KR100898990B1 - 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치 및 방법에 관한 것으로서, 메쉬 형상을 나타내는 메쉬 정보중 3D 오브젝트를 실루엣 추출 알고리즘 중에서 면위에 에지를 생성하는 스무드 서피스 방법을 써서 에지를 추출하는 에지 추출모듈과, 에지 추출모듈에서 구해진 각각의 에지 간을 연결하여 스트로크를 생성하는 스트로크 생성모듈과, 상기 스트로크 생성모듈로부터 상기 스트로크의 현재 프레임과 이전 프레임에서 추출된 카메라와 물체의 움직임 정보를 통하여 연관된 스트로크를 결정하여 해당 스트로크의 스타일 파라미터를 계산하고 세팅하는 파라미터 계산모듈로 구성되는 것을 특징으로 하므로, 3D 상에서 실루엣 에지가 움직인다는 개념 아래에 실루엣 에지의 파라미터를 프레임간의 시간적 일관성을 가지는 실루엣의 스타일 적용을 통하여 아티스트들이 실루엣 표현에 더 자유로울 수 있을 것이며, 또한, 3차원 오브젝트의 모양을 효과적으로 반영하는 실루엣의 렌더링의 스타일화의 시간적 일관성을 해결한 효과가 있는 것이다.

실루엣 렌더링, 시간적 일관성, 애니메이션, 비사실적 렌더링

Description

3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치 및 방법{Silhouette Rendering Apparatus and Method with 3D Temporal Coherence For Rigid Object}

본 발명은 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비사실적 렌더링시에 오프셋이나 텍스처 좌표 등의 파라미터를 설정하고 이러한 스타일의 시간적 일관성을 유지시켜 줌으로서 실루엣 라인이 부드럽게 보이도록 하는 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-082-02, 과제명: 비사실적 애니메이션 기술].

3D 오브젝트의 라인 렌더링은 오브젝트를 간단하고 효율적으로 보여줄 수 있어서, 유용할 뿐 아니라, 모든 회화의 기본이 라인을 렌더링하는 것이라 비사실적 렌더링 분야에서 매우 중요한 위치를 차지한다. 물체를 표현하는 특징선 중에서도 물체와 배경 또는 물체와 물체의 경계를 이루는 실루엣 라인은 시점에 따라 계속 변하기 때문에 그 스타일을 제어함에 있어서 어려움이 있다. 이 중 비사실적 애니메이션분야에서 실루엣은 3차원 모양을 표현하는 데 매우 중요한 역할을 차지한다.

실루엣 추출 알고리즘은 오브젝트 스페이스에서 찾는 알고리즘에는 이웃 면의 노멀을 이용하여 공유하는 에지(edge)가 실루엣인지를 결정하는 알고리즘과 면 위에서 부드럽게 움직이는 스무드 실루엣 추출 알고리즘이 있다.

이 중, 인텔 주식회사 외 1인이 출원하여 미국 특허번호 제US7113191호로 등록된 특허인 "Rendering a Silhouette Edge"를 보면, 이 종래의 기술은 3D 모델의 기하학적 정보를 수집하고 이 수집된 기하학적 정보에 따라 디스플레이 포멧을 결정하므로 3D 오브젝트의 기하정보를 반영하는 실루엣의 에지를 렌더링할 수 있지만, 실루엣이 고정되어 있거나, 그 시간적 추적이 느려져 실루엣 에지가 흐리게 보이는 문제점이 있다.

또한, 비사실적 렌더링 분야에서 라인을 렌더링함에 있어서, 실루엣 라인은 시점의 변화에 따라서, 물체의 애니메이션에 따라서 매 번 다시 생성된다. 실루엣 라인을 위하여 각각의 에지들이 따로 구해지고 이를 연결한 라인을 스트로크라고 한다면, 매 프레임마다 한 스트로크를 이루는 에지의 개수나 스트로크의 개수가 다르다.

따라서, 비사실적 렌더링에서는 각각의 스트로크에는 사람이 그린 것 같은 효과를 만들어 내기 위하여 라인의 오프셋을 변경하거나, 텍스처 매핑 등을 이용하는데 매 프레임 실루엣들이 변하기 때문에 연속적으로 부드러운 이미지를 얻을 수 없다. 애니메이션 시 실루엣 라인이 부드럽게 보이게 하기 위해서는 이러한 스타일 의 시간적 일관성을 유지시켜주기 위하여 오프셋이나 텍스처 좌표 등의 파라미터를 설정하는 장치가 필요하다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서 그 목적은 애니메이션에 따른 실루엣 스타일이 시간적인 일관성을 유지하면서 실루엣 라인이 애니메이션 되도록 구성한 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치 및 방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

또한, 본 발명은 비사실적 렌더링에서 애니메이션 시 실루엣 라인이 부드럽게 보이게 하기 위해서 스타일의 시간적 일관성을 유지시켜주기 위하여 오프셋이나 텍스처 좌표 등의 파라미터를 설정하는 3차원 공간에서 시간일관성을 이용하여 실루엣 라인이 부드럽고 자연스럽게 표현되도록 구성한 실루엣 렌더링 장치 및 방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

따라서, 상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치는, 메쉬 형상을 나타내는 메쉬 정보중 3D 오브젝트를 실루엣 추출 알고리즘 중에서 면위에 에지를 생성하는 스무드 서피스 방법을 써서 에지를 추출하는 에지 추출모듈, 에지 추출모듈에서 구해진 각각의 에지 간을 연결하여 스트로크를 생성하는 스트로크 생성모듈 및 스트로크 생성모듈로부터 스트로크의 현재 프레임과 이전 프레임에서 추출된 카메라와 물체의 움직임 정보를 통하여 연관된 스트로크를 결정하여 해당 스트로크의 스타일 파라미터를 계산하고 세팅하는 파라미터 계산모듈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 방법은, 실루엣에지 추출모듈이 3D 메쉬로부터 스무드 서피스 알고리즘으로 에지 및 라인을 추출하는 추출단계와, 추출단계에서 추출된 라인을 스트로크에 링크하여 물체의 애니메이션에 적용하고 링크된 스트로크에 스타일 변수인 스타일 파라미터를 세팅하는 제1 세팅단계와, 다음 프레임에서도 실루엣에지 추출모듈이 에지를 추출하고 링크하여 스트로크를 생성하는 스트로크생성단계와, 상기 제1 세팅단계에서 세팅된 현재 프레임과 상기 제1 세팅단계에서 세팅된 이전 프레임에서 카메라와 물체의 움직임 정보를 통하여 연관된 해당 스트로크를 결정하여 스타일 변수인 스타일 파라미터를 세팅하는 제2 세팅단계와, 제1 세팅 단계 및 제2 세팅 단계에서 세팅된 파라미터를 이용하여 실루엣을 렌더링하는 렌더링단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은, 비사실적 애니메이션분야에서 손으로 그린 것 같은 효과를 내기 위한 구불거림이나 텍스처 맵 등을 통하여 스타일을 줄 때 시간적 일관성 문제가 가장 치명적인데, 3D 상에서 실루엣 에지가 움직인다는 개념 아래에 실루엣 에지의 파라미터를 프레임간 시간적 일관성을 가지는 실루엣의 스타일 적용을 통하여 아티스트들이 실루엣 표현에 더 자유로울 수 있으며, 또한, 3차원 오브젝트의 모양을 효과적으로 반영하는 실루엣 렌더링 스타일화의 시간적 일관성을 해결한 효과가 있는 것이다.

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

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 공간에서 시간일관성을 이용하여 실루엣 렌더링하는 과정을 나타낸 블록 구성도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에따라 각각 좌측에는 선형인터폴레이션으로 얻어진 실루엣 에지를 나타내며, 우측은 스트로크를 이루는 형상을 나타낸다.

도 1 및 도 5를 참조하여 보면, 본 발명은 3D 메쉬(10)와, 실루엣에지 추출모듈(20), 스트로크 생성모듈(30), 파라이터 계산모듈(40) 및 실루엣 렌더링모듈(50)로 구성된다.

먼저, 3D 메쉬(10)는 카메라 등에 의해 처리된 정보 또는 그래픽 디자이너가 작업한 자료에 따라 좌표값으로 메쉬 형상을 나타내는 메쉬 정보이다.

실루엣 에지 추출모듈(20)은 3D 메쉬 중 3D 오브젝트를 실루엣 추출 알고리즘 중에서 면위에 에지를 생성하는 스무드 서피스 방법을 써서 에지를 추출한다. 이때, 스무드 서피스 방법은 실루엣이 생길 수 있는 면에서 에지를 새로 생성하고 이를 추출하는 방법이다. 그리고, 추출된 에지와 그 이전의 3D 메쉬의 면정보와 각 면의 이웃 정보간 링크를 형성하면서 카메라나 물체의 애니메이션 정보를 이용하여 스타일 변수를 세팅하여 라인을 추출한다.

이때, 도 5에서 좌측은 한 면 위에서 실루엣 에지를 찾기 위해 세 정점에서의 노멀과 카메라 방향이 내적을 구하고 각 에지에서 선형 인터폴레이션으로 얻어 진 실루엣 에지를 나타내며, 우측은 실루엣 에지를 연결하여 실루엣 스트로크를 이루는 형상을 나타낸다.

그리고, 스트로크 생성모듈(30)은 상기 에지 추출모듈(20)에서 구해진 각각의 에지 간을 연결하여 스트로크를 생성한다. 이와 같이 스트로크 생성모듈(30)은 다음 프레임에서도 마찬가지로 에지를 추출하여 스트로크를 생성한다.

앞에서 구한 실루엣 에지를 포함하는 면의 이웃하는 면의 정보를 이용하여 실루엣을 링크한다. 실루셋 에지 간을 연결하여 생성된 스트로크는 서클을 이루는 스트로크와 그렇지 않은 스트로크로 구분된다.

파라미터 계산모듈(40)에서는 이와 같이 생성된 스트로크의 현재 프레임과 이전 프레임에서 추출된 카메라와 물체의 움직임 정보를 통하여 연관된 스트로크를 결정하여 해당 스트로크의 스타일 파라미터를 계산하고 셋팅한다.

각 스트로크에 포함되는 에지의 파라미터를 계산하고 세팅하는 것은 텍스처 좌표의 처음과 끝, 그리는 중간의 옵셋을 계산하고 변경하여 세팅함에 의해서 손으로 그리는 효과를 표현할 수 있음을 의미한다. 그 표현된 결과에 대해서는 후술하는 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 설명하고자 한다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따라 각각 도 4a는 입력되어 3D 메쉬로 변환될 3차원 오브젝트, 도 4b는 3D 메쉬로부터 실루엣 에지를 추출한 모습, 도 4c는 스타일을 나타내기 위해 쓰인 텍스처, 도 4d는 텍스처를 이용하여 스타일을 표현한 실루엣을 나타내는 도면이다.

한편, 도 1의 실루엣 렌더링모듈(50)은 실루엣 라인의 애니메이션 정보를 물체와 카메라의 애니메이션 정보로부터 직접 추출하여 실루엣 라인의 시간 일관성을 유지하도록 스트로크 파라미터를 이용하여 렌더링한다.

스무드 서피스 알고리즘으로 추출된 실루엣 라인을 전술한 파라미터를 이용하여 렌더링하게 되면, 시점의 변화, 즉 카메라의 이동이나 물체의 이동에 따라 실루엣 스트로크는 이동하면서도 사라지기도 하고 둘로 나누어지기도 하면서 새로 생기는 경우도 가능하게 되어 카메라의 이동이나 물체의 이동에 따라 실루엣 라인이 물체의 표면상에서 이동하도록 나타내게 된다. 이에 대해서는 후술하는 도 3에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링하는 과정을 나타낸 순서도이다.

도 2를 참조하여 보면, 첫 번째로 실루엣에지 추출모듈(20)은 3D 메쉬(100)로부터 스무드 서피스 알고리즘으로 에지 및 라인을 추출한다(S200).

S200에서 추출된 라인을 스트로크에 링크하여 물체의 애니메이션에 적용하고 시점의 변화에 따라서 실루엣 라인은 매 번 다시 생성된다.

링크된 스트로크에 스타일 변수인 스타일 파라미터를 세팅한다(S300).

다음 프레임에서도 실루엣에지 추출모듈(20)이 에지를 추출하고 링크하여 스트로크를 생성한다(S400).

S400에서 세팅된 현재 프레임과 S300에서 세팅된 이전 프레임에서 카메라와 물체의 움직임 정보를 통하여 연관된 해당 스트로크를 결정하여 스타일 변수인 스타일 파라미터를 세팅한다(S500).

이와 같이 세팅된 파라미터를 이용하여 실루엣을 렌더링한다(S600).

도 3은 본 발명의 도 2에 따른 실루엣 정점의 파라미터를 결정하기 위하여 이전 프레임과 연관되는 정점을 찾는 과정을 나타낸 순서도이다.

도 3을 참조하여 보면, 먼저 실루엣은 카메라의 위치와 물체의 움직임에 따라서 생성된다. 따라서 카메라(10)와 물체(20)의 애니메이션 정보를 이용하여 실루엣의 이동 경로를 추적할 수 있다.

스무드 서피스 알고리즘으로 추출된 실루엣 에지 위의 정점은 카메라나 물체가 천천히 이동할 경우에 한 페이스에서 이웃 페이스로 천천히 이동하게 된다.

이때, 카메라와 같은 입력장치로부터 실루엣 에지 위의 정점의 위치가 주어졌을 때(S410), 각 정점의 속도는 물체의 곡률 정보(30)와 물체의 애니메이션의 에지가 붙어있는 면의 속도(20), 카메라의 속도(10)로부터 근사 가능므로, 실루엣 에지 위의 정점의 속도를 구한다(S420).

S420에서 구해진 실루엣 에지의 정점의 속도를 이용하여 현재 프레임에서의 실루엣 에지의 파라미터를 이전 프레임에서의 어떤 실루엣 에지에 대응하는 파라미터로부터 가져올 것인지를 판단할 수 있게 되는 것이다(S430).

에지가 연결되어 하나의 스트로크를 형성하는 데 있어서, 스트로크에 포함되는 에지의 수는 물체의 모양에 따라 계속 변할 수 있기 때문에 파라미터 변화의 스케일 변화를 통하여 파라미터를 설정한다. 이를 통하여 실루엣 에지가 사라지고 다시 생성되는 것이 아니라 실루엣 라인이 애니메이션 되는 것처럼 나타낼 수 있게 나타낼 수 있게 된다.

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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 공간에서 시간일관성을 이용하여 실루엣 렌더링하는 과정을 나타낸 블록 구성도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링하는 과정을 나타낸 순서도.

도 3은 본 발명의 도 2에 따른 실루엣 정점의 파라미터를 결정하기 위하여 이전 프레임과 연관되는 정점을 찾는 과정을 나타낸 순서도.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따라 각각 도 4a는 입력되어 3D 메쉬로 변환될 3차원 오브젝트, 도 4b는 3D 메쉬로부터 실루엣 에지를 추출한 모습, 도 4c는 스타일을 나타내기 위해 쓰인 텍스처, 도 4d는 텍스처를 이용하여 스타일을 표현한 실루엣을 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 일실시예에따라 각각 좌측에는 선형인터폴레이션으로 얻어진 실루엣 에지를 나타내며, 우측은 스트로크를 이루는 형상을 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10 : 3D 메쉬 20 : 실루엣에지 추출모듈

30 : 스트로크 생성모듈 40 : 파라미터 계산모듈

50 : 실루엣 렌더링모듈

Claims (8)

1. 메쉬 형상을 나타내는 메쉬 정보중 3D 오브젝트를 실루엣 추출 알고리즘 중에서 면위에 에지를 생성하는 스무드 서피스 방법을 써서 에지를 추출하는 에지 추출모듈;

   상기 에지 추출모듈에서 구해진 각각의 에지 간을 연결하여 스트로크를 생성하는 스트로크 생성모듈; 및

   상기 스트로크 생성모듈로부터 상기 스트로크의 현재 프레임과 이전 프레임에서 추출된 카메라와 물체의 움직임 정보를 통하여 연관된 스트로크를 결정하여 해당 스트로크의 스타일 파라미터를 계산하고 세팅하는 파라미터 계산모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치.
2. 제1항에 있어서,

   실루엣 라인의 애니메이션 정보를 물체와 카메라의 애니메이션 정보로부터 직접 추출하여 실루엣 라인의 시간 일관성을 유지하도록 스트로크 파라미터를 이용하여 렌더링하는 실루엣 렌더링모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 스무드 서피스 방법은,

   실루엣이 생길 수 있는 면에서 에지를 새로 생성하고 이를 추출하는 단계와;

   추출된 에지와 그 이전의 3D 메쉬의 면정보와 각 면의 이웃 정보간 링크를 형성하면서 카메라나 물체의 애니메이션 정보를 이용하여 스타일 변수를 세팅하여 라인을 추출하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 파라미터 계산모듈이 상기 스트로크에 포함되는 상기 에지의 파라미터를 계산하고 세팅하는 것은 텍스처 좌표의 처음과 끝 및 중간의 옵셋을 계산하고 변경하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 장치.
5. 실루엣에지 추출모듈이 3D 메쉬로부터 스무드 서피스 알고리즘으로 에지 및 라인을 추출하는 추출단계와;

   상기 추출단계에서 추출된 라인을 스트로크에 링크하여 물체의 애니메이션에 적용하고 링크된 스트로크에 스타일 변수인 스타일 파라미터를 세팅하는 제1 세팅단계와;

   다음 프레임에서 실루엣에지 추출모듈이 에지를 추출하고 링크하여 스트로크를 생성하는 스트로크생성단계와;

   상기 제1 세팅단계에서 세팅된 현재 프레임과 상기 제1 세팅단계에서 세팅된 이전 프레임에서 카메라와 물체의 움직임 정보를 통하여 연관된 해당 스트로크를 결정하여 스타일 변수인 스타일 파라미터를 세팅하는 제2 세팅단계와;

   상기 제1 세팅 단계 및 제2 세팅 단계에서 세팅된 파라미터를 이용하여 실루엣을 렌더링하는 렌더링단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2 세팅단계는,

   입력장치로부터 실루엣 에지 위의 정점의 위치가 주어지면, 물체의 곡률 정보, 물체의 애니메이션의 에지가 붙어있는 면의 속도 및 상기 입력장치의 속도로부터 실루엣 에지 위의 정점의 속도를 구하는 계산단계와;

   상기 계산단계에서 구해진 실루엣 에지의 정점의 속도를 이용하여 현재 프레임에서의 실루엣 에지의 파라미터를 이전 프레임에서의 어떤 실루엣 에지에 대응하는 파라미터로부터 가져올 것인지를 판단하는 판단단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,

   스케일 변화를 통하여 상기 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간에서 시간일관성을 이용한 실루엣 렌더링 방법.
8. 실루엣에지 추출모듈이 3D 메쉬로부터 스무드 서피스 알고리즘으로 에지 및 라인을 추출하는 추출단계와;

   상기 추출단계에서 추출된 라인을 스트로크에 링크하여 물체의 애니메이션에 적용하고 링크된 스트로크에 스타일 변수인 스타일 파라미터를 세팅하는 제1 세팅단계와;

   다음 프레임에서 실루엣에지 추출모듈이 에지를 추출하고 링크하여 스트로크를 생성하는 스트로크생성단계와;

   상기 제1 세팅단계에서 세팅된 현재 프레임과 상기 제1 세팅단계 세팅된 이전 프레임에서 카메라와 물체의 움직임 정보를 통하여 연관된 해당 스트로크를 결정하여 스타일 변수인 스타일 파라미터를 세팅하는 제2 세팅단계와;

   상기 제1 세팅 단계 및 제2 세팅 단계에서 세팅된 파라미터를 이용하여 실루엣을 렌더링하는 렌더링단계를 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체.

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