KR101284794B1 - 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 컴퓨터 그래픽스에서 가상 섬유재질을 직조형태에 따라 다양한 수학적 양방향 반사분포 모델을 적용하여 사실적인 섬유재질을 렌더링 할 수 있도록 하는 것이다. 본 발명에 따르면, 기존 섬유 또는 옷감의 미세구조에 대한 상세한 기하 모델링을 필요하지 않으므로 복잡한 모델링 비용과 렌더링 시간을 단축할 수 있으며, 시점이 섬유객체에서 근접한 위치에 멀어져 실제 직조형태가 시각적으로 상세하게 감지되지 않는 상태에서 섬유재질의 질감을 표현하는데 효과적이다.

Description

직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법{Apparatus and method for fabric objects rendering}

본 발명은 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 섬유재질이나 의류표면을 3D 영상으로 렌더링하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 사실적인 섬유재질 표현을 위해 섬유의 직조형태에 따라 다양한 수학적 양방향 반사 분포 함수(BRDF; Bi-directional Reflectance Distribution Function)를 적용함으로써, 가상의 섬유재질 콘텐츠가 더욱 사실적으로 표현할 수 있는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명은 문화체육관광부의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-045-04, 과제명: 기능 확장형 초고속 렌더러 개발].

일반적으로, 3차원 그래픽 데이터는 3차원 공간상에 위치하는 물체들의 기하학적 정보, 물체들의 재질 정보, 광원의 위치와 특성에 관한 정보, 시간에 따른 이러한 정보들의 변화 정보 등을 포함한다. 물체들의 기하학적 정보에는 물체를 구 성하는 3차원 정점들의 위치, 이 정점들의 연결 정보 등이 있고, 물체들의 재질 정보에는 색깔, 표면의 빛 반사도 등이 있다. 이러한 정보들은 사용자가 용이하게 3차원 그래픽 데이터를 생성, 수정할 수 있도록 직관적 또는 논리적으로 이해하기 쉬운 구조로 표현되는데, 통상적으로 이를 장면 그래프(scene graph)라고 하며, 비순환(acyclic) 트리 구조로 되어 있다. 장면그래프는 물체의 기하학적 정보나 재질 정보 등을 포함하는 노드와 이들을 수직적으로 연결하여 계층화를 이루는 연결 정보로 구성된다. 즉, 노드는 장면 그래프의 기초적인 구성요소이다.

이러한 노드의 구체적인 특성을 정의하는 부분이 필드이다. 최근엔 3차원 그래픽 데이터를 렌더링하는 프로세서의 성능이 좋아짐에 따라, 자연물을 좀더 고화질로 현실감 있게 표현해주고 싶어하는 요구가 증가하고 있다. 그러나, 천과 같은 직물 조직의 움직임을 표현할 때는 직물 조직이 가지고 있는 내부의 고유 특성과 실제 자연현상에서 일어나는 중력, 바람, 가속도, 공기 저항 등 외부에서 가해지는 물리적인 힘을 고려해야 한다. 또한, 직물 조직이 다른 외부물체와 충돌하였을 경우 어떤 영향을 받아서 어떻게 움직이는지도 고려해야 한다.

이러한 방법은 서로 각자의 포맷으로 만들어져 있어 범용적으로 3차원 그래픽 모델을 렌더링하고 애니메이션화 하는 것이 불가능했다. 또한, 사용자가 복잡한 물리적 특성을 고려하여 제작을 해야 하므로 저작이 어렵고, 서로 각자의 포맷으로 만들어져 있기 때문에 다른 렌더링이나 저작도구와는 호환되지 않는다.

기존의 천으로 이루어진 섬유객체 또는 의류객체의 움직임을 생성하고 그 결과를 3차원 영상으로 생산해 내는 작업은 많은 분야에서 활발히 이루어져 왔다. 그 러나, 이러한 방법들은 섬유재질을 가까이에서 관찰한 결과를 렌더링하는 데에 중심을 두었다. 또한, 실세계 섬유재질들을 특수한 측정장비 등을 통해 들어오는 빛의 각도와 빛을 받아들이는 시야각에 대해 텍스처를 저장하는 양방향 텍스처 함수(BTF; Bi-directional Texture Function)를 이용하는 기술로서 방대한 저장공간이 필요하다는 단점이 있으며, 실제 렌더링에 활용하기 위해서는 많은 압축과 손실이 발생한다는 단점이 있다.

현재의 시뮬레이션 기술은 매우 사실적인 옷감을 실시간 환경에서도 생성할 수 있는 수준에 도달하였지만 섬유재질과 옷감의 표면 반사 모델에 대해서는 아직도 만족스러운 수준이 아니다.

기존의 실시간 렌더링을 위한 그래픽 라이브러리(OpenGL, DirectX) 그로우(Gouraud) 쉐이딩 기법은 섬유객체의 재질을 사실적으로 표현하기 어렵다는 문제가 있다. 다른 하나의 방법으로는 그래픽처리장치(GPU)를 통해 퐁(Phong) 모델 등의 수학적인 반사모델을 적용할 수 있지만, 이 또한, 사실적인 느낌의 섬유재질을 표현하기가 어려운 문제가 있다.

이러한 한계를 극복하고자, 기존의 3차원 모델링 소프트웨어(예; Maya, 3DMax) 또는 의상 디자인 전용 소프트웨어(예; OptiTeX)를 사용하여 디자이너의 수작업에 의존하여 섬유재질을 모델링하거나 렌더링 작업을 수행하고 있다. 그러나, 이와 같은 작업은 숙련된 전문가에 의해 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 많은 시간이 소요됨에도 불구하고, 실제 사실적인 섬유객체의 재질을 표현하는 데 있어서는 여전히 한계가 있다.

본 발명은 사용자가 요구하는 검색 조건에 상응하는 섬유 객체를 사실적으로 표현할 수 있는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 측정장비를 통한 직물의 방대한 데이터 크기로 인한 문제점을 개선하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 섬유 재질 특유의 질감을 생성할 수 있는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 컴퓨터그래픽스의 세부지식을 가지지 않은 디자이너에게 사용하기 적합한 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 옷감의 직조에 의해 발생하는 표면의 틈새(gap)와 실에 의한 그림자 등을 고려한 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치는, 섬유객체의 직조형태와 표면 재질의 속성 정보를 입력받는 입력부, 상기 섬유객체의 직조형태, 재질 속성 및 수학적 양방향 반사 분포함수(BRDF) 간의 연관관계에 대한 정보를 저장한 데이터베이스, 상기 입력부를 통해 입력된 검색 조건 정보를 바탕으로 상기 데이터베이스에 저장된 규칙 데이터를 검색하여 섬유재질에 대한 렌더링을 수행하는 제어부, 및 상기 제어부의 제어신호에 따라 렌더링 된 가상의 섬유객체를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 데이터베이스는, 직조형태 DB, 재질속성 DB, 및 직조형태와 재질속성에 따른 수학적 양방향 반사 분포함수의 연관관계에 대한 표현 규칙 DB 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 상기 표현 규칙 DB로부터 수학적 양방향 반사 분포함수 모델 및 적용 파라미터를 추출하여, 상기 섬유재질에 대한 렌더링 수행 시 적용하는 것을 특징으로 한다.

상기 렌더링은, 비등방성 미세표면 모델에 의한 반사와 램버트(Lambertian) 반사 모델을 결합한 것을 특징으로 한다.

상기 검색 조건 정보는, 상기 섬유객체의 직조방향, 직조순서, 레이어별 섬유객체의 재질속성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 방법은, 사용자로부터 섬유재질을 렌더링하기 위한 검색 조건 정보를 입력받는 단계, 구축된 규칙 데이터베이스를 이용하여, 상기 사용자로부터 입력된 검색 조건에 대응하여 섬유객체의 직조형태와 표면 재질의 속성에 따른 규칙을 검색하는 단계, 검색된 규칙데이터를 이용하여 섬유재질에 대한 렌더링을 수행하는 단계, 및 최종 렌더링 된 가상의 섬유객체 이미지를 결과로 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 입력받는 단계 이전에, 상기 섬유객체의 종류에 따른 직조 형태 및 표면 재질 속성에 대한 분류 데이터베이스를 구축하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 입력받는 단계 이전에, 상기 섬유객체의 직조형태와 재질속성에 따른 수학적 양방향 반사 분포함수(BRDF)의 연관관계를 통해 규칙 데이터베이스를 구축하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 렌더링하는 단계 이전에, 상기 규칙 데이터베이스로부터 수학적 양방향 반사 분포함수 모델 및 적용 파라미터를 추출하는 단계를 더 포함하며, 상기 렌더링하는 단계는, 상기 수학적 양방향 반사 분포함수 모델을 적용하여 해당 섬유재질을 렌더링하는 것을 특징으로 한다.

상기 렌더링은, 비등방성 미세표면 모델에 의한 반사와 램버트(Lambertian) 반사 모델을 결합한 것을 특징으로 한다.

상기 검색 조건 정보는, 상기 섬유객체에 대한 직조방향, 직조순서, 레이어별 섬유객체의 재질속성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 방법은, 사용자가 원하는 섬유재질의 종류에 따른 직조 형태 및 표면 재질 속성에 대하여 데이터베이스에 저장된 상응하는 양방향 반사 분포함수(Bi- directional Reflectance Distribution function: BRDF)를 적용하여 3차원 영상으로 렌더링하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 섬유객체의 직조 패턴이 만들어내는 변화하는 이등방성을 미세표면 모델로 구현할 수 있다.

둘째, 옷감의 직조에 의해 발생하는 표면의 틈새(gap)와 실에 의한 그림자 등을 고려한 렌더링 모델을 제공할 수 있다.

셋째, 섬유재질에 대한 기하 모델링 및 대용량의 양방향 직물 함수를 사용하지 않아도 된다.

넷째, 렌더링 시간을 절약할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 섬유 재질 렌더링 방법에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 직조형태 따른 섬유재질 렌더링 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

도 1을 참조하여 본 발명에 따른 직조형태 따른 섬유재질 렌더링 장치의 구성을 살펴보면, 디자이너로 원하는 섬유객체의 직조형태와 표면 재질의 속성 정보를 입력받는 키보드 및 마우스 등의 입력부(10)와, 직조형태 DB(31), 재질 속성 DB(32) 및 수학적 BRDF 간의 연관관계에 대한 표현 규칙 DB(33)에 대한 정보를 저장한 데이터 베이스(30), 입력부(10)를 통해 입력된 정보를 바탕으로 데이터베이스(31, 32, 33)에 저장된 규칙 데이터를 검색하여 섬유 재질에 대한 렌더링을 수행하는 제어부(20) 및 제어부(20)의 제어신호에 따라 렌더링 된 가상의 섬유객체를 표시하는 디스플레이부(40)를 포함한다.

도 2는 수학적 양방향 반사 분포 함수(BRDF)를 결정하여 적용하는 절차를 보여주는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 먼저 직조 형태 및 재질 속성에 대한 데이터베이스를 구축한다. 섬유객체의 재질속성별 분류를 위해, 본 발명에서는 섬유객체의 대표적인 예인 옷감을 중심으로 분류하였다.

대표적인 분류 예로는, 면직, 마직, 모직, 견직, 화학 섬유직이 있고, 합성섬유인 나일론, 폴리에스테르, 아크릴, 폴리우레탄 등이 있으며, 기타 옷감인 부직포, 레이스, 합성피력 등으로 분류하였다.

기본적인 직조형태는 단순한 씨줄과 날줄 반복 패턴을 사용하였지만, 다양한 직조형태를 데이터베이스에 저장함으로써 확장할 수 있다(S200).

이러한 직조형태와 재질속성에 따른 수학적 양방향 반사 분포함수(Bi- directional Reflectance Distribution function: BRDF) 데이터베이스를 구축한다(S210).

렌더링에 필요한 데이터베이스가 구축된 상태에서, 사용자로부터 검색 조건 정보를 입력받는다. 검색 조건으로는 직조방향, 순서, 레이어별 섬유객체의 재질 속성 등이 될 수 있다(S220).

구축된 규칙 데이터베이스를 이용하여, 사용자가 원하는 섬유객체의 직조형태와 표면 재질의 속성에 따른 규칙을 데이터베이스로부터 검색한다(S230).

또한, 표현 규칙 DB(33)로부터 수학적 BRDF 모델 및 파라미터를 추출한다(S240)

이후, 'S220' 및 'S230' 과정에서 검색된 규칙데이터를 이용하여 섬유재질에 대한 렌더링을 수행한다(S250).

본 발명에서의 렌더링 과정(S250)은, 섬유객체의 표면의 재질표현을 위해, 기본적으로 미세표면(microfacet) 모델을 기반으로 하고 있다. 하지만, 섬유 표면 재질의 속성에 따라서, 난반사(Lambertian) 모델, 블린-퐁(Blinn-Phong), 워드(Ward), 히(He) 모델 등을 사용할 수 있다.

예를 들어, 비등방성 표면의 반사속성 가진 씨줄/날줄 직조패턴의 예에서는 다음과 같은 방법으로 렌더링을 수행할 수 있다. 미세표면 모델의 반사 특성은 조각면들의 법선 벡터가 어떤 확률 분포를 가지는가에 따라 결정된다.

여기서, 섬유재질의 비등방성 표면의 외형을 표현하기 위해, Ashikhmin과 Shirley가 제안한 방법을 사용하였다. 이때의 미세표면 분포함수는 다음과 같은 [수학식 1]로 표현할 수 있다.

이때, e _x 와 e _y 는 표면의 2차원 축을 따라 미세면들이 가지는 특성을 표현할 수 있게 한다.

일반적으로 의류를 구성하는 천은 직조된 객체로 가장 일반적인 형태는 씨줄과 날줄이 번갈아 가면 앞뒤로 교차하는 것이다. 섬유 객체 표면의 반사 비등방성은 반사 표면에서 실이 어느 방향으로 진행하고 있는지가 중요하다.

따라서, 본 발명에서 제안하는 모델은 표면의 비등방성이 직조 패턴의 크기에 따라 변화하는 모델이다. 직조 패턴을 크게 확대하면 도 3과 같은 모습으로 간략화할 수 있다.

도 3에서 하나의 직조 패턴 크기는 S _w 로 표현되어 있고, 실과 실 사이의 틈새 크기는 S _g 로 표현되어 있다.

이때, 도 3에서 검정색 영역은 실이 지나지 않는 틈새이며, 회색 영역은 직 조에 의해 그림자가 생기는 영역이다. 화살표는 실이 지나가는 방향으로 이 방향에 따라 반사의 특성이 달라지게 된다.

본 발명에서는 간단히 이 방향에 따라 수학식 1의 e _x 와 e _y 값을 서로 교환하는 모델을 사용하였다.

여기서, u와 v는 표면의 텍스처 좌표이다. 이 텍스처 좌표에 따라 실의 방향이 결정되며, [수학식 2]에서 구한 값이 음수이면 실의 방향을 세로, 양수이면 가로로 설정하였다.

본 발명에서 제안하는 렌더링 방법은 비등방성 미세표면 모델에 의한 반사와 램버트(Lambertian) 반사 모델을 결합한 것이다. 램버트 모델은 실의 틈새에서는 빛을 반사하지 않고, 그림자 영역에서 어둡게 조정되었으며, 비등방성 미세표면 모델은 실의 방향에 따라 미세표면의 법선 벡터 방향을 조정하였다.

최종적으로, 렌더링 이미지는 디스플레이부(40)를 통해 표시한다(S260).

한편, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치에서 기존 GPU 기법과 표면 적용 모델별 렌더링 비교 예시도이다.

도 4a는 GPU 렌더링 결과, 도 4b는 블린 퐁 모델의 결과, 도 4c는 측정된 BRDF 값에 따른 결과이고, 도 4d는 본 발명을 적용한 경우의 디스플레이부를 통해 표시되는 섬유 재질의 3차원 섬유재질 컨텐츠이다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치 및 그 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직조형태 따른 섬유재질 렌더링 방법을 개략적으로 도시한 개념도이다.

도 2는 수학적 양방향 반사 분포 함수(BRDF)를 결정하여 적용하는 절차를 보여주는 블럭도이다.

도 3은 본 발명의 직조패턴을 활용하여 비등방성 표현을 위한 직조패턴의 예시를 보여주는 예시도이다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 섬유재질 렌더링에서 기존 GPU 기법과 표면 적용 모델별 렌더링 비교 예시도이다.

Claims (12)

1. 섬유객체의 직조형태와 표면 재질의 속성 정보 및 수학적 양방향 반사 분포함수(BRDF) 간의 연관관계에 대한 표현 규칙을 입력받고, 검색 조건 정보를 입력받는 입력부;

   상기 섬유객체의 직조형태와 표면 재질의 속성 정보 및 수학적 양방향 반사 분포함수(BRDF) 간의 연관관계에 대한 표현 규칙을 저장한 데이터베이스;

   상기 입력부를 통해 입력된 검색 조건 정보를 바탕으로 상기 데이터베이스에 저장된 표현 규칙을 검색하여 섬유재질에 대한 렌더링을 수행하는 제어부; 및

   상기 제어부의 제어신호에 따라 렌더링된 가상의 섬유객체를 표시하는 디스플레이부;를 포함하고,

   상기 렌더링은,

   비등방성 미세표면 모델에 의한 반사와 램버트(Lambertian) 반사 모델을 결합한 것을 특징으로 하는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 데이터베이스는

   직조형태 DB, 재질속성 DB, 및 직조형태와 재질속성에 따른 수학적 양방향 반사 분포함수의 연관관계에 대한 표현 규칙 DB 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 검색 조건 정보는,

   상기 섬유객체의 직조방향, 직조순서, 레이어별 섬유객체의 재질속성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 장치.
6. 사용자로부터 섬유재질을 렌더링하기 위한 검색 조건 정보를 입력받는 단계;

   섬유객체의 직조형태와 표면 재질의 속성 정보 및 수학적 양방향 반사 분포함수(BRDF) 간의 연관관계에 대한 표현 규칙을 저장한 데이터베이스를 이용하여, 상기 사용자로부터 입력된 검색 조건에 대응하는 표현 규칙을 검색하는 단계;

   상기 검색된 표현 규칙을 이용하여 섬유재질에 대한 렌더링을 수행하는 단계; 및

   최종 렌더링된 가상의 섬유객체 이미지를 결과로 도출하는 단계;를 포함하고,

   상기 렌더링은,

   비등방성 미세표면 모델에 의한 반사와 램버트(Lambertian) 반사 모델을 결합한 것을 특징으로 하는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 입력받는 단계 이전에,

   상기 섬유객체의 종류에 따른 직조 형태 및 표면 재질 속성에 대한 분류 데이터베이스를 구축하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 방법.
8. 청구항 6에 있어서,

   상기 입력받는 단계 이전에,

   상기 섬유객체의 직조형태와 재질속성에 따른 수학적 양방향 반사 분포함수(BRDF)의 연관관계를 통해 규칙 데이터베이스를 구축하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 청구항 6에 있어서,

    상기 검색 조건 정보는,

    상기 섬유객체에 대한 직조방향, 직조순서, 레이어별 섬유객체의 재질속성 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 직조 형태에 따른 섬유재질 렌더링 방법.
12. 삭제

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