data)를 이용하여, 고도 데이터 전체에 대한 표준편차를 구한 후, 구해진 상기 표준편차에 상수 값을 곱하여 분할기준값을 구하는 단계;(1) obtaining a standard deviation of the whole elevation data using height field data indicating elevation values of the terrain, and then multiplying the obtained standard deviation by a constant value to obtain a split reference value;

(2) 고도 데이터 전체를 한 블록으로 하여 블록의 분할을 시작하는 단계;(2) starting dividing the block using the entire altitude data as one block;

(3) 해당 블록에 대하여 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 구하는 단계;(3) calculating a difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the block;

(4) 구해진 상기 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값과 최소값의 상기 차이를 상기 분할기준값과 비교하는 단계;(4) comparing the difference between the obtained maximum and minimum values of the altitude data for the corresponding block with the split reference value;

(5) 상기 단계 (4)에서의 비교 결과, 상기 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값과 최소값의 상기 차이가 상기 분할기준값보다 크면, 상기 해당 블록을 4등분하는 단계;(5) dividing the corresponding block into quarters if the difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the corresponding block is greater than the division reference value as a result of the comparison in the step (4);

(6) 상기 단계 (4)에서의 비교 결과, 상기 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값과 최소값의 상기 차이가 상기 분할기준값 이하이면, 상기 해당 블록에 대한 분할을 종료하고, 상기 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값, 최소값 및 위치 좌표를 저장하는 단계;(6) If the difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the corresponding block is less than or equal to the division reference value, as a result of the comparison in the step (4), the division of the corresponding block is terminated, and Storing a maximum value, a minimum value, and a position coordinate of the altitude data;

(7) 분할이 가능한 블록이 남아있는지 확인하는 단계;(7) checking whether a block capable of splitting remains;

(8) 상기 단계 (7)에서의 확인 결과, 분할이 가능한 블록이 남아있으면, 해당 블록에 대해 단계 (3) 내지 (7)를 반복하는 단계;(8) repeating steps (3) to (7) for the block if the dividable block remains as a result of the checking in step (7);

(9) 상기 단계 (7)에서의 확인 결과, 분할이 가능한 블록이 남아있지 않으면, 전체 블록에 대한 분할을 종료하는 단계; 및(9) if the block in which division is possible remains as a result of the checking in step (7), terminating division for all blocks; And

(10) 분할이 종료된 각각의 블록에 대해 저장된 고도 데이터의 최대값, 최소값 및 위치 좌표를 이용하여, 3차원 공간상에 실제의 큐브 메쉬(cube mesh)를 생성 하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.(10) constructing an actual cube mesh in three-dimensional space, using the maximum, minimum, and position coordinates of the elevation data stored for each block for which partitioning is complete. Features of the jacket.

바람직하게는, 상기 단계 (6)에서 분할이 종료된 블록에 대하여 종료 플래그를 설정한 후, 각각의 블록에 대한 종료 플래그 설정 여부를 이용하여 상기 단계 (7)에서 분할이 가능한 블록이 남아있는지를 확인할 수 있다.Preferably, after setting the end flag for the block in which division is completed in step (6), whether a block capable of dividing in step (7) remains by using whether to set an end flag for each block. You can check it.

또한, 바람직하게는, 상기 단계 (1)에서 상기 표준편차에 곱해지는 상기 상수 값을 1로 설정할 수 있다.Also, preferably, in step (1), the constant value multiplied by the standard deviation may be set to one.

출원인은, 고도 데이터의 실시간 렌더링을 위해서 전처리 과정과 렌더링 과정의 두 단계로 이루어진 복셀 기반의 지형 렌더링 기법을 연구하였다. 전처리 단계에서는, 지형의 표면을 완전히 감싸는 큐브 메쉬를 생성하게 되며, 렌더링 단계에서는, 전처리 단계에서 생성된 큐브 메쉬를 이용하여 복셀 기반의 광선 투사법을 가속화시키게 된다.Applicants studied voxel-based terrain rendering techniques, which consist of two stages of preprocessing and rendering for real-time rendering of elevation data. In the preprocessing step, a cube mesh is created that completely covers the surface of the terrain. In the rendering step, the cube mesh generated in the preprocessing step is used to accelerate the voxel-based ray projection method.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 큐브 메쉬 생성 방법의 각 단계들을 나타내는 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 큐브 메쉬 생성 방법은, 크게 고도 데이터를 얻는 단계(310), 쿼드 트리 생성에 필요한 정보를 가공하는 단계(320), 쿼드 트리를 생성하는 단계(330), 및 큐브 메쉬를 생성하는 단계(340)로 이루어진다. 보다 구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, S01 ~ S10의 10가지 단계들로 구성된다. 즉, 본 발명에 따른 큐브 메쉬 생성 방법은, 고도 데이터 전체에 대한 표준편차를 계산한 후, 계산된 표준편차에 상수 값을 곱하여 분할기준값을 계산하는 단계(S01), 고도 데이터 전체를 한 블록으로 하여 블록의 분할을 시작하는 단계(S02), 해당 블록에 대하여 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 계산하는 단계(S03), 계산된 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 분할기준값과 비교하는 단계(S04), 단계 S04에서의 비교 결과, 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이가 분할기준값보다 크면, 해당 블록을 4등분하는 단계(S05), 단계 S04에서의 비교 결과, 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이가 분할기준값 이하이면, 해당 블록에 대한 분할을 종료하고(S06), 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값, 최소값 및 위치 좌표를 저장하는 단계(S06_2), 분할이 가능한 블록이 남아있는지 확인하는 단계(S07), 단계 S07에서의 확인 결과, 분할이 가능한 블록이 남아있으면, 해당 블록에 대해 단계 S03 내지 S07을 반복하는 단계(S08), 단계 S07에서의 확인 결과, 분할이 가능한 블록이 남아있지 않으면, 전체 블록에 대한 분할을 종료하는 단계(S09), 및 분할이 종료된 각각의 블록에 대해 저장된 고도 데이터의 최대값, 최소값 및 위치 좌표를 이용하여, 3차원 공간상에 실제의 큐브 메쉬(cube mesh)를 생성하는 단계(S10)로 구성된다.3 is a block diagram illustrating respective steps of a cube mesh generating method according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, in the method of generating a cube mesh according to the present invention, a step 310 of obtaining altitude data largely, processing 320 information of a quad tree generation step 320, and generating a quad tree step 330. And a step 340 of generating a cube mesh. More specifically, as shown in Figure 3, it consists of 10 steps of S01 ~ S10. That is, in the method of generating a cube mesh according to the present invention, after calculating the standard deviation of the whole altitude data, multiplying the calculated standard deviation by a constant value to calculate a split reference value (S01), and the whole altitude data in one block. Starting the division of the block (S02), calculating the difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the block (S03), and divides the difference between the calculated maximum and minimum values of the altitude data for the block In step S04, when the difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the block is greater than the split reference value, comparing the reference value with the reference value (S04), and dividing the block into quarters (S05), and in step S04 As a result of the comparison, if the difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the corresponding block is equal to or less than the division reference value, the dividing for the corresponding block is terminated (S06), and the maximum value of the altitude data for the corresponding block is finished. Storing the minimum value and the position coordinate (S06_2), checking whether a block capable of dividing is left (S07), and as a result of checking in step S07, if a block capable of dividing remains, steps S03 to S07 for the corresponding block Repeating step (S08), if the result of the check in step S07, if there is no block that can be divided, the step of terminating the division for all blocks (S09), and the stored altitude data for each block is completed Step S10 of generating a real cube mesh in a three-dimensional space by using a maximum value, a minimum value and a position coordinate of.

특히, 단계 S06에서 분할이 종료된 블록에 대하여 종료 플래그를 설정한 후, 각각의 블록에 대한 종료 플래그 설정 여부를 이용하여 단계 S07에서 분할이 가능한 블록이 남아있는지를 확인할 수 있다. 또한, 실시예에 따라서는, 단계 S01에서 표준편차에 곱해지는 상수 값을 1로 설정하여, 분할기준값을 표준편차와 동일하게 설정할 수도 있다.In particular, after setting the end flag for the block in which the partitioning is completed in step S06, it is possible to check whether there are any blocks that can be divided in step S07 using whether to set the end flag for each block. Further, according to the embodiment, the division reference value may be set equal to the standard deviation by setting the constant value multiplied by the standard deviation to 1 in step S01.

먼저 쿼드 트리(quad tree)를 이용하여 전체 고도 데이터를 분할하는 단계에 대해 상세히 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 고도 데이터를 이용하여 전체 고도 데이터 블록을 분할하는 방법을 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 시작 블록(전체 고도 데이터 블록)에 대하여 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 계산한 후(도 4에 따르면, 250), 계산된 차이(250)가 분할기준값(도 4에 따르면, 130)보다 크므로 해당 블록을 4등분한다(1단계 분할). 다시 4등분한 각각의 블록에 대하여 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 계산한 후(도 4에 따르면, 각각 60, 80, 120, 250), 각각의 계산된 차이를 분할기준값과 비교하여 해당 블록의 분할 여부를 결정한다. 도 4에 따르면, 차이가 250인 블록만이 분할기준값보다 크므로 4등분되었으며(2단계 분할), 2단계 분할된 블록 중 다시 하나가 4등분된 것으로 표시되고 있다(3단계 분할).First, a step of dividing the total altitude data using a quad tree will be described in detail. 4 is a diagram illustrating a method of dividing an entire altitude data block using altitude data according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, after calculating the difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data with respect to the start block (the entire altitude data block) (250 according to FIG. 4), the calculated difference 250 is divided into a division reference value ( According to FIG. 4, the block is divided into four parts because it is larger than 130 (one step division). After calculating the difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for each block divided into four equal parts (60, 80, 120, 250, respectively, according to FIG. 4), the calculated difference is compared with the split reference value. Determine whether to split the block. According to FIG. 4, since only blocks having a difference of 250 are larger than the division reference value, the blocks are divided into four parts (two step division), and one of the two step division blocks is displayed as four equal divisions (three step division).

여기서, 분할의 기준이 되는 분할기준값은 고도 데이터 전체의 표준편차에 상수 값을 곱한 값이며, 상수 값은 분할의 정도를 결정할 수 있는 파라미터가 된다. 다음 수학식 1 및 2는 각각 분할기준값 및 표준편차를 계산하는 식을 나타낸다.Here, the division reference value, which is the basis of the division, is a value obtained by multiplying the standard deviation of the whole altitude data by a constant value, and the constant value becomes a parameter for determining the degree of division. Equations 1 and 2 show equations for calculating the split reference value and the standard deviation, respectively.

Figure 112007028988039-pat00001
Figure 112007028988039-pat00001

Figure 112007028988039-pat00002
Figure 112007028988039-pat00002

수학식 1에서, 분할기준값(

Figure 112007028988039-pat00003
)은 표준편차(
Figure 112007028988039-pat00004
)에 분할의 정도를 결정할 수 있는 상수 값(c)을 곱해서 계산될 수 있다. 표준편차(
Figure 112007028988039-pat00005
)는 모든 고도 데이터에 대하여 계산되어야 하는데, 수학식 2의 경우, M x N개의 고도 데이터에 대하여 표준편차가 계산되는 경우이다. 수학식 2에서, avg는 전체 고도 데이터에 대한 평균값을 의미하며, pi ,j는 (i, j)번째 셀의 고도 데이터 값을 나타낸다.In Equation 1, the division reference value (
Figure 112007028988039-pat00003
) Is the standard deviation (
Figure 112007028988039-pat00004
) Can be calculated by multiplying by a constant value (c) which determines the degree of division. Standard Deviation(
Figure 112007028988039-pat00005
) Should be calculated for all altitude data. In Equation 2, the standard deviation is calculated for M x N altitude data. In Equation 2, avg means an average value for the entire altitude data, and p i , j represents the altitude data value of the (i, j) th cell.

대부분의 쿼드 트리 기반의 방법들은, 속도 향상을 위해 분할되는 사분형 공간의 크기를 조절한다. 왜냐하면, 분할되는 블록의 크기가 작으면 작을수록 둘러싼 다각형과 실제 지형 사이의 거리가 줄어들어, 공간 도약 효과는 높아지게 되기 때문이다. 하지만 이와 같이 촘촘한 큐브 메쉬를 생성하기 위해서는, 많은 다각형들을 렌더링해야 하기 때문에 속도적인 면에서 성능의 감소를 보게 된다. 본 발명에서는, 전처리 단계에서 전체 데이터에 대한 최대값 및 최소값과 같은 기본적인 매개 변수를 통해 최적의 블록 크기를 결정하는 것에 의해, 상기 성능 감소의 정도를 줄일 수 있다.Most quad tree-based methods resize partitioned quadrant spaces for speed. This is because the smaller the size of the divided blocks, the shorter the distance between the surrounding polygon and the actual terrain, and the higher the space hopping effect. However, in order to create such a dense cube mesh, many polygons have to be rendered, which results in a decrease in speed. In the present invention, the degree of performance reduction can be reduced by determining the optimal block size through basic parameters such as maximum and minimum values for the entire data in the preprocessing step.

이와 같이, 블록의 분할을 종료하고 각각의 블록에 대하여 최대값, 최소값 및 위치 좌표 정보를 얻으면, 다음 단계로 앞에서 얻어진 정보를 이용하여 3차원 공간상에 실제로 큐브 메쉬를 생성하게 된다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 큐브 메쉬를 생성하는 과정을 나타내는 도면으로서, 도 5a는 블록의 분할이 종료된 경우에 얻어지는 각각의 블록에 대한 최대값, 최소값 정보를 나타내는 도면이고, 도 5b는 도 5a의 최대값 정보를 이용하여 큐브를 생성하는 것을 나타내는 도면이며, 도 5c는 도 5b에서 생성된 큐브에 최소값 정보를 반영하여 크기를 조정한 후 이들을 합침으로써 최종적인 큐브 메쉬를 생성하는 것을 나타내는 도면이다. 도 5의 과정을 일반화하면, 단위 튜브(1 x 1 x 1 크기)를 생성한 후, 생성된 단위 큐브를 최대값과 최소값 정보를 이용하여 크기를 변환하고, 다시 미리 계산된 위치로 평행 이동을 시킨다. 이와 같은 변환이 모든 단위 큐브에 대해 실행된 후, 이들을 하나로 합치면, 적응형 쿼드 트리가 적용된 완벽한 모양의 큐브 메쉬가 생성되게 된다.As such, when the partitioning is finished and the maximum, minimum, and position coordinate information is obtained for each block, the next step is to actually generate a cube mesh in the three-dimensional space using the information obtained above. FIG. 5 is a diagram illustrating a process of generating a cube mesh according to an embodiment of the present invention. FIG. 5A is a diagram illustrating maximum and minimum value information for each block obtained when partitioning of blocks is completed. 5B is a diagram illustrating the generation of a cube using the maximum value information of FIG. 5A, and FIG. 5C illustrates a final cube mesh by resizing and reflecting the minimum value information in the cube generated in FIG. 5B and combining them. It is a figure which shows that. In generalizing the process of Figure 5, after generating the unit tube (1 x 1 x 1 size), the generated unit cube is transformed in size using the maximum value and the minimum value information, and the parallel movement to the pre-calculated position Let's do it. After these transformations have been performed for all unit cubes, they can be combined into one to create a perfectly shaped cube mesh with an adaptive quad tree.

도 6은 본 발명에 따라 최종적으로 생성된 큐브 메쉬의 일예를 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 생성된 큐브 메쉬는 각 큐브들이 해당 분할된 면의 지형을 완벽하게 둘러싸고 있기 때문에 각각의 큐브들이 합쳐진 전체 큐브 메쉬 역시 둘러싼 면을 지형이 뚫고 나가는 문제(컨벡스 문제)가 발생하지 않는다. 기존의 엔벨롭 방법의 다각형 메쉬들은 본 발명의 큐브 메쉬보다 더욱 촘촘하게 지형을 둘러싸고 있기 때문에, 렌더링 단계에서의 속도는 우리 방법보다 조금 더 빠르다. 하지만 우리 방법 역시 큐브 메쉬의 크기를 더 작게 만들면, 즉 쿼드 트리의 분할을 조금 더 촘촘하게 한다면 엔벨롭 방법과의 속도 차이는 거의 없다. 더욱이, 본 발명의 큐브 메쉬 구조는 렌더링 단계에서 광선 조기 종료 방법을 적용할 수 있어서 오히려 엔벨롭 방법보다 렌더링 속도를 더 빠르게 할 수 도 있다. 한편, 두 방법의 비교는 속도적인 측면뿐만 아니라 결과 이미지에 미치는 왜곡(실제 지형이 둘러싼 메쉬를 뚫고 나가는 문제점) 또한 주요 비교 요소가 될 수 있다. 다음으로, 본 발명에 따른 방법의 성능을 엔벨롭 방법과의 비교 실험을 통해서 살펴보기로 한다.6 is a diagram illustrating an example of a cube mesh finally generated according to the present invention. As shown in FIG. 6, since the cube mesh generated according to the present invention completely surrounds the topography of the divided faces, the entire cube mesh in which the respective cubes are combined also penetrates the topography of the surrounding surfaces. Convex problem) does not occur. Since polygon meshes of the conventional envelope method more closely surround the terrain than the cube mesh of the present invention, the speed in the rendering stage is slightly faster than our method. However, our method also makes little difference in speed from the envelope method if we make the cube mesh smaller, i.e. if we split the quad tree a bit more tightly. Furthermore, the cube mesh structure of the present invention may apply the early ray termination method in the rendering step, and thus may render the rendering speed faster than the envelope method. On the other hand, the comparison between the two methods is not only speed, but also the distortion of the resulting image (the problem of penetrating the mesh surrounding the actual terrain) can be a major comparison factor. Next, the performance of the method according to the present invention will be examined through comparison experiments with the envelope method.

본 발명에 따른 방법과 엔벨롭 방법은 펜티엄 IV 3.0GHz CPU, 1GB의 메인 메모리, 및 NVIDIA Geforce 6600 그래픽 카드를 갖춘 컴퓨터에서 구현되었다. 비교 실험에는 푸겟(Puget) 고도 데이터가 사용되었는데, 푸겟 고도 데이터는 512 x 512의 해상도를 가진 잘 알려진 벤치마킹 데이터이다. 뷰포트(viewport) 의 크기는 640 x 480이다.The method and envelope method according to the present invention were implemented in a computer with a Pentium IV 3.0 GHz CPU, 1 GB of main memory, and an NVIDIA Geforce 6600 graphics card. Puget altitude data was used in the comparative experiments, which are well known benchmarking data with a resolution of 512 x 512. The size of the viewport is 640 x 480.

도 7은 본 발명에 따라 생성된 큐브 메쉬 구조를 이용하는 렌더링 방법과 엔벨롭 방법의 렌더링 시간(전처리 단계를 제외한 렌더링 단계만의 시간)을 비교하는 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 엔벨롭 방법과 비교하였을 때 두 배 정도의 렌더링 속도 향상이 나타났다. 이것은 본 발명에 따른 큐브 메쉬 구조는 광선 조기 종료 방법 등이 적용 가능하여 렌더링 시간을 대폭 줄일 수 있기 때문인 것으로 판단된다. 7 is a view comparing the rendering time (time of the rendering step except the preprocessing step) of the rendering method and the envelope method using the cube mesh structure generated according to the present invention. As shown in FIG. 7, the method according to the present invention showed a two times improvement in rendering speed when compared to the envelope method. This is because the cube mesh structure according to the present invention can be applied to the early termination method of the ray can be significantly reduced rendering time.

한편, 본 발명에 따른 방법은 엔벨롭 방법이 가지는 컨벡스 문제를 해결하였기 때문에 이미지의 품질에서도 커다란 차이를 나타낸다. 도 8은 본 발명에 따른 방법과 엔벨롭 방법의 결과 영상을 비교하는 도면으로서, 도 8a 및 도 8b는 엔벨롭 방법에 의해 생성된 결과 영상을 나타내는 도면이고, 도 8c는 본 발명에 따른 큐브 메쉬를 사용하여 생성된 결과 영상을 나타내는 도면이다. 도 8a와 8b는 블록의 크 기를 각각 16 x 16, 8 x 8로 설정한 경우이다. 도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 생성된 큐브 메쉬를 사용한 결과 영상은, 엔벨롭 방법에 의한 결과 영상과 비교할 때, 이미지 전체 영역에 있어서 훨씬 향상된 품질을 나타내고 있다.On the other hand, since the method according to the present invention solves the convex problem of the envelope method, there is a great difference in the quality of the image. 8 is a view comparing the resultant image of the method according to the present invention and the envelope method, Figures 8a and 8b is a view showing the resultant image generated by the envelope method, Figure 8c is a cube mesh according to the present invention A diagram showing a resultant image generated using. 8A and 8B illustrate the case in which block sizes are set to 16 x 16 and 8 x 8, respectively. As can be seen in FIG. 8, the resultant image using the cube mesh generated according to the present invention exhibits much improved quality in the entire image area as compared with the resultant image by the envelope method.

마지막으로, 본 발명에 따른 큐브 메쉬 구조는, 표준편차에 곱해지는 상수 값을 조정하는 것에 의해 분할의 정도를 조정함으로써, 이미지의 품질과 렌더링 속도 사이의 적절한 트레이드-오프(trade-off)가 가능하다는 점도 주목할 만한 가치가 있다.Finally, the cube mesh structure according to the present invention allows an appropriate trade-off between image quality and rendering speed by adjusting the degree of segmentation by adjusting a constant value multiplied by the standard deviation. It is also worth noting.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention described above may be variously modified or applied by those skilled in the art, and the scope of the technical idea according to the present invention should be defined by the following claims.

본 발명의 큐브 메쉬 구조 생성 방법에 따르면, 특정 블록의 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 고도 데이터 전체에 대한 표준편차에 기초한 분할기준값과 비교하는 방법에 의해 해당 특정 블록의 분할 여부를 결정하고, 분할이 최종 종료된 블록들의 정보를 이용하여 3차원 공간상에 지형을 둘러싸는 큐브 메쉬 구조를 생성함으로써, 복셀 기반의 광선 투사법을 가속화하기 위한 기존의 방법들이 가지고 있는 문제점을 해결하면서 동시에 효과적인 지형 렌더링을 가능하게 한다.According to the method of generating a cube mesh structure of the present invention, whether or not to divide a specific block is determined by comparing a difference between the maximum value and the minimum value of the elevation data of the specific block with the split reference value based on the standard deviation of the entire elevation data. By creating the cube mesh structure that surrounds the terrain in three-dimensional space by using the information of the blocks whose segmentation is finally finished, it solves the problems of existing methods for accelerating the voxel-based ray projection method and is effective. Enable terrain rendering.

Claims (3)

(1) 지형의 고도값을 표시하는 고도 데이터(height field data)를 이용하여, 고도 데이터 전체에 대한 표준편차를 구한 후, 구해진 상기 표준편차에 상수 값을 곱하여 분할기준값을 구하는 단계;(1) obtaining a standard deviation of the whole elevation data using height field data indicating elevation values of the terrain, and then multiplying the obtained standard deviation by a constant value to obtain a split reference value; (2) 고도 데이터 전체를 한 블록으로 하여 블록의 분할을 시작하는 단계;(2) starting dividing the block using all the altitude data as one block; (3) 해당 블록에 대하여 고도 데이터의 최대값과 최소값의 차이를 구하는 단계;(3) calculating a difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the block; (4) 구해진 상기 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값과 최소값의 상기 차이를 상기 분할기준값과 비교하는 단계;(4) comparing the difference between the obtained maximum and minimum values of the altitude data for the corresponding block with the split reference value; (5) 상기 단계 (4)에서의 비교 결과, 상기 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값과 최소값의 상기 차이가 상기 분할기준값보다 크면, 상기 해당 블록을 4등분하는 단계;(5) dividing the corresponding block into quarters if the difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the corresponding block is greater than the division reference value as a result of the comparison in the step (4); (6) 상기 단계 (4)에서의 비교 결과, 상기 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값과 최소값의 상기 차이가 상기 분할기준값 이하이면, 상기 해당 블록에 대한 분할을 종료하고, 상기 해당 블록에 대한 고도 데이터의 최대값, 최소값 및 위치 좌표를 저장하는 단계;(6) If the difference between the maximum value and the minimum value of the altitude data for the corresponding block is less than or equal to the division reference value, as a result of the comparison in the step (4), the division of the corresponding block is terminated, and Storing a maximum value, a minimum value, and a position coordinate of the altitude data; (7) 분할이 가능한 블록이 남아있는지 확인하는 단계;(7) checking whether a block capable of splitting remains; (8) 상기 단계 (7)에서의 확인 결과, 분할이 가능한 블록이 남아있으면, 해당 블록에 대해 단계 (3) 내지 (7)를 반복하는 단계;(8) repeating steps (3) to (7) for the block if the dividable block remains as a result of the checking in step (7); (9) 상기 단계 (7)에서의 확인 결과, 분할이 가능한 블록이 남아있지 않으면, 전체 블록에 대한 분할을 종료하는 단계; 및(9) if the block in which division is possible remains as a result of the checking in step (7), terminating division for all blocks; And (10) 분할이 종료된 각각의 블록에 대해 저장된 고도 데이터의 최대값, 최소값 및 위치 좌표를 이용하여, 3차원 공간상에 실제의 큐브 메쉬(cube mesh)를 생성하는 단계(10) generating an actual cube mesh in three-dimensional space using the maximum, minimum, and position coordinates of the altitude data stored for each block after the partitioning is completed; 를 포함하는 지형 렌더링을 위한 큐브 메쉬 구조를 생성하는 방법.How to generate a cube mesh structure for terrain rendering including a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 단계 (6)에서 분할이 종료된 블록에 대하여 종료 플래그를 설정한 후, 각각의 블록에 대한 종료 플래그 설정 여부를 이용하여 상기 단계 (7)에서 분할이 가능한 블록이 남아있는지를 확인하는 방법.And setting an end flag for the block in which division is completed in the step (6), and then checking whether there are remaining blocks that can be divided in the step (7) by using an end flag set for each block. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 단계 (1)에서 상기 표준편차에 곱해지는 상기 상수 값을 1로 설정하는 방법.Setting the constant value to be multiplied by the standard deviation in step (1).
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