KR100895978B1 - 디지털 수채 영상 재현 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컴퓨터를 이용하여 수채 물감과 물, 종이의 상호작용을 모사하는 기법 및 그에 기반한 가상 디지털 캔버스 시스템에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 사용자로부터 입력된 붓의 연속적인 위치로부터 이산적인 표본점들을 얻고, 이 점들로부터 2차원 스플라인 곡선을 계산하여 표본점 사이의 중간 지점들을 재생성 한다. 이어 사용자 인터페이스로부터 미리 지정된 붓의 크기, 물감의 양, 물의 양에 따라 표본점 및 중간 지점의 위치에 흡수될 물감과 물의 양을 결정하고, 물감과 물의 이동을 계산하기 위하여 격자 볼츠만 방정식에 기반한 이산적 시뮬레이터를 사용하여 컴퓨터 기반 2차원 수채 영상에서 수채 물감의 움직임을 보다 사실적으로 재현할 수 있도록 한다.

수채, 렌더링, 캔버스, 붓, 유체, 시뮬레이션

Description

디지털 수채 영상 재현 시스템 및 방법{DIGITAL WATERCOLOR SIMULATION SYSTEM AND METHOD THEREOF}

본 발명은 컴퓨터 기반 2차원 영상 생성 방법에 관한 것으로, 특히 컴퓨터 기반 2차원 영상 생성 분야 중 수채 물감의 다양한 확산 형태를 디지털 캔버스(digital canvas)상에 재현함에 있어서 사용자가 마우스로 입력한 붓 정보를 이용하여 유체 시뮬레이션을 통해 수채 물감의 사실적인 움직임을 표현할 수 있도록 하는 디지털 수채 영상 재현 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-082-03, 과제명 : 비사실적 애니메이션 기술개발].

통상적으로, 컴퓨터 그래픽스 기술은 기존의 사실적인 영상 생성뿐만 아니라 만화 또는 예술적 영상과 같은 비사실적인 영상의 생성에도 많은 발전을 이루어왔다. 영화, 애니메이션(animation), TV, 게임 등 디지털 콘텐츠(digital contents) 시장이 급속도로 팽창하면서 이러한 비사실적 영상의 중요성은 더욱 부각되고 있 다. 특히 전통적인 드로잉(drawing) 기법, 즉 수채화, 유화 등을 컴퓨터 기반의 가상 캔버스에 구현하려는 움직임이 최근 다양한 방면에서 시도되고 있다.

한편, 기존의 수채화 렌더링(rendering) 관련 연구는 크게 두 가지로 분류된다. 첫 번째는 물감과 물, 그리고 종이의 상호작용을 기술하는 물리적 모델을 구성하고 시뮬레이션(simulation)을 통하여 수채 물감의 움직임을 계산하는 방식, 두 번째는 물리적 모델 없이 영상 처리 기법을 적용하여 수채화와 비슷한 느낌을 얻는 방식이다.

물리 시뮬레이션에 기반한 방법들은 일반적으로 물감과 물의 움직임을 유체 시뮬레이션 방정식을 도입하여 표현한다. 내비어-스톡스 방정식(Navier-Stokes equation), 격자 볼츠만 방정식(lattice Boltzmann equation) 등은 유체의 움직임을 정밀하게 기술하는 것으로 알려져 있으며 최근 컴퓨터 그래픽스 분야에서 활발히 적용되는 추세이다.

이러한 유체 방정식을 컴퓨터로 계산할 때 대두되는 어려움은 계산 시간이다. 유체 방정식을 정확하게 푸는 데는 간단한 환경 모델에 대해서도 지나치게 많은 시간이 소요된다. 그러나 컴퓨터 그래픽스 응용 분야에서 중요한 것은 방정식의 정확한 해를 구하는 것보다는 사람이 사실적으로 인식하는 해를 구하는 것이므로, 방정식 중 계산이 복잡한 부분을 어느 정도의 오차를 감안하고 간략화 하는 등의 방법으로 계산 속도를 향상시킨다.

물리적 모델을 사용하지 않는 방법에서는 결과물을 최대한 수채화 풍으로 합성하기 위하여 다양한 영상 처리 기법을 도입한다. 물감의 복잡한 이동 형태를 표 현하기 위하여 복잡한 시뮬레이션 계산 대신 펄린 노이즈(Perlin noise) 등을 사용하며 미리 텍스쳐(texture)를 만들어 두고 영상을 생성할 때 이러한 텍스쳐를 붓 스트로크(stroke)와 합성하여 최종 영상을 만들거나, 수채(watercolor) 물감이 채색된 가장자리 부분에서 물감이 뭉치는 현상을 모사하기 위하여 전통적인 영상 처리 기법 중 하나인 경계선 식별(edge detection) 기법을 사용하기도 한다. 이러한 방법은 계산 시간이 매우 빠르고, 저 사양의 컴퓨터에서도 수행이 보장되는 등의 장점을 갖는다.

그러나 실제 물리 현상을 계산하지 않고 영상 처리 기법으로 비슷한 결과를 얻는 데는 한계가 있으며, 결과물이 실제 수채화의 복잡 다양한 효과를 보여주지 못 하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 종래 컴퓨터 기반 2차원 수채 영상 재현에 있어 실제 수채화의 복잡 다양한 효과를 보여주지 못하는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 컴퓨터 기반 2차원 영상 생성 분야 중 수채 물감의 다양한 확산 형태를 디지털 캔버스상에 재현함에 있어서 사용자가 마우스로 입력한 붓 정보를 이용하여 유체 시뮬레이션을 통해 수채 물감의 사실적인 움직임을 표현할 수 있도록 하는 디지털 수채 영상 재현 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

상술한 본 발명은 디지털 수채 영상 재현 시스템으로서, 수채화가 그려지는 디지털 캔버스 화면상 마우스 포인터의 움직임에 따른 위치정보를 표본화하고, 상기 마우스 포인터의 이동에 따른 붓 스트로크 정보를 생성하는 제어부와, 상기 붓 스트로크 정보와, 상기 캔버스 화면의 배경 텍스쳐와 유체 시뮬레이션에 필요한 매개변수를 이용한 유체 시뮬레이션을 통해 상기 캔버스 화면상 붓 스트로크에 따른 수채 영상을 재현시키는 그래픽 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 디지털 수채 영상 재현방법으로서, (a)수채 영상이 그려질 디지털 캔버스 화면상 배경 텍스쳐를 입력받는 단계와, (b)유체 시뮬레이션에 필요한 매개변수의 값을 입력받는 단계와, (c)상기 디지털 캔버스 화면상 마우스 포인터의 이동에 따른 붓 스트로크 정보를 생성하는 단계와, (d)상기 붓 스트로크의 상 기 캔버스 화면상 좌표 정보를 시뮬레이션 격자의 크기에 맞게 좌표변환을 수행하는 단계와, (e)상기 배경 텍스쳐, 시뮬레이션 매개변수, 붓 스트로크를 이용하여 유체 시뮬레이션을 통해 물감과 물의 이동을 계산하는 단계와, (f)상기 계산된 물감과 물의 이동값을 이용하여 상기 캔버스 화면상 붓 스트로크에 따른 수채 영상을 재현시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 컴퓨터 기반 2차원 수채 영상의 생성에 있어서 수채 물감의 움직임을 사실적으로 계산하는 기법과, 이를 기반으로 컴퓨터 그래픽에 전문 지식이 없는 일반 사용자도 쉽게 사용할 수 있는 가상 캔버스 시스템의 사용자 인터페이스를 구현하여, 사실적인 수채화 기법을 컴퓨터 상에서 재현할 수 있으며, 일반 사용자가 자기 자신만의 컨텐츠를 만들 수 있는 효율적인 도구를 제공할 수 있는 이점이 있다. 또한 본 발명에서 사용된 렌더링 기법은 광고, 게임, 영화 등 수채화가 그려지는 효과를 필요로 하는 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 수채화 뿐만 아니라 다른 화풍의 시뮬레이션 도구에도 손쉽게 적용될 수 있어 활용도가 매우 높은 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 구체적인 핵심 기술요지를 살펴보면, 컴퓨터 기반 2차원 수채 영상의 생성에 있어서 수채 물감의 움직임을 사실적으로 계산하는 기법과, 이를 기반으로 컴퓨터 그래픽에 전문 지식이 없는 일반 사용자도 쉽게 사용할 수 있는 가상 캔버스 시스템의 사용자 인터페이스를 구현하여, 사실적인 수채화 기법을 컴퓨터 상에서 재현할 수 있는 기술을 통해 본 발명에서 이루고자 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 컴퓨터 기반 2차원의 디지털 수채화 재현 시스템의 개략적인 블록 구성을 도시한 것으로, 본 발명의 시스템 수행 과정은 붓 스트로크 입력 및 생성, 텍스쳐(texture) 입력, 유체 이동 계산, 렌더링(rendering) 등으로 이루어진다.

먼저, 위 도 1에서 보여지는 바와 같이, 사용자는 컴퓨터 디지털 캔버스(canvas) 화면상 우선 배경으로 쓰일 종이 텍스쳐를 선택하고(S10), 유체 시뮬레이션에 필요한 매개변수의 값을 설정한 후(S20), 마우스를 이용하여 캔버스 상에서 붓으로 표현된 마우스 포인터(mouse pointer)를 이동시켜 붓 스트로크를 수행하게 된다.

이때 마우스는 사용자가 손으로 이동한 연속적인 위치를 이산적으로 표본화(sampling)하여 컴퓨터로 넘겨주는 장치로, 수채화 결과의 품질을 높이기 위해서는 붓이 최대한 실제 입력과 비슷한 위치에 부드럽게 합성되어야 하므로, 마우스의 이산적인(discrete) 표본 위치를 그대로 쓰는 대신 실제 손의 움직임을 재계산하여 붓의 위치로 사용하게 된다.

그러면, 제어부(central processing unit : CPU)(100)는 마우스 포인터의 위치정보를 기반으로 상기 캔버스 화면상 마우스 포인터의 이동에 따른 이산적인 붓 위치를 표본화하고(S30), 2차원 스플라인 곡선(2D spline curve) 재구성을 통해 이로부터 부드러운 붓 스트로크를 생성한다(S40).

이러한 붓 스트로크는 캔버스의 지역 좌표계를 기준으로 계산된 값이므로, 이후의 유체 시뮬레이션에 사용하기 위해 그래픽 처리부(graphic processing unit : GPU)(120)에서 시뮬레이션 격자 (simulation grid) 의 크기에 맞게 좌표변환 과정을 거친다. 위와 같이 배경 텍스쳐, 시뮬레이션 매개 변수, 붓 스트로크 정보가 그래픽 처리부(120)로 입력되면 그래픽 처리부(120)에서는 유체 시뮬레이션을 통하여 물감과 물의 이동을 매 프레임 새로 계산하게 되며(S50), 각 격자점에 계산된 물감의 양을 바탕으로 최종 영상을 생성하여(S60), 사용자의 요구에 따라 위와 같이 생성된 수채 영상을 출력하게 된다(S70).

이때 위와 같이 가상 캔버스 또한 가상 캔버스의 역할을 하기 위해서는 사용자의 입력에 대한 영상 출력이 실시간에 이루어져야 하므로, 계산 결과를 고속으로 생성할 수 있어야 한다. 이에 따라 범용의 컴퓨터 제어부(100) 대신 컴퓨터 그래픽 연산에 특화된 그래픽 처리부(120)에서 독립적인 처리가 수행되어야 한다.

도 2는 상기 도 1의 디지털 수채 영상 재현 시스템 중 그래픽 처리부(120)에서의 붓 스트로크 생성과 실시간 유체 시뮬레이션 동작 개념을 도시한 것이다. 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 디지털 수채 영상 재현에 있어서 핵심적인 부분인 붓 스트로크 생성과 실시간 유체 시뮬레이션 동작에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

즉, 사용자가 마우스를 클릭한 상태로 움직이면, 디지털 캔버스 화면을 구현하는 응용 프로그램 내에서는 초당 약100∼120회 정도의 마우스 위치 표본화 과정이 수행된다. 마우스의 움직임이 느릴 경우에는 이러한 마우스 위치에 그대로 붓 스트로크를 합성함으로써 부드러운 수채 시뮬레이션을 얻을 수 있다.

하지만 일반적인 마우스 움직임 하에서는 마우스 위치 표본 사이에 상당히 큰 변위(displacement) 가 존재하며, 결과적으로 붓 스트로크 사이가 연결되지 않는 현상이 발생한다. 이를 보완하기 위하여 이산적인 표본점들을 이용하여 2차원 스플라인 곡선(2D spline curve)을 재구성하고, 이로부터 고밀도의 표본점들을 얻어 부드러운 붓 스트로크를 생성한다. 다양한 스플라인 곡선 중 3차 스플라인 곡선 (cubic spline curve) 을 사용함으로써 속도와 품질 면에서 만족스러운 결과를 달성할 수 있다.

또한, 가상 캔버스의 사용성을 최대화하기 위해서는 사용자의 입력에 대한 응답이 실시간에 이루어져야 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 응용 프로그램의 모 든 연산을 제어부(100)에서 직접 처리하는 대신, 유체 시뮬레이션 부분을 독립적으로 그래픽 처리부(120)에서 계산한다.

이때 위 그래픽 처리부(120)에서는 유체 시뮬레이션의 수행을 위해 격자 볼츠만 방정식 (lattice Boltzmann equation)을 그래픽 처리부(120)에 맞게 이산화(discretization)할 수 있다. 또한 빠른 계산 속도를 얻기 위하여 최신 쉐이더 모델 (shader model) 의 두 가지 기능 즉, Render-to-Texture(이하 "RTT"라 함) 및 early Z-cull 을 사용한다.

즉, 그래픽 처리부(120)는 붓의 크기, 물감의 양, 물의 양 등의 유체 시뮬레이션 수행을 위한 매개 변수값을 입력받으면, 위 입력된 매개 변수값을 이용하여 유체 시뮬레이션을 수행한다(S200). 이때 유체 시뮬레이션 수행에 있어서는 매 시뮬레이션 과정이 끝나면 그 결과 값이 다음 과정에 사용되기 위해 복사되어야 하는데, 기존의 Copy-to-Texture(CTT) 기법은 이러한 복사 과정에서 상당한 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명에서는 복사 과정에서의 시간 소요가 훨씬 적은 RTT와 이중 버퍼(double buffer)를 이용하도록 하였다, 즉 매 시뮬레이션 과정이 끝난 후, 그 결과를 RTT와 이중버퍼를 이용하여 복사하도록 하여 시뮬레이션 속도를 높이게 된다(S202). 이어 위와 같이 시뮬레이션된 수채 영상을 렌더링하여 캔버스 화면상 표시시킨 후(S204), 텍스쳐 셋(texture set)을 교환하여(S206) 다시 시뮬레이션 수행을 반복적으로 수행하게 된다. 또한, 이때 본 발명에서는 물이 저장되지 않은 격자점에서는 깊이 버퍼 (depth buffer) 의 값을 비교하여 미리 시뮬레이션 계산에서 제외하는 early Z-cull 기법을 사용하여 효율을 증가시키도록 하였다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 수채 영상 재현 캔버스 화면 예시도를 도시한 것으로, 본 발명에서는 일반 사용자가 드로잉(drawing) 도구를 쉽게 사용할 수 있도록 새로운 사용자 인터페이스를 제시한다.

즉, 본 발명에서는 위 도 3에서와 같은 직관적인 사용자 인터페이스(interface)를 위하여 실제 회화 드로잉 과정을 분석하고 이와 유사한 도구 및 과정을 제공하는 것이다. 이에 따라 사용자는 위 도 3의 캔버스 화면에서 캔버스(120) 위에 마우스를 클릭하고 붓으로 표현된 마우스 포인터(210)로 붓 스트로크를 수행하여 원하는 그림을 그릴 수 있게 된다. 이때 사용자는 위 화면에서 유체 시뮬레이션의 매개변수인 붓의 크기(200), 색깔과 물의 양(180), 번지는 정도(190)를 설정할 수 있으며, 또한 최종 그려진 결과 영상을 비트맵 포맷(bitmap)으로 저장하거나(130), 프린터(140)를 이용하여 출력할 수도 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 수채 영상 재현 시스템 블록도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 다른 그래픽 처리부의 유체 시뮬레이션 동작 흐름도,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 캔버스 화면 예시도.

Claims (14)

1. (a)수채 영상이 그려질 디지털 캔버스 화면상 배경 텍스쳐를 입력받는 단계와,

   (b)유체 시뮬레이션에 필요한 매개변수의 값을 입력받는 단계와,

   (c)상기 디지털 캔버스 화면상 마우스 포인터의 이동에 따른 붓 스트로크 정보를 생성하는 단계와,

   (d)상기 붓 스트로크의 상기 캔버스 화면상 좌표 정보를 시뮬레이션 격자의 크기에 맞게 좌표변환을 수행하는 단계와,

   (e)상기 배경 텍스쳐, 시뮬레이션 매개변수, 붓 스트로크를 이용하여 유체 시뮬레이션을 통해 물감과 물의 이동을 계산하는 단계와,

   (f)상기 계산된 물감과 물의 이동값을 이용하여 상기 캔버스 화면상 붓 스트로크에 따른 수채 영상을 재현시키는 단계

   를 포함하는 디지털 수채 영상 재현방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 (c)단계에서, 상기 디지털 캔버스 화면상 붓 스트로크 생성을 위해 초당 100∼200회 범위에서 상기 마우스 포인터의 위치 표본화를 수행하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 (c)단계에서, 상기 마우스 포인터의 이동에 따른 붓 스트로크 생성 시 2차원 스플라인 곡선 재구성을 통해 상기 붓 스트로크 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 (e)단계에서, 상기 유체 시뮬레이션을 위한 매개변수는, 물감과 물의 양, 붓의 크기 인 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 (e)단계에서, 상기 유체 시뮬레이션을 통해 계산되는 상기 붓 스트로크에 따른 물감과 물의 이동은 매 프레임 새로 계산되는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 (e)단계에서, 상기 유체 시뮬레이션은, 격자 볼츠만 방정식을 이용한 이산화 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 (e)단계에서, 상기 유체 시뮬레이션시, 매 시뮬레이션 과정의 종류 후, 그 결과값을 RTT 기법과 이중버퍼를 이용하여 저장하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현방법.
8. 수채 영상이 그려지는 디지털 캔버스 화면상 마우스 포인터의 움직임에 따른 위치정보를 표본화하고, 상기 마우스 포인터의 이동에 따른 붓 스트로크 정보를 생성하는 제어부와,

   상기 붓 스트로크 정보와, 상기 캔버스 화면의 배경 텍스쳐와 유체 시뮬레이션에 필요한 매개변수를 이용한 유체 시뮬레이션을 통해 상기 캔버스 화면상 붓 스트로크에 따른 수채 영상을 재현시키는 그래픽 처리부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 그래픽 처리부는,

   상기 유체 시뮬레이션을 위해 입력되는 매개변수인 물감과 물의 양 정보를 이용하여 상기 물감과 물의 이동량 계산에 따른 상기 캔버스 화면상 수채 영상을 매 프레임 갱신하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 그래픽 처리부는,

    상기 매개변수로 붓의 크기값을 입력받아, 상기 붓의 크기에 따른 물감과 물의 이동량을 계산하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 그래픽 처리부는,

    격자 볼츠만 방정식을 이용한 이산화 방식으로 상기 유체 시뮬레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현 시스템.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 그래픽 처리부는,

    상기 유체 시뮬레이션시, 매 시뮬레이션 과정의 종료 후 그 결과값을 RTT 기법과 이중버퍼를 이용하여 저장하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현 시스템.
13. 제 8 항에 있어서,

    상기 그래픽 처리부는,

    상기 붓 스트로크 처리를 위해 초당 100∼120회 범위의 마우스 포인터의 위치 표본화 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현 시스템.
14. 제 8 항에 있어서,

    상기 제어부는,

    상기 마우스 포인터의 이동에 따른 붓 스트로크 처리 시 2차원 스플라인 곡선 재구성을 통해 상기 붓 스트로크 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 디지털 수채 영상 재현 시스템.

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