KR101194364B1 - 외관 재질 디자인 및 제작 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR101194364B1 KR1020110070109A KR20110070109A KR101194364B1 KR 101194364 B1 KR101194364 B1 KR 101194364B1 KR 1020110070109 A KR1020110070109 A KR 1020110070109A KR 20110070109 A KR20110070109 A KR 20110070109A KR 101194364 B1 KR101194364 B1 KR 101194364B1
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Abstract

본 발명에 따른 외관 재질 디자인 방법은, 복수 개의 재질 샘플들 각각에 빛을 조사하여 각 재질 샘플에 대한 양방향 반사분포함수(BRDF)를 측정하는 단계; 상기 각 재질 샘플에 대하여 측정된 BRDF를 기반으로 상기 각 재질 샘플마다 소정의 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 단계; 상기 각 재질 샘플마다의 BRDF 모델의 파라미터 값을 데이터베이스화하는 단계; 및 입력되는 3차원 가상 객체에 대하여 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 이용하여 렌더링을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

외관 재질 디자인 및 제작 방법 및 시스템{Appearance material design and manufacturing method and system}
본 발명은 제품의 외관 재질의 디자인에 관한 것으로, 보다 상세하게는 BRDF 정보를 이용하여 제품의 외관 재질을 디자인하고, 제작하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 제품의 품질과 기능이 비슷해지면서 재질의 외관 디자인이 고객의 제품 선택을 좌우하는 중요한 요소로 부각되고 있다. 제품 외관의 미적인 품질이 제품의 성공 여부에 중요한 요인이 됨에 따라, 설계 초기 단계에서부터 실제 외관 재질을 표현하고 품평할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
설계 초기 단계에서부터 완성된 제품과 같은 외관 재질을 표현하기 위해서는 제품의 형상, 광원을 포함하는 조명정보, 그리고 재질의 반사특성을 고려해야 한다. 이 중 재질의 반사특성이 특정 재질의 외관을 표현하는 데 가장 큰 역할을 하며, 이는 빛과 재질 사이의 반사, 투과, 회절, 간섭, 편광 등에 따라 달라지게 된다. 이러한 광학적 특성은 12차원의 수학식으로 표현할 수 있다. 하지만, 이를 실제로 측정하고 표현하는 것은 매우 어렵기 때문에, 몇 가지 가정을 두어 일반적으로 4 차원 함수인 양방향 반사 분포 함수(Bidirectional reflectance distribution function, 이하 BRDF)를 이용하여 외관 재질을 표현한다. BRDF는 금속, 플라스틱, 페인트 등 산업 제품 외관 재질에 많이 사용되고 있기 때문에, BRDF 기술을 이용해 산업 제품의 외관 재질을 표현하는 연구가 수행되었다.
그러나 제품의 외관 재질을 디자인하는 경우, 여전히 경험이 많은 디자이너에 의해 수행되고 있으며, 이는 개인에 따라 주관적일 수 밖에 없고, 다른 인식을 할 수 있기 때문에, 정확성과 신뢰성을 만족시키지 못한다. 이는 제품 외관 디자인 과정에서 시행착오를 야기 시키고, 많은 시간과 비용을 소요하게 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 측정된 BRDF 정보를 기반으로, 제품의 디자인 초기 단계에서부터 물리적 시제품의 제작 없이, 제품의 외관 재질을 효과적으로 디자인하고, 신뢰성 있게 품평하고, 제품을 제작할 수 있는 외관 재질 디자인 방법 및 시스템과 외관 재질 디자인 및 제작 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 외관 재질 디자인 방법은, 복수 개의 재질 샘플들 각각에 빛을 조사하여 각 재질 샘플에 대한 양방향 반사분포함수(BRDF)를 측정하는 단계; 상기 각 재질 샘플에 대하여 측정된 BRDF를 기반으로 상기 각 재질 샘플마다 소정의 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 단계; 상기 각 재질 샘플마다의 BRDF 모델의 파라미터 값을 데이터베이스화하는 단계; 및 입력되는 3차원 가상 객체에 대하여 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 이용하여 렌더링을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 소정의 BRDF 모델은 이중 로브(two lobes) Cook-Torrance 모델일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 단계는 비선형 데이터 근사화 알고리즘을 이용하여 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 구할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 외관 재질 디자인 방법은 사용자로부터 상기 적어도 하나 이상의 재질 샘플을 선택받는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 상기된 본 발명에 따른 외관 재질 디자인 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 외관 재질 디자인 및 제작 방법은, 복수 개의 재질 샘플들 각각의 구성 파라미터와 물체 샘플에 도색하는 과정의 작업 파라미터를 데이터베이스화하는 단계; 상기 복수 개의 재질 샘플들 각각에 빛을 조사하여 각 재질 샘플에 대한 양방향 반사분포함수(BRDF)를 측정하는 단계; 상기 각 재질 샘플에 대하여 측정된 BRDF를 기반으로 상기 각 재질 샘플마다 소정의 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 단계; 상기 각 재질 샘플마다의 BRDF 모델의 파라미터 값을 데이터베이스화하는 단계; 입력되는 3차원 가상 객체에 대하여 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 이용하여 렌더링을 수행하여 디스플레이하는 단계; 및 상기 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 구성 파라미터와 상기 작업 파라미터를 이용하여 제품을 도색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 외관 재질 디자인 및 제작 방법은, 상기 렌더링을 수행하여 디스플레이하는 단계 이후에, 상기 디스플레이된 결과를 평가하는 단계; 및 상기 평가 결과 적합한 것으로 판단되면 상기 3차원 가상 객체에 해당하는 3차원 객체를 제작하는 단계를 더 포함하고, 상기 제품을 도색하는 단계는 상기 제작된 3차원 객체를 도색할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구성 파라미터는 해당 재질 샘플의 각 층의 구성 성분의 유형과 비율 정보를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 작업 파라미터는 재질 샘플의 각 층에 대한 스프레이 건의 정보와 시간 정보, 건조 정보를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 외관 재질 디자인 시스템은, 복수 개의 재질 샘플들 각각에 빛을 조사하여 각 재질 샘플에 대한 양방향 반사분포함수(BRDF)를 측정하는 BRDF 측정 장치; 상기 각 재질 샘플에 대하여 측정된 BRDF를 기반으로 상기 각 재질 샘플마다 소정의 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 BRDF 모델링부; 상기 각 재질 샘플마다 구해진 BRDF 모델의 파라미터 값을 저장하는 BRDF 데이터베이스; 및 입력되는 3차원 가상 객체에 대하여 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 이용하여 렌더링을 수행하는 렌더링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 외관 재질 디자인 및 제작 시스템은, 복수 개의 재질 샘플들 각각의 구성 파라미터와 물체 샘플에 도색하는 과정의 작업 파라미터를 저장하는 제작파라미터 데이터베이스; 상기 복수 개의 재질 샘플들 각각에 빛을 조사하여 각 재질 샘플에 대한 양방향 반사분포함수(BRDF)를 측정하는 BRDF 측정 장치; 상기 각 재질 샘플에 대하여 측정된 BRDF를 기반으로 상기 각 재질 샘플마다 소정의 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 BRDF 모델링부; 상기 각 재질 샘플마다 구해진 BRDF 모델의 파라미터 값을 저장하는 BRDF 데이터베이스; 입력되는 3차원 가상 객체에 대하여 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 이용하여 렌더링을 수행하여 디스플레이하는 렌더링부; 및 상기 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 구성 파라미터와 상기 작업 파라미터를 이용하여 제품을 도색하는 제작 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기된 본 발명에 의하면, 측정된 BRDF 정보를 기반으로, 제품의 디자인 초기 단계에서부터 물리적 시제품의 제작 없이, 제품의 외관 재질을 효과적으로 디자인하고, 신뢰성 있게 품평하고, 제품을 제작할 수 있는 외관 재질 디자인 방법 및 시스템과 외관 재질 디자인 및 제작 방법 및 시스템을 제공한다.
도 1은 같은 색상이나 반사도 분포가 다른 두 재질을 나타낸다.
도 2는 3차원 BRDF 반사도의 기하학적 구조를 나타낸다.
도 3은 기존의 전통적인 제품 외관 재질 디자인 과정의 흐름도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외관 재질 디자인 및 제작 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 5는 재질 샘플의 예를 나타낸다.
도 6은 페인트 코팅의 일반적인 층 구성으로서 삼층 구조를 나타낸다.
도 7은 세 가지 페인트 코팅 샘플의 구성 파라미터를 나타내는 테이블이다.
도 8은 작업 파라미터의 예를 나타내는 테이블이다.
도 9는 이미지 기반 BRDF 측정 장치를 나타낸다.
도 10은 측정된 BRDF 데이터로부터 얻어진 이중 로브 Cook-Torrance 모델의 파라미터 값을 나타낸다.
도 11은 환경맵으로부터 반사를 계산하는 반사 함수를 보여주는 의사 코드(pseudo-code)를 나타낸다.
도 12는 CgFX 쉐이더를 이용해 생성한 상호적인 실시간 렌더링 시스템의 인터페이스를 나타낸다.
도 13은 각 재질 샘플의 이중 로브 Cook-Torrance 모델의 파라미터 값을 이용하여 자동차를 렌더링한 결과를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 외관 재질 디자인 및 제작 시스템의 구성을 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
우선, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 양반향 반사분포함수(BRDF)에 관하여 소개한다.
도 1은 같은 색상이나 반사도 분포가 다른 두 재질을 나타낸다. 도 1의 두 그림은 같은 색상을 보이지만, 각 재질의 반사도 분포가 달라 외관이 다르게 보이는 실버 메탈릭 페인트의 예이다. 왼쪽 그림은 빛이 없는 무광 재질이고, 오른쪽 그림은 빛을 내는 유광 재질이다. 이처럼 재질의 외관 특성을 파악하기 위해서는 색상뿐만 아니라, 각도에 따른 빛 반사도 분포에 관한 정보를 고려해야 한다. 기존 CAD 및 산업 디자인 분야의 외관 재질에 관한 연구들은 빛 반사도를 고려하지 않고, 색상만을 고려하여 외관 재질을 모델링 및 표현하였다. 하지만, 같은 색상을 갖더라도 여러 종류의 BRDF 분포를 가질 수 있기 때문에, 색상만을 가지고 제품의 외관을 평가하고 디자인 하는 것은 정확도 면에서 문제를 발생시킨다.
실감재질을 나타내는 재질의 반사도는 이론적으로는 빛 입자의 재질표면 상의 위치 (x, y), 빛의 방향 (θ, Φ), 파장 (λ),시간 (t)을 입사 때와 반사 때에 따라 각각 여섯 개의 파라미터로 표현할 수 있으며, 이는 Eq. (1) 에서 보는 것처럼 12차원 함수로 표현할 수 있다.
Figure 112011054316140-pat00001
수학적으로 정의된 12차원의 함수는 측정, 모델링 및 렌더링에 있어 매우 복잡하다. 이를 위해 재질표면 상의 위치 (x, y), 파장 (λ)및 시간 (t)가 빛의 재질 표면에서 입사할 때와 반사할 때가 같다는 가정을 통하여 12 차원의 함수를 4 차원 함수로 간략화 할 수 있다. 가공된 금속과 같은 방향성이 있는 불투명한 재질은 이방성(anisotropic) BRDF로 표현할 수 있으며, 이는 Eq. (2) 와 같이 4차원의 함수fr(θin,Φin,θout,Φout)로 표현할 수 있다.
Figure 112011054316140-pat00002
위 식에서 Iin은 복사조도(irradiance)로서 단위면적당 입사 복사속(radiant flux)이고, Lout은 복사휘도(reflected radiance)로서 단위 입체각(solid angle) 당 단위 면적당 반사 복사속(reflected flux)를 의미한다. 다시 말해, 한 점에서의 BRDF는 입사하는 빛의 양과 반사하는 빛의 양의 비를 나타낸다.
본 발명에서는 재질이 일반적으로 법선 벡터를 기준으로 반사도가 특정 방향성을 가지지 않는 등방성(isotropic) 재질로 가정한다. 따라서 BRDF는 Eq. (3) 과 같은 3차원 함수 fr(θin,θout,Φdiff)로 표현할 수 있다. 도 2는 3차원 BRDF 반사도의 기하학적 구조를 나타낸다.
Figure 112011054316140-pat00003
다음으로, 역시 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 기존의 전통적인 제품 외관 재질 디자인 과정을 설명한다.
도 3은 기존의 전통적인 제품 외관 재질 디자인 과정의 흐름도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 외관 디자인을 결정하기 위해서 3차원 CAD 모델을 생성하고 이로부터 실제적인 3차원 형상의 물체를 제작한다. 그 후 물체의 외관에 원하는 색상의 페인트를 도색하고, 외관 디자이너 또는 사용자에 의해 그 물체의 외관 디자인에 대한 평가를 한다. 평가 결과 적합하지 않다고 판단되면, 다시 3차원 물체의 형상을 제작하고 외관 디자인이 적합하다고 평가될 때까지 반복한다. 평가 결과 적합하다고 판단되면 비로소 시제품이 완성된다.
이처럼 전통적인 외관 재질 디자인 과정은 하나의 외관 디자인을 만들기 위해 외관 디자인이 결정될 때까지 매번 3차원 형상의 물체를 제작하고, 외관 품평을 위해 매번 도장을 해야 하기 때문에 시간과 비용이 많이 소요된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외관 재질 디자인 및 제작 방법의 흐름도를 나타낸다. 본 실시예에 따른 외관 재질 디자인 및 제작 방법은 도시된 바와 같이 크게는 외관 재질 디자인 과정과 제품 제작 과정으로 이루어진다.
우선, 410단계에서 복수 개의 재질 샘플을 물체 샘플에 도색한다. 재질 샘플은 등방성 재질일 수 있으며, 물체 샘플은 원형일 수 있다. 도 5는 재질 샘플의 예로서 네 가지 재질 샘플을 나타낸다. 도 5의 (a), (b), (c), (d)는 각각 black paint, blue paint, green paint, silver metalic paint를 나타낸다. 물론 재질 샘플은 이보다 매우 다양할 수 있다.
다음으로, 420단계에서 각 재질 샘플의 구성(composition) 파라미터와 작업(operation) 파라미터를 데이터베이스화한다.
재질, 예컨대 페인트 코팅은 기계/화학적 특성 또는 심미적 목적에 따라 다양하게 층(layer) 구성이 이루어져 있을 수 있다. 이러한 층 구성의 성분에 관한 정보가 재질 샘플의 구성 파라미터가 된다. 도 6은 페인트 코팅의 일반적인 층 구성으로서 삼층 구조를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 페인트 코팅은 투명층(clearcoat layer), 기본층(basecoat layer), 그리고 밑칠층(primer layer)로 구성된다.
도 7은 세 가지 페인트 코팅 샘플의 구성 파라미터를 나타내는 테이블이다. 구성 파라미터는 도시된 바와 같이, 페인트 코팅 별로 각 층(투명층, 기본층, 밑칠층)의 구성 성분의 유형(type)과 비율(ratio) 정보를 포함한다.
420단계에서는 이러한 각 재질 샘플의 구성 파라미터를 데이터베이스화하여 저장한다. 이와 같이 데이터베이스화된 구성 파라미터 정보는 나중에 실제 제품을 도색하는 과정에서 활용된다.
위와 같은 구성 파라미터 이외에도 재질을 도색하는 과정의 작업 관련 정보인 작업 파라미터가 재질 외관 및 특성에 영향을 미친다. 따라서 이러한 작업 파라미터 역시 저장해 둘 필요가 있다. 420단계에서는 각 재질 샘플의 구성 파라미터와 함께 재질 샘플을 물체 샘플에 도색하는 과정의 작업 파라미터를 데이터베이스화한다.
도 8은 이러한 작업 파라미터의 예를 나타내는 테이블이다. 작업 파라미터는 도시된 바와 같이, 각 층(투명층, 기본층, 밑칠층)에 대한 스프레이 건(spray gun)의 유형(type), 노즐(nozzle), 압력(pressure) 등의 정보와 Flash-off, Setting의 시간(Time) 정보, 그리고 건조(Dry)의 유형(type), 온도(Temp), 시간(time)에 관한 정보를 포함한다. 이와 같이 데이터베이스화된 작업 파라미터 정보 역시 나중에 실제 제품을 도색하는 과정에서 활용된다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 410단계 이후에 415단계에서 각 재질 샘플에 대한 BRDF를 측정한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 도 9에 도시된 바와 같은 구성의 이미지 기반 BRDF 측정 장치를 이용하여 재질 샘플의 BRDF를 획득한다. BRDF 측정 장치는 본 발명의 출원인의 특허출원 10-2009-0068011호에 개시된 바 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다. 이 장치는 최근 활발히 연구되고 있는 HDR 이미징 기술과 다중 분광 이미징 기술을 접목한 다중 분광 HDR 이미징 모듈을 이용하였다. 이를 위해 한번에 넓은 밝기 영역을 측정할 수 있는 HDR 카메라를 사용하며, 가시광선 파장 영역대에서 전자적으로 파장 영역대를 변환할 수 있는 액상형 가변 필터(liquid crystal tunable filter, LCTF)를 이용하여 다중 분광 이미지를 획득한다.
다시 도 4를 참조하면, BRDF의 측정 후에, 측정된 BRDF를 기반으로 425단계에서 각 재질 샘플마다 소정의 BRDF 모델의 파라미터 값을 구한다.
BRDF 모델로는 Phong 모델(B. T. Phong, B. T., "Illumination for computer generated pictures". Communications of ACM Vol. 18, No. 6, pp. 311-317, 1975), Blinn 모델(Blinn, J. F., "Models of light reflection for computer synthesized pictures". In ACM SIGGRAPH Comput. Graph. Vol. 11, No. 2, pp. 192-198, 1977), Cook-Torrance 모델(Cook, R. L., and Torrance, K. E., "A reflectance model for computer graphics". ACM Transactions on Graphics Vol. 1, No. 1, pp. 7-24, 1982) 등이 있다. 이 중 Cook-Torrance 모델의 적용이 정확도가 높은 것이 확인되었다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 측정된 BRDF 데이터를 이중 로브(two lobes)의 Cook-Torrance 모델로 파라미터를 최적화한다. 다만, 본 발명에서 Cook-Torrance 모델 이외의 다른 BRDF 모델을 이용할 수 있음은 물론이다.
Cook-Torrance 모델은 재질의 표면은 부드럽고 미세한 조각으로 구성되어 있다고 가정한다. 즉, 미세표면 모델(micro-facet model)로 가정한다. 따라서, 이 모델은 미세 표면에 의해 발생되는 그림자 효과(shadowing effect) 및 가림 효과 (masking effect)를 고려하며, 프레넬 효과(Fresnel effect)까지도 고려한다. Cook-Torrance 모델은 Eq. (4)에서 보는 것처럼 확산 부분(diffuse)과 정반사 부분(specular)로 구성되어 있으며, 정반사 부분은 다시 Beckmann 분포를 이용하는 분포항 D, 입사각에 따른 반사율의 변화를 표현할 수 있는 프레넬 항 F, 그리고 미세 표면 모델에서 발생하는 그림자 등에 의한 음영효과를 표현하는 기하 감쇄항(geometric attenuation term) G로 구성된다. 본 발명의 실시예에서는 계산의 용이함을 위해 프레넬 항 계산은 Schlick 근사 함수를 사용한다.
Figure 112011054316140-pat00004
위 식에서 kd 는 확산반사 계수, ks는 정반사 계수, N은 표면 점의 법선 벡터, L은 광원 방향 벡터, V는 시점 방향 벡터, H는 V 와 L 의 중간 벡터(half vector), mi은 Beckmann 분포 계수, fi는 수직 입사각에 대한 프레넬 계수이다.
본 발명의 실시예에서, 비선형 데이터 근사화 알고리즘(Marquartdt-Levenberg)을 이용하여 측정 BRDF 데이터와 BRDF 모델의 차이를 최소화하여 주어진 BRDF 모델의 최적 파라미터 값을 선정한다. 최적화의 목표는 Eq. (5)와 같이, 측정된 BRDF(Mmeasured data)와 BRDF 모델(fr) 간의 RMSE(root mean square error)를 최소화하는 것이다.
Figure 112011054316140-pat00005
도 10은 이러한 비선형 최적화 기법을 사용하여, 측정된 BRDF 데이터와 이중 로브 Cook-Torrance 모델과의 근사화를 통하여 추출된 파라미터 값을 나타낸다. 도 10은 네 가지 재질 샘플, 즉 black paint, blue paint, green paint, silver metalic paint 별로 구해진 파라미터 값을 보여준다.
다시 도 4를 참조하면, 435단계에서, 각 재질 샘플마다 구해진 BRDF 모델의 파라미터 값을 데이터베이스화한다. 이렇게 데이터베이스화된 재질 샘플마다의 파라미터 값은 뒤에서 렌더링하는 과정에서 사용된다.
다음으로, 445단계에서, 원하는 제품의 3차원 가상 객체를 입력받는다. 3차원 가상 객체는 예를 들어 3차원 CAD 모델일 수 있다. 또한, 사용자는 데이터베이스화된 재질 샘플들 중에서 3차원 가상 객체의 원하는 영역에 도색할 적어도 하나 이상의 재질 샘플을 선택한다.
455단계에서, 입력된 3차원 가상 객체에 대하여, 데이터베이스에 저장된 위에서 선택된 적어도 하나 이상의 재질 샘플의 BRDF 모델의 파라미터 값을 이용하여 렌더링을 수행하고, 그 결과를 화면을 통하여 디스플레이한다. 한편, 상기 445단계에서 환경 정보(예컨대, 도시, 산, 해안가, 빌딩)를 더욱 입력받고, 455단계에서는 입력된 환경 정보를 바탕으로 렌더링을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 상호적인 실시간 렌더링을 위해 독일 RTT AG 사의 델타젠(DeltaGen) 9.0을 이용하여, 고품질의 이미지를 실시간으로 가시화한다. 이를 위해 측정한 재질 샘플의 BRDF 데이터와 이중 로브 Cook-Torrance 모델의 파라미터 값을 이용하고, 실시간으로 시각화할 수 있는 CgFX 언어 기반의 불투명 재질 전용 쉐이더(shader)를 이용한다. CgFX 쉐이더는 파라미터 구조체, 이중 로브 Cook-Torrance 모델, 환경맵의 반사 함수, 정점(vertex) 및 단편(Fragment) 쉐이더로 구성된다. 도 11은 환경맵으로부터 반사를 계산하는 반사 함수를 보여주는 의사 코드(pseudo-code)를 나타낸다. 반사 벡터(R)는 입사 광원(In)과 정규화된 법선(Nn)의 계산 값이며, 'texCube'함수에 의해 반사벡터(R)와 환경맵(envMap)에 의해 값이 결정된다.
도 12는 CgFX 쉐이더를 이용해 생성한 상호적인 실시간 렌더링 시스템의 인터페이스를 나타낸다. 도 12는 이중 로브 Cook-Torrance 모델을 기반으로 추출된 녹색 페인트의 파라미터를 이용하여 자동차 외관을 표현하였을 때의 렌더링 결과를 보여준다. 사용된 3D CAD 모델은 BMW MINI Cooper 이며, 이 중 외관 프레임만 녹색 페인트를 이용하여 렌더링한 결과를 나타낸다.
도 13은 각 재질 샘플의 이중 로브 Cook-Torrance 모델의 파라미터 값을 이용하여 자동차를 렌더링한 결과를 나타낸다. 각 그림은 검정색 페인트(a), 파란 페인트(b), 녹색 페인트(c), 그리고 실버 메탈릭 페인트(d)를 적용하였을 때 차량 외관을 보여준다.
다시 도 4를 참조하면, 465단계에서 디자이너 또는 사용자는 디스플레이된 렌더링 결과를 보고 평가를 수행한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 실제 재질 샘플로부터 획득한 BRDF를 이용하여 렌더링 결과를 얻기 때문에 디지털 환경에서도 신뢰성을 가지고 제품의 외관 재질을 평가할 수 있는 장점을 가진다.
평가 결과, 선택된 재질이 적합하지 않은 것으로 평가되면 다시 445단계로 돌아가서 다른 재질을 선택하고 455단계와 465단계를 반복한다. 필요에 따라서는 410단계로도 돌아가서 새로운 재질 샘플을 가지고 410단계와 420단계를 반복하여 수행할 수도 있다.
평가 결과, 선택된 재질이 적합한 것으로 평가되면 470단계로 진행하여 3차원 가상 객체에 해당하는 실제 3차원 객체를 제품으로서 제작한다.
그리고 480단계에서는, 420단계에서 데이터베이스화된 재질 샘플의 구성 파라미터와 작업 파라미터를 이용하여 제품을 도색한다. 415단계에서 측정된 재질 샘플의 BRDF는 420단계에서 데이터베이스화된 재질 샘플의 구성 파라미터와 작업 파라미터를 기반으로 한다. 따라서, 가상 객체의 렌더링 결과와 실제 도색 결과는 그 차이가 최소화된다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 외관 재질 디자인 및 제작 시스템의 구성을 나타낸다. 본 실시예에 따른 외관 재질 디자인 및 제작 시스템은, 크게는 외관 재질 디자인 시스템(500)과 제품 제작 시스템(600)으로 구분된다. 외관 재질 디자인 시스템(500)은 BRDF 측정 장치(510), BRDF 모델링부(520), BRDF 데이터베이스(530), 렌더링부(540)로 이루어진다. 그리고 제품 제작 시스템(600)은 샘플 제작부(610), 제작파라미터 데이터베이스(620), 제작 장치(630)로 이루어진다.
샘플 제작부(610)는 복수 개의 재질 샘플을 각 물체 샘플에 도색한다. 샘플 제작부(610)의 동작은 도 4의 410단계에 관련된 설명과 동일한 바, 구체적인 설명은 생략한다.
제작파라미터 데이터베이스(620)는 샘플 제작부(610)에서 처리되는 복수 개의 재질 샘플들 각각의 구성 파라미터와 물체 샘플에 도색하는 과정의 작업 파라미터를 저장하는 데이터베이스이다. 제작파라미터 데이터베이스(620)에 저장되는 구성 파라미터와 작업 파라미터는 도 4의 420단계에 관련된 설명과 동일한 바, 구체적인 설명은 생략한다.
BRDF 측정 장치(510)는 샘플 제작부(610)에서 처리된 복수 개의 재질 샘플들 각각에 빛을 조사하여 각 재질 샘플에 대한 BRDF를 측정한다. BRDF 측정 장치(510)의 동작은 도 4의 415단계에 관련된 설명과 동일한 바, 구체적인 설명은 생략한다.
BRDF 모델링부(520)는 BRDF 측정 장치(510)에서 각 재질 샘플에 대하여 측정된 BRDF를 기반으로 각 재질 샘플마다 소정의 BRDF 모델의 파라미터 값을 구한다. BRDF 모델링부(520)의 동작은 도 4의 425단계에 관련된 설명과 동일한 바, 구체적인 설명은 생략한다.
BRDF 데이터베이스(530)는 BRDF 모델링부(520)에서 각 재질 샘플마다 구해진 BRDF 모델의 파라미터 값을 저장한다. BRDF 데이터베이스(530)에 저장되는 파라미터 값은 도 4의 425, 435단계에 관련된 설명과 동일한 바, 구체적인 설명은 생략한다.
렌더링부(540)는 제품의 3차원 가상 객체를 입력받고 사용자로부터 BRDF 데이터베이스(530)에 데이터베이스화된 재질 샘플들 중에서 적어도 하나 이상의 재질 샘플을 선택받아서, 입력된 3차원 가상 객체에 대하여 선택된 해당 재질 샘플의 BRDF 모델의 파라미터 값을 이용하여 렌더링을 수행하고, 그 결과를 화면을 통하여 디스플레이한다. 렌더링부(540)의 동작은 도 4의 445, 455단계에 관련된 설명과 동일한 바, 구체적인 설명은 생략한다.
디자이너 또는 사용자가 디스플레이된 렌더링 결과를 보고 평가를 수행하여, 평가 결과 선택된 재질이 적합한 것으로 평가되면, 제작 장치(630)는 3차원 가상 객체에 해당하는 실제 3차원 객체를 제품으로서 제작하고, 제작파라미터 데이터베이스(620)에 데이터베이스화된 해당 재질 샘플의 구성 파라미터와 작업 파라미터를 이용하여 제품을 도색한다. 제작 장치(630)의 동작은 도 4의 470, 480단계에 관련된 설명과 동일한 바, 구체적인 설명은 생략한다.
상술한 본 발명의 실시예에 따르면 도 3의 전통적인 제품 외관 재질 디자인 방법과 비교하여 다음과 같은 장점이 있다. 첫째로, 효율적이다. 즉, BRDF 데이터베이스를 통해 적은 비용으로 초기 단계부터 제품의 외관 디자인을 할 수 있다. 둘째, 광원을 포함한 환경이 변하여도 정확하게 재질의 외관을 예측할 수 있기 때문에 평가시 정확성을 기할 수 있다. BRDF 측정 장치는 파장별로 BRDF 정보를 획득하기 때문에 정확한 BRDF의 획득이 가능하여 이를 이용한 표현도 정확성을 기할 수 있다. 셋째, 측정한 특정 재질의 BRDF 정보를 이용하여 설계 초기 단계에서 지리적 위치와 상관없이 외관 재질 디자이너 및 사용자들로 하여금 평가를 수행하도록 할 수가 있다. 다시 말해 설계 초기 단계에서부터 디자이너 및 사용자 간에 의사소통을 효율적으로 수행할 수 있기 때문에 설계 초기 단계에서부터 충분한 외관 품평에 관한 의견을 수렴할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 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.

Claims (23)

  1. 삭제
  2. 삭제
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  6. 복수 개의 재질 샘플들 각각의 구성 파라미터와 물체 샘플에 도색하는 과정의 작업 파라미터를 데이터베이스화하는 단계;
    상기 복수 개의 재질 샘플들 각각에 빛을 조사하여 각 재질 샘플에 대한 양방향 반사분포함수(BRDF)를 측정하는 단계;
    상기 각 재질 샘플에 대하여 측정된 BRDF를 기반으로 상기 각 재질 샘플마다 소정의 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 단계;
    상기 각 재질 샘플마다의 BRDF 모델의 파라미터 값을 데이터베이스화하는 단계;
    입력되는 3차원 가상 객체에 대하여 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 이용하여 렌더링을 수행하여 디스플레이하는 단계; 및
    상기 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 구성 파라미터와 상기 작업 파라미터를 이용하여 제품을 도색하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소정의 BRDF 모델은 이중 로브(two lobes) Cook-Torrance 모델인 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 단계는 비선형 데이터 근사화 알고리즘을 이용하여 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    사용자로부터 상기 적어도 하나 이상의 재질 샘플을 선택받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 방법.
  10. 삭제
  11. 제6항에 있어서,
    상기 구성 파라미터는 해당 재질 샘플의 각 층의 구성 성분의 유형과 비율 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 작업 파라미터는 재질 샘플의 각 층에 대한 스프레이 건의 정보와 시간 정보, 건조 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 복수 개의 재질 샘플들 각각의 구성 파라미터와 물체 샘플에 도색하는 과정의 작업 파라미터를 저장하는 제작파라미터 데이터베이스;
    상기 복수 개의 재질 샘플들 각각에 빛을 조사하여 각 재질 샘플에 대한 양방향 반사분포함수(BRDF)를 측정하는 BRDF 측정 장치;
    상기 각 재질 샘플에 대하여 측정된 BRDF를 기반으로 상기 각 재질 샘플마다 소정의 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 BRDF 모델링부;
    상기 각 재질 샘플마다 구해진 BRDF 모델의 파라미터 값을 저장하는 BRDF 데이터베이스;
    입력되는 3차원 가상 객체에 대하여 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 이용하여 렌더링을 수행하여 디스플레이하는 렌더링부; 및
    상기 적어도 하나 이상의 재질 샘플에 대한 상기 구성 파라미터와 상기 작업 파라미터를 이용하여 제품을 도색하는 제작 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 소정의 BRDF 모델은 이중 로브(two lobes) Cook-Torrance 모델인 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 BRDF 모델링부는 비선형 데이터 근사화 알고리즘을 이용하여 상기 BRDF 모델의 파라미터 값을 구하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 시스템.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 렌더링부는 사용자로부터 상기 적어도 하나 이상의 재질 샘플을 선택받아 상기 렌더링을 수행하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 시스템.
  21. 삭제
  22. 제17항에 있어서,
    상기 구성 파라미터는 해당 재질 샘플의 각 층의 구성 성분의 유형과 비율 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 시스템.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 작업 파라미터는 재질 샘플의 각 층에 대한 스프레이 건의 정보와 시간 정보, 건조 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 외관 재질 디자인 및 제작 시스템.
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