KR100813036B1 - 물체의 모양에 따른 카툰 렌더링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비사실적 렌더링 분야 중 3D 모델을 만화적으로 표현하여 렌더링하는 방법인 카툰 렌더링에서 셀 쉐이딩에 관한 것이다. 기존의 카툰 렌더링에서 셀 쉐이딩의 특징은 모델을 간략화, 평면화하여 만화처럼 표현하는 것이다. 그런데 만화 이미지는 물체를 단순화하기도 하지만, 특징적인 모양을 강조하기 위해서 과장하여 표현하는 게 필요한 경우도 있다. 기존의 카툰 렌더링에서는 빛의 위치와 모델 정점의 노멀값을 가지고 빛의 받는 양으로부터 색깔을 결정짓기 때문에 물체의 모양을 고려할 수 없고, 사용자가 간략화되는 강도를 조절할 수 있는 방법이 없다. 카툰 렌더링 효과 표현을 위한 렌더링 방법에 있어서, 정점의 칼라값을 결정할 때 기존의 셀쉐이딩에서 빛의 위치에 따라 정점의 노멀값을 가지고 빛의 양을 계산하여 이를 이용하였다면, 본 발명에서는 노멀값 뿐만 아니라 기하학적 속성 등을 이용, 사용자로부터 이의 반영 정도를 조절할 수 있게 하여 정점의 칼라값을 결정한다. 본 발명에서 사용되는 쉐이딩 방법은 에니메이션 제작 혹은 게임 등에서 사용될 수 있다.

비사실적 렌더링, 카툰 렌더링, 툰 쉐이딩, 기하학적 척도, 곡률

Description

물체의 모양에 따른 카툰 렌더링 방법{SHAPE-BASED CARTOON RENDERING METHOD}

도 1은 본 발명에 따른 물체의 모양을 반영하는 툰 렌더링 방법의 처리 흐름을 도시한 흐름도.

도 2a 및 도 2b는 각각 베토벤 모델의 퐁쉐이딩 렌더링 결과 및 기존 방식의 툰 렌더링 결과를 대비하여 나타낸 도면.

도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 베토벤 모델의 가우션 곡률 및 가우션 곡률을 반영한 툰 렌더링 결과를 도시한 도면.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 베토벤 모델의 평균 곡률 결과 및 평균 곡률을 반영한 툰 렌더링 결과(오른쪽)를 도시한 도면.

도 5a 및 도 5b는 각각 난장이 모델의 퐁쉐이딩 렌더링 결과 및 기존 방식의 툰 렌더링 결과를 도시한 도면.

도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 난장이 모델의 가우션 곡률과 가우션 곡률을 반영한 툰 렌더링 결과를 도시한 도면.

도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 난장이 모델의 평균 곡률과 평균 곡률을 반영한 툰 렌더링 결과를 도시한 도면.

도 8은 본 발명에서 모델의 표면의 기하학적 척도로 쓰이는 프린서펄 곡률 설명을 위한 도면이다.

본 발명은 비사실적 렌더링(Rendering) 분야 중 물체의 모양에 따른 카툰 렌더링(Cartoon Rendering) 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 물체의 모양을 강조하여 표현할 수 있는 방법과, 강조하여 표현되어 질 부분을 추출하고, 그 정도를 조절할 수 있는 방법을 제공하는 물체의 모양에 따른 카툰 렌더링 방법에 관한 것이다.

물체의 모양에 따른 렌더링 방법에는 카툰 렌더링 방법이 있으며, 이는 2000년 6월 발표된 Non-Photorealistic Animation and Rendering(NPAR)이라는 학술지에 Stylized Rendering For Scalable Real-Time 3D Animaion이라는 제목으로 Adam Lake 등이 제출한 논문에 보다 자세하게 기재되어 있다. 그 내용에 대하여 간략하게 살펴보면, 다음과 같다.

카툰 렌더링에서 물체는 툰 쉐이딩(Toon Shading) 기법으로 렌더링되는데, 툰 쉐이딩이란 버텍스(Vertex)의 색깔을 결정할 때 빛을 받는 양에 따라 구간을 나누어서 구간의 색깔로 결정함으로써 만화의 불연속적인 쉐이딩의 이미지를 얻는 것이다. 툰 쉐이딩은 버텍스 칼라(Vertex Colors)를 1-D 텍스쳐 맵에 저장하고, 빛을 받는 양에 따라 텍스쳐 좌표를 결정함으로써 쉐이딩하는 방식을 실시간으로 구현한다.

그리고, 카툰 렌더링에서는 텍스쳐 매핑(Texture Mapping) 방식을 사용하는 펜슬 스케치 쉐이딩(Pencil Scatch Shading) 기법도 설명되어 있다. 그러나, 전술한 툰 쉐이딩과 펜슬 스케치 쉐이딩 기법을 이용한 카툰 렌더링은 실루엣 렌더링 (silhouette Rendering)기법으로 실시간의 스타일 모델을 얻을 수 있지만, 이와 같은 렌더링으로 얻어진 모델은 물체의 모양을 실시간으로 반영하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 카툰 렌더링에 채용된 툰 쉐이딩 의한 쉐이딩 방법이 물체를 간략화, 단순화 되어 보이게 하여 만화적인 표현 방법에 적합한 방법이지만, 특정한 부분을 강조하여 표현하거나 전체적으로 쉐이딩의 모양을 강조하는 표현하는 방식은 제공할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 물체의 모양을 강조하여 표현할 수 있는 방법과, 강조하여 표현되어 질 부분을 추출하고, 그 정도를 조절할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

또한, 본 발명은 빛의 위치에 따라 정점의 칼라를 결정 지을 때 정점의 노멀값 뿐 아니라 다른 기하학적 속성을 이용하여 결정함으로써 이를 해결하고, 적절한 매개변수를 찾아 사용자가 이를 제어할 수 있도록 하여 기존의 툰 쉐이딩에서 물체의 모양, 특성에 따라 자동으로 강조범위를 추출하며, 사용자의 입력으로 조절할 수 있도록 하여 물체의 모양에 반영하도록 한 다양한 툰 쉐이딩 방법을 지원하는 데에 있는 것이다.

또한, 본 발명은 물체의 모양을 변화시키지 않고, 또 빛을 변화시키거나 추가하지 않고, 사용자가 쉽게 모양에 따른 쉐이딩을 컨트롤할 수 있다는 데 있다. 물체를 기하학적으로 분석해서 특징적인 변수를 수치로 뽑아내는 데 자동적인 요소가 있고 이 수치를 사용자 입력에 따라 물체에 적용하는 범위와 적용 정도를 결정할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은 물체의 모양을 나타내는 기하학적 속성인 가우션 곡률(Gaussian Curvature), 평균 곡률(Mean Curvature)을 정점 별로 구하는 제1 단계와; 제1 단계에서 구한 가우션 곡률, 평균 곡률을 기하학적 속성으로 해석하여 사용자 인터페이스에 적합한 매개변수를 추출하는 제2 단계와; 제2 단계로부터 추출한 곡률에 따라 사용자로부터 입력받은 매개변수를 통하여 물체의 위치를 다시 계산하는 제3 단계와; 제3 단계에서 구한 물체의 위치에 따라서 정점별로 노멀값을 다시 계산하는 제4 단계와; 정점의 위치는 변경시키지 않고 제4 단계에서 계산된 노멀값만을 적용하여 기존의 툰 쉐이딩을 적용하여 렌더링을 수행하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체 적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 단계별로 상세히 설명하기로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 보다 상세하게 기술하기로 한다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 물체의 모양을 반영하는 툰 렌더링 방법의 처리 흐름을 도시한 흐름도이며, 도 2a 및 도 2b는 각각 베토벤 모델의 퐁쉐이딩 렌더링 결과 및 기존 방식의 툰 렌더링 결과를 대비하여 나타낸 도면이고, 도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 베토벤 모델의 가우션 곡률 및 가우션 곡률을 반영한 툰 렌더링 결과를 도시한 도면이며, 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 베토벤 모델의 평균 곡률 결과 및 평균 곡률을 반영한 툰 렌더링 결과(오른쪽)를 도시한 도면이고, 도 5a 및 도 5b는 각각 난장이 모델의 퐁쉐이딩 렌더링 결과 및 기존 방식의 툰 렌더링 결과를 도시한 도면이며, 도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 난장이 모델의 가우션 곡률과 가우션 곡률을 반영한 툰 렌더링 결과를 도시한 도면이며, 도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 난장이 모델의 평균 곡률과 평균 곡률을 반영한 툰 렌더링 결과를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에서 모델의 표면의 기하학적 척도로 쓰이는 프린서펄 곡률 설명을 위한 도면이다.

도 1 내지 도 8을 참조하여 보면, 먼저, 전술한 바와 같이 본 발명의 단계는 제1 단계 내지 제5 단계로 구성되며, 각각의 단계는 다음의 단계로 구성된다고 요약할 수 있다.

(1) 기하학적 속성 구하는 제1 단계

(2) 사용자 매개변수 결정하는 제2 단계

(3) 물체의 정점의 좌표를 계산하는 제3 단계

(4) 물체의 정점에서의 노멀값을 계산하는 제4 단계

(5) 툰 쉐이딩을 적용하는 제5 단계

전술한 (1) 내지 (5) 단계에 대하여 각각 설명하고자 한다.

(1) 기하학적 속성 구하기

물체에서 표면(surface)의 모양은 노멀값 혹은 탄젠트 평면이 물체 표면 위에서 임의의 방향으로 움직일 때 방향이 바뀌는 정도(turn)에 좌우된다. 표면 위의 한 점에서의 여러 노멀 섹션 곡률을 구할 수가 있는데 그 중 가장 큰 값을 최대 곡률(Maximum Curvature), 가장 작은 값을 최소 곡률(Minimum Curvature)이라 하고 이들에 따른 탄젠트 벡터가 프린서펄 디렉션(Principal Direction)이 된다. 이 프린서펄 디렉션은 표면의 모양을 나타낼 수 있는 기하학적 척도가 된다.

도 8을 참조하여 보면, 모델의 표면의 곡률반경값(r1, r2)이 표시되어 있으며, 곡률반경값(r1, r2)을 이용하여 곡률(c1, c2)을 구하고 곡률(c1, c2)을 이용하여 가우션 곡률(Gaussian Curvature ; K)과 평균 곡률(Mean Curvature ; H)을 구한다. 즉, 도 8과 수학식 1에서 보듯이 프린서펄 곡률, 두 값의 프로덕트로 이루어진 가우션 곡률과 두 값의 평균으로 이루어진 평균 곡률값을 한 정점에서의 기하학적 속성으로 정해 이를 이용하여 다음의 수학식 1과 같이 나타낸다.

도 2b는 각각 베토벤 모델을 기존 방식의 툰 렌더링하여 나타낸 결과를 그림이며, 도 2a는 베토벤 모델을 퐁쉐이딩(Phong Shading)으로 쉐이딩한 결과를 나타낸 그림이다. 도 3a는 베토벤 모델을 이용하여 가우션 곡률을 적용한 결과를 나타낸 도면이며, 도 4a는 베토벤 모델을 평균 곡률을 적용한 결과를 색깔로 나타낸 도면이다.

한편, 도 5a, 도 6a 및 도 7a의 그림은 각각 난장이 모델의 퐁쉐이딩(Phong Shading)으로 렌더링(rendering)한 결과를 나타낸 그림, 가우션 곡률을 적용한 결과를 나타낸 그림 및 평균 곡률을 적용한 결과를 나타낸 그림이다.

(2) 사용자 매개변수 결정

앞에서 구한 가우션 곡률과 평균 곡률에 대해서 어느 정도의 범위에서 얼만큼을 반영할지를 주는 매개변수를 정한다.

가우션 곡률의 경우의 한 정점에 대해 위치를 다시 계산할지에 대한 범위를 정하는 임계값(Thresh_G_Min, Thresh_G_Max)과 곡률에 대해 어느 정도로 확 장(Scale)할 것인지를 결정하는 반영 비율(Rate_G)을 투플(tuple)로 하고, 투플들을 매개변수로 정하여 이에 대해 사용자로부터 결정할 수 있게 한다.

평균 곡률의 경우에도 마찬가지로 임계값(Thresh_M_Min, Thresh_M_Max)과, 반영 비율(Rate_M)을 나타내는 각각의 투플값을 다음과 같이 하나의 매개변수(<Thresh_M_Min, Thresh_M_Max, Rate_M>)로 받아 이를 사용자가 결정할 수 있게 한다.

이 투플들을 사용자 입력으로 받음으로써 곡률의 값에 따라 모양을 세밀하게 결정할 수 있다.

(3) 물체의 정점의 좌표 계산

먼저 제1 단계에서 구한 곡률 값을 가지고 제2 단계의 사용자 매개변수의 임계값에 따라 각 정점별로 물체의 위치를 다시 계산할지 여부를 정한다. 임계값 안에 들면 해당 반영 비율을 가지고 정점 V의 위치를 다음의 수학식 2와 같이 다시 계산한다.

V(Position)' = V(Position) + V(Normal) * V(Curvature) * Curvature_Rate

여기서, V(Position)'는 정점의 변경된 위치값, V(Position)은 정점의 변경전 위치값, V(Normal)는 정점의 변경전 노멀값, V(Curvature)는 정점에서 해당 곡률값, Curvature_Rate는 현재 투플의 반영 비율 등을 각각 나타낸다.

(4) 물체의 정점에서의 노멀값 계산

물체의 정점에서의 노멀값 계산은 수학식 2에 의해 다시 구한 위치에 의해서 계산되어진다. 기본적으로 삼각형 메쉬를 기준으로 하여 각각의 삼각형 면(face)별로 노멀값을 구한 다음에 하나의 정점에 대해 이웃하는 면들의 노멀값의 평균값으로 정점의 노멀값이 결정되어 진다.

조금 더 자세히 설명하면 첫 번째 단계에서 각 삼각형 면에 대해 삼각형 면(face)의 정점을 V0, V1, V2라고 할 때 (V1 - V0), (V2 - V0)가 삼각형 면 위에 있는 벡터이므로 삼각형 면(face)의 노멀값은 이 두 벡터를 크로스 프로덕트해서 노멀값라이즈하면 구할 수 있다. 두 번째 단계에서는 각 정점에 대해 이웃하는 면(face)의 노멀값의 평균값으로 정점의 노멀값을 결정한다.

(5) 툰 쉐이딩 적용하기

기존의 툰 쉐이딩은 노멀값(N)과 빛의 방향(L)으로부터 N*L 값으로부터 이를 구간별로 나누어 연속적이지 않은 2~3단계 혹은 몇가지 단계로 빛의 양을 결정짓거나, 미리 몇 단계로 나누어 색깔을 가진 1차원 텍스쳐를 마련하고 이 값을 텍스쳐 좌표로 설정하여 렌더링함으로써 물체를 단순화시킨 효과를 나타낼 수 있다.

여기서는 제4 단계에서 다시 구한 노멀값을 대입해서 정점의 색깔을 결정지어 기하학적인 모양에 따라 다시 조정된 노멀값으로 쉐이딩 함으로써 모양에 기반한 쉐이딩 효과를 낼 수 있게 한다. 정점에서의 위치는 변화시키지 않고 다시 계산한 노멀값을 적용시켜 쉐이딩한다.

한편, 도 2b는 전술한 바와 같이 기존의 툰 쉐이딩 방법의 결과를 나타낸 그림이고, 도 3b는 도 3a에 나타난 가우션 곡률을 반영하여 노멀값을 변경시킨 다음에 툰 쉐이딩한 결과를 나타낸 그림이다. 도 3a의 가우션 곡률을 적용한 그림에서 밝은 부분(오목한 부분)을 강조하여 노멀값을 재계산하고 툰 쉐이딩하여 도 3b의 결과를 얻는다. 도 3b는 도 2b의 기존의 툰 쉐이딩과 비교해 봤을 때 얼굴 윤곽선 등이 더 뚜렷해진 것을 알 수 있다. 이는 노멀값을 직접 바꾸었기 때문에 시점이 바뀌어도 강조되는 부분은 유지되어 사용자가 다시 조절할 필요 없음을 나타낸다. 도 4b는 도 4a의 평균 곡률을 베토벤 모델 전체에 골고루 적용한 툰 렌더링 결과이다. 도 4b를 보면 베토벤 모델이 툰쉐이딩 느낌을 유지하면서 얼굴과 옷 등의 디테일적인 요소가 잘 표현됨을 알 수 있다.

전술한 바와 같이 도 5, 도 6, 도 7은 난장이 모델에 대해서 적용해 본 것이다. 도 6에서 보면 도 5에서 거의 보이지 않던 난장이의 얼굴이나 그런 디테일이 많이 살아난 것을 알 수 있고, 도 7에서도 평균 곡률의 반영 비율을 높임으로써 전체적으로 모양이 뚜렷해졌다는 것을 알 수 있다.

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 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 카툰 렌더링에서 기존의 단순화만을 강조한 툰 쉐이딩에서 물체의 모양을 고려할 수 있는 매개변수를 사용자가 조절할 수 있게 함으로써 모양에 따라 조절이 쉬운 실시간 카툰 렌더링 도구를 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기존의 카툰 렌더링에서 특징선 등으로 다른 라인 렌더링 기술을 사용하여 물체의 모양을 세밀하게 표현하려 했던 연구에 비해 툰 쉐이딩 이전에 노멀값을 변경시켜주는 과정만 추가됨으로써 기존의 시스템에 쉽게 반영할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기존의 카툰 렌더링에서 툰 쉐이딩의 느낌을 유지하면서도, 기하학적인 요소는 자동으로 계산하고 이를 사용자로부터 임계값이나, 반영 비율을 받아 조절함으로써 모양에 기반한 다양한 툰 쉐이딩 효과를 낼 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 카툰 렌더링 방법에 있어서,

   물체의 모양을 나타내는 기하학적 속성인 가우션 곡률 및 평균 곡률을 정점 별로 구하는 제1 단계와;

   상기 제1 단계에서 구한 상기 가우션 곡률, 상기 평균 곡률에 대응한 오목 또는 볼록의 여부 및 정도를 수치화한 매개변수를 추출하는 제2 단계와;

   상기 매개변수의 선택에 대응하여 해당 정점의 가우션 곡률 및 평균 곡률을 다시 계산하는 제3 단계와;

   상기 제3 단계에서 구한 물체의 정점 위치에 따라서 정점별로 정점의 노멀벡터인 노멀값을 다시 계산하는 제4 단계와;

   물체의 정점 위치는 변경시키지 않고 제4 단계에서 계산된 노멀값만을 적용하여 툰 쉐이딩을 적용하여 렌더링을 수행하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 모양에 따른 카툰 렌더링 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 단계에서 추출된 매개변수는 상기 가우션 곡률의 경우의 한 정점에 대해 위치를 다시 계산할지에 대한 범위를 정하는 가우션 곡률의 임계값과 상기 가우션 곡률에 대해 어느 정도로 확장할 것인지를 결정하는 가우션 곡률의 반영 비율을 매개변수로 정하고 상기 평균 곡률의 경우 평균 곡률의 임계값과 평균 곡률의 반영 비율을 매개변수로 정하는 것을 특징으로 하는 물체의 모양에 따른 카툰 렌더링 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제3 단계는,

   상기 각 정점별로 상기 제1 단계에서 구한 가우션 곡률 및 상기 평균 곡률 값을 가지고 상기 제2 단계의 매개변수의 임계값에 따라 상기 각 정점별로 물체의 정점 위치를 다시 계산할지의 여부를 정하여 임계값 안에 들면 해당 반영 비율을 가지고 정점 V의 위치를 다음의 수학식에 의해 다시 계산하되,

   V(Position)' = V(Position) + V(Normal) * V(Curvature) * Curvature_Rate

   여기서, V(Position)'는 정점의 변경된 위치, V(Position)은 정점의 변경전 위치, V(Normal)은 정점의 변경전 노멀값, V(Curvature)는 정점에서 해당 곡률, Curvature_Rate는 현재 투플의 반영 비율 등을 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 물체의 모양에 따른 카툰 렌더링 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제4 단계는,

   삼각형 메쉬를 기준으로 하여 각각의 삼각형 면별로 노멀값을 구하고, 하나의 정점에 대해 이웃하는 면들의 노멀값의 평균으로 정점의 노멀값을 결정하는 것을 특징으로 하는 물체의 모양에 따른 카툰 렌더링 방법.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,

   상기 제5 단계는,

   상기 제4 단계에서 구한 노멀값을 대입하여 상기 정점의 색깔을 결정지어 기하학적인 모양에 따라 다시 조정된 노멀값으로 쉐이딩하는 것을 특징으로 하는 물체의 모양에 따른 카툰 렌더링 방법.

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