KR101104684B1 - 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법 및 그 장치 - Google Patents
관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법 및 그 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 생물의 외피 및 피하 조직, 외부 조명, 광학적 상호작용을 분석하고, 이를 기반으로 생물의 피부 표현을 극사실적으로 표현하도록 렌더링함으로써, 피부 광학 모델의 사실감을 향상시킬 수 있고, 외피의 반사 모델을 표면 반사와 서브 표면 반사로 구분하여 사실적인 반사 모델을 제공할 수 있으며, 사진 이미지 분석에 의한 외피 표현의 맵 추출 기법은 피부가 아닌 다른 표면의 사실적 표현에도 활용될 수 있다. 또한, 본 발명은 생물체의 외피 쉐더(shader)를 개발하여 애니메이션의 렌더링 품질을 높이고, 디지털 영화 및 게임에 등장하는 생물이나 의인화된 가상 동물 캐릭터를 사실적으로 표현할 수 있다.
렌더링, BRDF, 쉐더, 구면반사
Description
본 발명은 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생물의 외피 및 피하 조직, 외부 조명, 광학적 상호작용을 분석하고, 이를 기반으로 생물의 피부 표현을 극사실적으로 표현하도록 렌더링할 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-S-051-02, 과제명: 디지털 크리쳐 제작 S/W 개발].
주지된 바와 같이, 외피의 실감 렌더링은 단순하게 부분적인 합성 기술들만을 적용하여 완성하기에는 불가능하다. 이에, 부분적인 장면에서 수준 높은 렌더링 결과를 얻기 위해서는 실사 이미지와 비교해가며 여러 가지 광학 파라미터들의 프로그램 사용자의 감각에 주로 의존해 조절해야 하므로 엄청난 노력과 시간이 투자되어야 한다.
이러한 외피의 실감 렌더링은 현재까지 그래픽스 하드웨어들의 성능이 좋아지고 고화질 이미지에 대한 요구사항들이 급속도로 늘어가면서 이런 부분적인 기술들을 종합하는데 그치지 않고 해부학적인 피부 모델링 기술에 기반한 반사 모델 및 피부 미세조직 모델링 방법을 통해 보다 사실적인 피부 렌더링이 가능해지고 있는 추세이다.
즉, 외피의 실감 렌더링을 위한 기술 도입은 마야(maya) 등을 통하여 부분적으로 이루어지고 있으나, 이 애니메이션 툴을 이용한 기술조차 현재의 요구사항을 충족시켜주지 못하고 있다. 특히 피부 미세조직을 모델링하는 것은 범프맵(bump map) 또는 노말맵(normal map)등을 이용하여 디자이너가 완전하게 수동으로 제작해야 한다.
그러나, 상술한 바와 같이 언급된 종래 기술에서의 외피의 실감 렌더링은 마야와 함께 주로 사용되는 렌더러(renderer)인 멘탈레이(mentalray)는 피부의 해부학적 특성을 고려한 반사 모델을 제시하지 못하고 있는 결점이 있다. 또한 렌더링 속도가 매우 느려 아티스트가 파라메터를 조정하기가 매우 어렵고, 피부가 계층 구조를 가진다는 가정 하에 서브-표면(sub-surface) 반사 모델을 모델링하였으나 이 또한 현상의 단순한 해석 및 적용일 뿐 보다 사실적인 피부 렌더링이 불가능하다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 생물의 외피 및 피하 조직, 외부 조명, 광학적 상호작용을 분석하고, 이를 기반으로 생물의 피부 표현을 극사실적으로 표현하도록 렌더링할 수 있는 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명의 일 관점에 따른 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법은, 광원의 방향을 달리하면서 촬영하여 피부 표면의 영상을 획득하는 단계와, 획득된 피부 표면의 영상에서 피부 표면 위치에 따라 반사 모델을 이용하여 서로 다르게 추정시킨 양방향 반사율 분포함수(BRDF) 영상을 생성하는 단계와, 생성된 BRDF 영상에 대하여 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기를 측정하는 단계와, 측정된 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기의 결과를 바탕으로 쉐더 프로그램에 적용하여 렌더링 영상을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 관점에 따른 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 장치는, 광원의 방향을 달리하면서 촬영하여 피부 표면의 영상을 획득하는 영상 획득부와, 획득된 피부 표면의 영상에서 피부 표면 위치에 따라 반사 모델을 이용하여 서로 다른 BRDF 영상을 추정하는 BRDF 추정부와, 추정된 BRDF 영상에 대하여 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기를 측정하는 BRDF 측정부와, 측정된 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기의 결과를 바탕으로 쉐더 프로그램에 적용하는 적용부와, 적용된 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기의 결과를 이용하 여 피부 표면의 질감을 재현하는 렌더링 영상을 획득하는 렌더링 영상 획득부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 생물의 외피 및 피하 조직, 외부 조명, 광학적 상호작용을 분석하고, 이를 기반으로 생물의 피부 표현을 극사실적으로 표현하도록 렌더링함으로써, 기존에서와 같이 피부의 해부학적 특성을 고려한 반사 모델을 제시하지 못하게 되는 원인을 해결할 수 있으며, 또한 렌더링 속도가 매우 느려 아티스트가 파라메터를 조정하기가 매우 어렵다는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법 및 그 장치를 제공함으로써, 피부 광학 모델의 사실감을 향상시킬 수 있고, 외피의 반사 모델을 표면 반사와 서브 표면 반사로 구분하여 사실적인 반사 모델을 제공할 수 있으며, 사진 이미지 분석에 의한 외피 표현의 맵 추출 기법은 피부가 아닌 다른 표면의 사실적 표현에도 활용될 수 있다.
또한, 본 발명은 생물체의 외피 쉐더(shader)를 개발하여 애니메이션의 렌더링 품질을 높이고, 디지털 영화 및 게임에 등장하는 생물이나 의인화된 가상 동물 캐릭터를 사실적으로 표현할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하 기에서 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 장치에 대한 블록 구성도로서, 영상 획득부(10)와 양방향 반사율 분포함수(Bidirectional Reflectance Distribution Function, 이하 BRDF라 함) 추정부(20)와 BRDF 측정부(30)와 적용부(40)와 렌더링 영상 획득부(50) 등을 포함할 수 있다.
영상 획득부(10)는 광원의 방향을 달리하여 물고기의 피부 표면을 촬영하여 물고기 피부 표면의 영상을 각각 획득하고, 이 획득된 각각 다른 물고기 피부 표면의 영상을 BRDF 추정부(20)에 제공한다.
BRDF 추정부(20)는 영상 획득부(10)로부터 입력되는 각각 다른 생물, 예컨대, 물고기 피부 표면의 영상 중 임의의 물고기 피부 표면의 영상에서 물고기 피부 표면 위치에 따라 반사 모델을 이용하여 다르게 추정시킨 BRDF 영상을 생성하고, 이 생성된 BRDF 영상을 BRDF 측정부(30)에 제공한다.
BRDF 측정부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 구면반사거울부(31) 및 백색 종 이부(33) 등을 포함할 수 있다.
구면반사거울부(31)는 구면반사 거울을 의미하는 것으로, BRDF 추정부(20)로부터 입력되는 추정된 각각의 BRDF 영상에 대하여 광원의 모습이 비치게 되는데, 그 위치를 이용하여 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원방향을 측정하고, 이 측정된 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원방향 측정 결과를 적용부(40)에 제공한다.
백색 종이부(33)는 하얀색의 종이를 의미하는 것으로, BRDF 추정부(20)로부터 입력되는 추정된 각각의 BRDF 영상에 대하여 백색 종이의 밝기는 광원의 세기에 비례하고 광원의 기울기에 반비례하는 원리를 이용하여 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원세기를 측정하고, 이 측정된 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원세기 측정 결과를 적용부(40)에 제공한다.
적용부(40)는 쉐더(shader)를 적용하는 블록으로서, BRDF 측정부(30)로부터 입력되는 측정된 피부 표면 BRDF 방향 및 세기측정 결과를 바탕으로 쉐더 프로그램에 적용하고, 이 쉐더 프로그램에 의해 적용된 피부 표면 BRDF 방향 및 세기측정 결과를 렌더링 영상 획득부(50)에 제공한다.
렌더링 영상 획득부(50)는 적용부(40)로부터 입력되는 쉐더 프로그램에 의해 적용된 피부 표면 BRDF 방향 및 세기측정 결과를 이용하여 피부 표면의 질감을 재현하는 렌더링 영상을 획득한다.
따라서, 본 발명은 생물의 외피 및 피하 조직, 외부 조명, 광학적 상호작용을 분석하고, 이를 기반으로 생물의 피부 표현을 극사실적으로 표현하도록 렌더링함으로써, 기존에서와 같이 피부의 해부학적 특성을 고려한 반사 모델을 제시하지 못하게 되는 원인을 해결할 수 있으며, 또한 렌더링 속도가 매우 느려 아티스트가 파라메터를 조정하기가 매우 어렵다는 문제점을 해결할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에서 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 과정에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법에 대하여 순차적으로 도시한 흐름도이다.
먼저, 영상 획득부(10)에서는 도 4에 도시된 바와 같이 광원의 방향을 달리하여 물고기의 피부 표면을 촬영하여 물고기 피부 표면의 영상을 각각 획득(S301)하고, 이와 같이 획득된 각각 다른 물고기 피부 표면의 영상이 BRDF 추정부(20)에 제공(S303)되도록 한다.
BRDF 추정부(20)에서는 영상 획득부(10)로부터 입력되는 각각 다른 물고기 피부 표면의 영상 중 임의의 물고기 피부 표면의 영상에서 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 물고기 피부 표면 위치에 따라 반사 모델을 이용하여 서로 다르게 추정시킨 BRDF 영상을 생성(S305)하고, 이 생성된 BRDF 영상이 BRDF 측정부(30)내 구면반사거울부(31) 및 백색 종이부(33)에 각각 제공(S307)되도록 한다. 여기서, 생성된 BRDF 영상은 피부 표면 부위에 따라 확산(diffuse)된 영상도 있고, 각기 다른 모양으로 다양한 이방성(anisotropic) BRDF 영상도 있음을 알 수 있다.
BRDF 측정부(30)내 구면반사거울부(31)에서는 도 6에 도시된 바와 같이 구면반사 거울을 의미하는 것으로, BRDF 추정부(20)로부터 입력되는 추정된 각각의 BRDF 영상에 대하여 광원의 모습이 비치게 되는데, 그 위치를 이용하여 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원방향을 측정(S309)하고, 이 측정된 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원방향 측정 결과가 적용부(40)에 제공(S311)되도록 한다.
다음으로, BRDF 측정부(30)내 백색 종이부(33)에서는 도 6에 도시된 바와 같이 백색 종이를 의미하는 것으로, BRDF 추정부(20)로부터 입력되는 추정된 각각의 BRDF 영상에 대하여 백색 종이의 밝기는 광원의 세기에 비례하고 광원의 기울기에 반비례하는 원리를 이용하여 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원세기를 측정(S313)하고, 이 측정된 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원세기 측정 결과가 적용부(40)에 제공(S315)되도록 한다. 여기서, 광원의 기울기는 구면반사거울부(31)를 통하여 알 수 있으며, 백색 종이의 밝기로부터 광원의 상대적 밝기 값을 알 수 있다.
예컨대, BRDF 측정부(30)에 의해 측정된 피부 표면 BRDF 방향 및 세기측정 결과는 도 7a 내지 도 7g에 도시된 바와 같이 개략적으로 도시하고 있다.
즉, 도 7a는 BRDF 파라메터 중 Kd : 확산 칼라(diffuse color)의 맵(map) 영상이고, 도 7b는 BRDF 파라메터 중 Nd : 확산 노멀(diffuse normal)의 맵 영상이며, 도 7c는 BRDF 파라메터 중 Ks : 전반사 칼라(specular color)의 맵 영상이며, 도 7d는 BRDF 파라메터 중 Ns : 전반사 노멀(specular normal)의 맵 영상이며, 도 7e는 BRDF 파라메터 중 nu, nv : 전반사 지수(specular exponent)의 맵 영상이며, 도 7f는 BRDF 파라메터 중 T : 탄젠트(tangent)의 맵 영상이며, 도 7g는 BRDF 파라메터 중 B : 종법선(binormal)의 맵 영상이다.
적용부(40)에서는 BRDF 측정부(30)로부터 입력되는 측정된 피부 표면 BRDF 방향 및 세기측정 결과를 바탕으로 예컨대, 도 8a에 도시된 마야(maya)의 렌더링 미리보기 영상에서와 같이 쉐더 프로그램에 적용(S317)하고, 이 쉐더 프로그램에 의해 적용된 예컨대, 도 8b에 도시된 획득된 렌더링 결과 영상에서와 같이 피부 표면 BRDF 방향 및 세기측정 결과가 렌더링 영상 획득부(50)에 제공(S319)되도록 한다.
렌더링 영상 획득부(50)에서는 적용부(40)로부터 입력되는 쉐더 프로그램에 의해 적용된 피부 표면 BRDF 방향 및 세기측정 결과를 이용하여 피부 표면의 질감을 재현하는 렌더링 영상을 획득(S321)한다.
본 발명에 의한 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 이 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 해당 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 영상기반 자연표식물 지도 작성 방법을 구현한다. 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
이상에서와 같이, 본 발명은 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법 및 그 장치를 제공함으로써, 피부 광학 모델의 사실감을 향상시킬 수 있고, 외피의 반사 모델을 표면 반사와 서브 표면 반사로 구분하여 사실적인 반사 모델을 제공할 수 있으며, 사진 이미지 분석에 의한 외피 표현의 맵 추출 기법은 피부가 아닌 다른 표면의 사실적 표현에도 활용될 수 있다. 또한, 본 발명은 생물체의 외피 쉐더(shader)를 개발하여 애니메이션의 렌더링 품질을 높이고, 디지털 영화 및 게임에 등장하는 생물이나 의인화된 가상 동물 캐릭터를 사실적으로 표현할 수 있다.
지금까지 본 발명에 대하여 그 일부 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 장치에 대한 블록 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 BRDF 측정부에 대한 상세 블록 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법에 대하여 순차적으로 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 방향을 달리하여 물고기의 피부 표면을 촬영하여 물고기 피부 표면의 영상들을 획득한 도면,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 물고기 피부 표면 위치에 따라 반사 모델을 이용하여 서로 다르게 추정시킨 BRDF 영상을 생성한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구면반사거울부 및 백색 종이부를 이용하여 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기를 측정한 도면,
도 7a 내지 도 7g는 BRDF 측정부에 의해 측정된 피부 표면 BRDF 방향 및 세기측정 결과를 도시한 도면,
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마야(maya)의 렌더링 미리보기 영상에서와 같이 쉐더 프로그램에 적용된 도면,
도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌더링 영상을 획득한 결과에 대하여 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 영상 획득부 20 : BRDF 추정부
30 : BRDF 측정부 31 : 구면반사거울부
33 : 백색 종이부 40 : 적용부
50 : 렌더링 영상 획득부
Claims (12)
- 광원의 방향을 달리하면서 촬영하여 피부 표면의 영상을 획득하는 단계와,상기 획득된 피부 표면의 영상에서 피부 표면 위치에 따라 반사 모델을 이용하여 서로 다르게 추정시킨 양방향 반사율 분포함수(BRDF) 영상을 생성하는 단계와,상기 생성된 BRDF 영상에 대하여 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기를 측정하는 단계와,상기 측정된 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기의 결과를 바탕으로 쉐더 프로그램에 적용하여 렌더링 영상을 획득하는 단계를 포함하는 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 측정하는 단계는,상기 생성된 BRDF 영상에 대하여 광원이 비치게 되는 경우 상기 광원의 위치를 이용하여 상기 크리쳐의 상기 피부 표면 BRDF 광원방향을 측정하는 단계와,상기 생성된 BRDF 영상에 대하여 백색 종이의 밝기가 광원의 세기에 비례하고 광원의 기울기에 반비례하는 원리를 이용하여 상기 크리쳐의 상기 피부 표면 BRDF 광원세기를 측정하는 단계를 포함하는 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 광원의 기울기는, 구면반사거울을 이용하여 얻는 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 백색 종이의 밝기로부터 상기 광원의 상대적 밝기 값을 얻는 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 생성된 BRDF 영상은, 피부 표면 부위에 따라 확산(diffuse)된 영상 혹은 이방성(anisotropic) BRDF 영상인 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 쉐더 프로그램은, 마야(maya)의 렌더링 미리보기 영상인 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 방법.
- 광원의 방향을 달리하면서 촬영하여 피부 표면의 영상을 획득하는 영상 획득부와,상기 획득된 피부 표면의 영상에서 피부 표면 위치에 따라 반사 모델을 이용하여 서로 다르게 추정시킨 BRDF 영상을 생성하는 BRDF 추정부와,상기 BRDF 추정부를 통해 생성된 BRDF 영상에 대하여 크리쳐의 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기를 측정하는 BRDF 측정부와,상기 측정된 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기의 결과를 바탕으로 쉐더 프로그램에 적용하는 적용부와,상기 적용된 피부 표면 BRDF 광원방향 및 광원세기의 결과를 이용하여 상기 피부 표면의 질감을 재현하는 렌더링 영상을 획득하는 렌더링 영상 획득부를 포함하는 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 BRDF 측정부는,상기 생성된 BRDF 영상에 대하여 광원이 비치게 되는 경우 상기 광원의 위치 를 이용하여 상기 크리쳐의 상기 피부 표면 BRDF 광원방향을 측정하는 구면반사거울부와,상기 생성된 BRDF 영상에 대하여 백색 종이의 밝기가 광원의 세기에 비례하고 광원의 기울기에 반비례하는 원리를 이용하여 상기 크리쳐의 상기 피부 표면 BRDF 광원세기를 측정하는 백색 종이부를 포함하는 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 광원의 기울기는, 구면반사거울부에 의해 얻어지는 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 백색 종이부는,상기 백색 종이의 밝기로부터 상기 광원의 상대적 밝기 값을 얻는 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 생성된 BRDF 영상은, 피부 표면 부위에 따라 확산된 영상 혹은 이방성 BRDF 영상인 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 쉐더 프로그램은, 마야(maya)의 렌더링 미리보기 영상인 관찰 방향 및 조명을 고려한 피부 질감 렌더링 장치.
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