KR100900076B1 - 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 하이 폴리곤 모델을 이용하여 로우 폴리곤 모델에 사용할 릴리프 텍스쳐 데이터를 작성하는 작성단계와, (b) 입력장치로부터 입력된 시점 정보로 텍셀의 위치를 계산하는 제1 계산단계와; (c) 빛의 위치좌표로부터 제1 계산단계에서 계산된 텍셀의 위치에 대응하는 텍셀의 명암을 계산하는 제2 계산단계 및 (d) 상기 제1 및 제2 계산 결과를 이용하여 텍스쳐 좌표값을 생성하고 상기 텍스쳐 좌표값에 대응하는 화상을 출력하는 단계로 구성되므로 하드웨어의 한정된 스펙 내에서 적은 수의 다각형으로 세밀하고 복잡한 모델을 자유스럽게 사용할 수 있으며 그로 인해 다양한 모델을 보다 현실감 있는 입체적 모습으로 즐길 수 있는 효과가 있다.

텍스쳐, Relief Mapping, 텍셀, 픽셀,

Description

경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 장치 및 방법{Texturing System and Method for Border Lins is Natural}

본 발명은 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 장치 및 방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 3차원 가상공간 안에서 객체 모델에 사용하는 다각형의 수를 줄이면서 시점에 따라 텍스쳐를 변경하여 사용함으로서 마치 세밀한 다각형으로 표현된 것처럼 화면에 보여줄 수 있는 방법에 관한 것으로, 하나의 화면에 표현되는 실제 다각형의 수는 줄이되 화면을 섬세하게 표현하여 현실감을 높일 수 있는 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-044-01, 과제명: 멀티코아 CPU 및 MPU기반 크롯플랫폼 게임기술].

짐 블린(Jim Blinn)과 뉴웰(Newell)은 기하정보의 추가없이 세밀함의 환상을 표면에 이미지를 매핑하는 텍스쳐 매핑을 통해서 만들어 내었다(1976년). 그리고, 블린의 범프맵(1978년)은 오늘날은 주로 쿡의 노멀맵 형식(Cook's normal map format)을 통해 구현하고 있다(1984년). 노멀맵과 범프맵을 통해서 평평한 면이 색 뿐만 아니라 기하적인 세밀함까지 인식이 되었다. 현재는 텍스쳐 기법과 노멀 매핑 기법이 현대의 게임에서 일반적인 효과로 자리잡아가고 있다.

올리베라와 비숍의 양각 텍스쳐 방법(Olivera and Beshop's Relief Textures Method)은 깊이정보를 기반으로 미리 텍스쳐를 왜곡하는 방법이었다(1999년). 그러나 이 방법(Relief Mapping)은 게임 개발에는 채택되지 않았으며, 이 생각은 현재 시차 매핑(Parallax Mapping)과 그밖의 상응하는 향상 기법들로 발전되고 있다.

일반적으로 가상환경 내에서의 3차원 세계는 다각형으로 이루어진 모델 데이터로 구성된다. 모델 데이터는 모델링 툴에서 메쉬구조로 만들어지며 메쉬구조의 다각형의 수가 증가할수록 부드러운 곡면과 세밀한 디테일의 표현이 가능하다. 사람의 얼굴과 같이 섬세한 구조를 표현하기 위해서는 최대한의 다각형을 사용하는 것이 현실감을 높일 수 있는 최소한의 방법이라고 할 수 있다.

하지만 하드웨어의 성능이 제한되어 있으므로 적은 수의 다각형으로 모델 데이터를 만들고 마치 많은 숫자의 다각형을 사용한 것처럼 텍스쳐를 입혀 사용하는 방법이 널리 사용되고 있었다. 특히 그래픽 처리 프로세서(Graphic Processing Unit)의 발전으로 사용자의 시점에 따라 텍스쳐를 변형시켜 실제로 다각형이 많은 것처럼 3차원으로 표현하는 텍스쳐 기법이 많이 생겨났으며, 앞서 기술한 노멀맵(Normal Map)이나 범프맵(Bump Map), 릴리프맵(Relief Map)이 그 대표적인 예라고 할 수 있다.

그중 가장 진화된 형태로는 릴리프맵이라고 할 수 있는데 사용자의 시점에 따른 텍스쳐 명암의 조절 뿐 아니라 텍셀의 위치 또한 변화시켜 모델 데이터의 실 루엣에서도 입체감을 느낄 수 있도록 구성할 수 있다. 릴리프맵은 그러나 하나의 다각형에 텍스쳐를 입힌다는 특성상 다각형의 경계지점이 텍스쳐의 경계지점이 될 경우 이웃하는 다각형과 부드럽게 연결할 수 없으며, 짤려서 안보이게 되는 등의 문제점이 있었다.

또한, 기존의 텍스쳐 연산에 의한 3차원 변형 맵핑은 이러한 기본 연산을 그래픽 프로세싱 유닛(Graphic Processing Unit ; GPU) 내의 하드웨어 쉐이더로 조작하여 첫째, 텍스쳐 좌표값을 자동 인터폴레이션으로 구하였으며, 둘째, 주어지는 텍스쳐 색상값에 단순 쉐이딩을 입혀 완성하였다. 이때, 텍스쳐 좌표값이 인터폴레이션을 통하여 어디에 배치되느냐를 계산하므로, 텍스쳐의 좌표값이 넘어가게 되면 짤리게 되어 않보이게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 다음의 매핑도를 참조하여 종래기술의 문제점에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1a 내지 도 1c는 일반적인 텍스쳐를 매핑하는 과정을 비교하여 나타낸 매핑도이다.

도 1a는 노란색, 흰색, 빨간색, 파란색이라는 색상값을 가진 각각의 텍스쳐를 나타내며 도 1b는 도 1a의 텍스쳐가 회색 삼각형에 매핑된 예를 나타낸 도면이다. 기존의 텍스쳐 연산은 도 1a에서 도 1b로 맵핑되듯이 순서나 상대 위치값의 변동 없이 그대로 삼각형에 맵핑된다. 도 1b의 매핑은 시점 변화에 따른 모델의 입체 변형값을 반영하지 못하는 문제점이 있다.

도 1b에 도시된 방식의 매핑 기법을 보완하기 위한 기존의 텍스쳐 연산기법으로는 도 1c와 같이 사용자의 시선값과 모델 데이터의 노멀 값에 의해 텍스쳐의 좌표값을 변경하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 텍스쳐의 좌표값이 변하여 그 결과 노란색과 빨간색 색상의 위치가 변경되는 것을 볼 수 있다. 또한, 빨간색 텍스쳐가 회색 삼각형을 벗어나므로 화면에 표시되지 않는 문제점이 있다.

따라서 입체적인 느낌은 다각형 내부에서만 한정되며 경계선에서는 칼로 자른듯한 모습만 볼 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 디자이너가 텍스쳐의 경계부분에서 돌출되는 값 없이 밋밋하도록 수정하는 방법을 사용하여야 한다.

그러나, 이 방법은 번거로울 뿐 아니라 미리 모델에 지정된 텍스쳐만을 이용할 수 있다는 한계점과 세밀한 표현에 걸림돌이 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 다각형과 텍스쳐의 경계지점 사이에 맞닿은 부분의 부자연스러움을 없애 부드러운 3차원 화면 표현이 가능하게 한 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

따라서 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 장치는, 입력장치로부터 전송받은 버텍스 위치를 화면 좌표계로 변환하여 텍셀 데이터를 생성하는 버텍스쉐이더와, 버텍스쉐이터로부터 텍셀 데이터를 수신하여 시점과 빛의 위치를 이용하여 탄젠트 공간좌표값을 계산하고 탄젠트 공간으로 변환하는 릴리프 텍스쳐 데이터를 생성하는 텍스쳐좌표값계산부와, 텍스쳐좌표값계산부로부터 릴리프 텍스쳐 데이터를 수신하고, 버텍스쉐이더로부터 텍셀 데이터를 수신하여, 릴리프 텍스쳐 데이터와 시점정보를 이용하여 텍스쳐 좌표값을 계산하는 픽셀쉐이더와, 픽셀쉐이터로부터 텍스쳐 좌표값을 디스플레이에 대응하는 신호로 변환하여 디스플레이로 전송하는 화면출력부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 방법은, (a) 하이 폴리곤 모델을 이용하여 로우 폴리곤 모델에 사용할 릴리프 텍스쳐 데이터를 작성하는 작성단계와; (b) 입력장치로부터 입력된 시점 정보로 텍셀의 위치를 계산하는 제1 계산단계와; (c) 빛의 위치좌표로부터 제1 계산단계에서 계산된 텍셀의 위치에 대응하는 텍셀의 명암을 계산하는 제2 계산단계; 및 (d) 제1 및 제2 계산 결과를 이용하여 텍스쳐 좌표값을 생성하고 텍스쳐 좌표값에 대응하는 화면을 출력하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 하드웨어의 한정된 스펙 내에서 적은 수의 다각형으로 세밀하고 복잡한 모델을 자유스럽게 사용할 수 있으며 그로 인해 다양한 모델을 보다 현실감 있는 입체적 모습으로 즐길 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 라이트 맵, 스펙큘러 맵 등 기존의 텍스쳐 연산기법을 그대로 병행할 수 있으므로 응용 프로그램의 효과를 변형하지 않고 몇가지 연산을 변형하는 것만으로도 보다 입체감 있는 화면을 표현할 수 있어 본 발명을 적용하는 데 필요한 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 텍스쳐 연산을 사용하는 어플리케이션에서 부가적으로 알고리즘 적용에 필요한 데이터가 없으며, 적용하는 하드웨어 사양 또한 본 알고리즘으로 인해 높은 사양으로 변경할 필요가 없어 적용하는데 드는 오버헤드는 거의 없는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 방법을 사용하면 디자이너가 텍스쳐의 경계지점을 수정해야하는 수고를 하지 않고서 임의의 모델 데이터에 임의의 텍스쳐를 자유자재로 사용하여도 부드러운 질감을 나타내는 텍스쳐를 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 다각형이 화면에 맵핑되어 각 픽셀별로 계산이 이루어지는 것이 아니라 화면의 하나하나의 픽셀이 어느 텍스쳐를 사용하느냐 하는 연산을 수행함으로서 모델의 모양이나 경계선과 상관없이 노멀값에 의한 텍스쳐의 위치 값이 어느 부분에 매핑이 되는지 자유롭게 연산할 수 있으므로, 다각형에 한정된다는 기존의 한계점을 뛰어 넘을 수 있는 효과가 있다.

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

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 텍스쳐 장치의 구성을 나타낸 블록 구성도이다.

도 2를 참조하여 보면, 본 발명은 크게 입력장치(10), 그래픽 프로세싱 유닛(20) 및 디스플레이(30)로 구성된다.

그리고, 그래픽 프로세싱 유닛(20)은 버텍스쉐이더(210), 텍스쳐좌표값계산부(220), 픽셀쉐이더(230) 및 화면출력부(240)로 구성된다.

입력장치(10)는 카메라 또는 그래픽 입력도구일 수 있다. 예컨대, 그래픽 입력도구로는 마우스, 타블릿, 스캐너, 플로터와 같은 장치에서 처리된 화상을 버텍스 데이터, 텍스쳐 좌표값 및 시점정보화하는 모든 장치를 포함한다. 여기서 시점정보는 깊이와 노멀값, 빛정보 등의 정보를 포함하며, 빛정보는 광원, 조도, 휘도, 시점 등의 정보를 포함한다.

그래픽 프로세싱 유닛(20)은 그래픽 데이터를 처리하는 유닛을 의미하며, 본 발명에 필요한 구성만을 개략적으로 나타내면, 다음과 같은 버텍스쉐이더(210), 텍스쳐좌표값계산부(220), 픽셀쉐이더(230) 및 화면출력부(240)를 포함하는 것으로 나타낼 수 있다.

디스플레이(30)는 그래픽 프로세싱 유닛(20)에서 처리된 화상을 디스플레이시키는 장치이다.

그리고, 그래픽 프로세싱 유닛(20)의 내부를 살펴보면, 버텍스쉐이더(210)는 입력장치(10)로부터 전송받은 버텍스 위치를 화면 좌표계로 변환하여 텍셀 데이터를 생성한다.

텍스쳐좌표값계산부(220)는 텍셀 데이터를 버텍스쉐이터(210)로부터 수신하여 시점과 빛의 위치를 이용하여 탄젠트 공간좌표값을 계산하고 이를 이용하여 시점과 빛의 위치를 탄젠트 공간으로 변환하는 릴리프 텍스쳐 데이터를 만든다. 이때 릴리프 텍스쳐 데이터의 계산은 텍스쳐 좌표값이 화면의 어느 좌표인지를 계산하는 것이 아니라 화면 좌표값이 어느 텍스쳐를 이용하여 구성되었는지의 여부를 계산하여 대응시킨다. 즉, 화면 좌표값을 이용하여 릴리프 텍스쳐의 좌표를 구한다.

화면 가득한 픽셀을 따라가며 해당하는 화면의 픽셀이 어느 텍스쳐 좌표를 사용하는지 거꾸로 판단하면 그 결과 화면의 빈틈과 어색한 경계선을 없앨 수 있다. 따라서, 본 발명의 텍스쳐 연산은 경계선에서 다각형 내부에 한정된 텍스쳐 좌표의 특성상 텍스쳐의 값이 넘어가야 함에도 불구하고 넘어가는 값도 표현할 수 있게 되는 것이다.

픽셀쉐이더(230)는 텍스쳐좌표값계산부(220)로부터 릴리프 텍스쳐 데이터를 수신하고, 버텍스쉐이더(210)로부터는 버텍스 위치가 화면 좌표계로 변환된 텍셀 데이터를 수신한다. 픽셀쉐이더(230)는 릴리프 텍스쳐 데이터와 입력장치(10)를 통해 입력된 시점정보, 특히 깊이값, 빛정보 및 노멀값을 이용하여 텍셀데이터에 명암을 입힌 픽셀에 대응하는 텍스쳐 좌표값을 계산하고 계산된 텍스쳐 좌표값을 화면출력부(240)로 전송한다.

화면출력부(240)는 텍스쳐 좌표값을 디스플레이에 대응하는 신호로 변환하여 디스플레이(30)로 전송하여 디스플레이(30)로 하여금 본 발명에 의해 경계선이 처리된 화상을 디스플레이시키도록 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐를 디스플레이시키는 과정을 나타낸 순서도이다.

도 3을 참조하여 보면, 먼저, 버텍스쉐이더(210)가 텍스쳐좌표값계산부(220)로부터 계산된 텍스쳐 좌표값을 수신하여 하이 폴리곤 모델을 이용하여 로우 폴리곤 모델에 사용할 릴리프 텍스쳐 데이터(Relief Texture Data)를 작성한다(S310). 이때 릴리프 텍스쳐 데이터의 계산은 텍스쳐 좌표값이 화면의 어느 좌표인지를 계산하는 것이 아니라 화면 좌표값이 어느 텍스쳐를 이용하여 구성되었는지의 여부를 계산하여 대응시킨다. 즉, 화면 좌표값을 이용하여 릴리프 텍스쳐의 좌표를 구한다.

릴리프 텍스쳐 데이터는 입력장치(10)로부터 수신된 버텍스 위치를 화면 좌표계로 변환하고 시점과 빛의 위치를 탄젠트 공간으로 변환하여 얻을 수 있다.

텍스쳐좌표값계산부(220)는 입력장치(10)로부터 입력된 시점정보로 텍셀의 위치를 계산한다(S320). 텍셀의 위치는 시점정보, 특히 깊이 값과 노멀 값으로 화면 픽셀의 텍스쳐 좌표값을 계산하여 얻을 수 있다.

픽셀쉐이더(230)는 빛의 위치좌표로부터 S320에서 계산된 텍셀의 위치에 대응하는 텍셀의 명암을 계산한다(S330). 텍셀의 명암은 텍스쳐 정보값, 특히 깊이값, 빛정보 및 노멀값을 이용하여 텍셀 데이터에 명암을 입히는 것이다.

상기 S320 및 S330에서 계산된 텍셀의 위치 및 텍셀의 명암을 이용하여 텍셀에 대응하는 텍스쳐 좌표값을 계산하고 그 계산된 텍스쳐 좌표값을 화면출력부(240)를 통해 디스플레이(30)로 전송하여 자연스럽게 경계선 처리된 화면이 출력되도록 한다(S340).

이때, 상기 방법은 렌더링 화면의 각 좌표를 기준으로 픽셀 쉐이더의 연산이 이루어져 결과가 텍스쳐의 UV좌표 값이 나오며 이를 바탕으로 화면에 출력하는 결과를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 텍스쳐를 매핑하는 과정을 설명하기 위한 매핑도이다.

도 4를 참조하여 보면, 빨간색 화면 좌표값이 빨간색 텍스쳐을 이용하여 구성된 값이라는 것을 연산을 통해 계산해 냄으로서 다각형에 한정된 한계점을 극복할 수 있다.

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

도 1a 내지 도 1c는 일반적인 텍스쳐를 매핑하는 과정을 비교하여 나타낸 매핑도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 텍스쳐 장치의 구성을 나타낸 블록 구성도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐를 디스플레이시키는 과정을 나타낸 순서도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 텍스쳐를 매핑하는 과정을 설명하기 위한 매핑도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10 : 입력장치 20 : 그래픽 프로세싱 유닛

30 : 디스플레이 210 : 버텍스쉐이더

220 : 텍스쳐좌표값계산부 230 : 픽셀쉐이더

240 : 화면출력부

Claims (8)

1. 입력장치로부터 전송받은 버텍스 위치를 화면 좌표계로 변환하여 텍셀 데이터를 생성하는 버텍스쉐이더와;

   상기 버텍스쉐이터로부터 상기 텍셀 데이터를 수신하여 시점과 빛의 위치를 이용하여 탄젠트 공간좌표값을 계산하고 탄젠트 공간으로 변환하는 릴리프 텍스쳐 데이터를 생성하는 텍스쳐좌표값계산부와;

   상기 텍스쳐좌표값계산부로부터 상기 릴리프 텍스쳐 데이터를 수신하고, 상기 버텍스쉐이더로부터 상기 텍셀 데이터를 수신하여, 상기 릴리프 텍스쳐 데이터와 시점정보를 이용하여 텍스쳐 좌표값을 계산하는 픽셀쉐이더와;

   상기 픽셀쉐이터로부터 상기 텍스쳐 좌표값을 디스플레이에 대응하는 신호로 변환하여 디스플레이로 전송하는 화면출력부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 릴리프 텍스쳐 데이터는 화면 좌표값을 이용하여 계산한 릴리프 텍스쳐의 좌표값인 것을 특징으로 하는 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 시점정보는 깊이값, 빛정보 및 노멀값이며, 상기 깊이값, 상기 빛정보 및 상기 노멀값을 이용하여 텍셀데이터에 명암을 입힌 픽셀에 대응하는 텍스쳐 좌표값을 계산하는 것을 특징으로 하는 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 장치.
4. (a) 하이 폴리곤 모델을 이용하여 로우 폴리곤 모델에 사용할 릴리프 텍스쳐 데이터를 작성하는 작성단계와;

   (b) 입력장치로부터 입력된 시점 정보로 텍셀의 위치를 계산하는 제1 계산단계와;

   (c) 빛의 위치좌표로부터 제1 계산단계에서 계산된 텍셀의 위치에 대응하는 텍셀의 명암을 계산하는 제2 계산단계; 및

   (d) 상기 제1 및 제2 계산 결과를 이용하여 텍스쳐 좌표값을 생성하고 상기 텍스쳐 좌표값에 대응하는 화면을 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 (a) 단계에서 상기 릴리프 텍스쳐 데이터는 화면 좌표값을 이용하여 계산한 릴리프 텍스쳐의 좌표값인 것을 특징으로 하는 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 릴리프 텍스쳐 데이터는 입력장치로부터 수신된 버텍스 위치를 화면 좌표계로 변환하고 시점과 빛의 위치를 탄젠트 공간으로 변환하여 획득하는 것을 특징으로 하는 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 텍셀의 위치는 깊이 값과 노멀 값으로 화면 픽셀의 텍스쳐 좌표값 계산하여 획득하는 것을 특징으로 하는 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 방법.
8. 제6항에 있어서,

   상기 텍셀의 명암은 깊이값, 빛정보 및 노멀값을 이용하여 텍셀 데이터에 명암을 입히는 것을 특징으로 하는 경계선이 자연스러운 3차원 텍스쳐 방법.

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