KR101525054B1 - 3차원 메쉬 데이터 간략화 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 메쉬 데이터 간략화 방법 및 장치에 관한 것으로서, 3차원 메쉬 데이터가 입력되면 각 점에서 이산 곡률을 측정하는 과정과, 상기 각 점에서 측정된 이산 곡률을 포함하는 거리-곡률 오차(QEM:Quadric Error Metrics)척도 기반의 오차를 계산하는 과정과, 상기 계산된 각 점들의 오차값 중 곡률이 낮은것부터 오름차순으로 힙(Heap)에 정렬하는 과정과, 상기 계산된 오차중 최소오차를 선택하고 선택된 최소오차가 임계값보다 작은지 검사하여 크면 에지를 제거하는 과정과, 상기 에지를 제거한 이웃면의 오차를 재계산하고 힙을 재정렬하는 과정을 포함함으로써 상기 3차원 메쉬 데이터 모델의 특징부분이 먼저 간략화되는 것을 최소화할 수 있어 간략화된 모델의 외형과 형상의 정확성을 증가시킬 수 있다.

3D, 랜더링, LOD(Level of Detail), 곡률

Description

3차원 메쉬 데이터 간략화 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR SIMPLIFING THREE DIMENSIONAL MESH DATA}

본 발명은 3차원 메쉬 데이터 간략화 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, QEM 알고리즘을 이산곡률로 확장시켜 3차원 메쉬 데이터를 간략화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 자동화가 진전되고 정보사회로의 발전이 진행되면서 컴퓨터 그래픽의 응용분야가 급속히 확대되고 있는 가운데, 최근 3차원 그래픽 기법들이 전자기기에 도입되면서 좀 더 현실감 있고 화려한 화면을 구성하기 위해서 많은 수의 폴리곤 처리와 광원효과와 같은 특수효과를 효율적으로 처리할 수 있는 고속 그래픽 처리기술의 개발에 관심이 집중되고 있다.

메쉬 간략화(mesh simplification)는 원래의 3차원 모델 형상과 특징을 유지하며 폴리곤(polygon)의 수를 감소시키는 것이다. 즉, 초기 모델에서 필요 이상의 위상학(topology)적, 기하학(geometry)적 정보를 가지고 있는 폴리곤들을 제거하여 단순한 모델을 만드는 과정을 뜻한다. 이러한 3차원 모델을 간략화하는 기술은 컴퓨터 애니메이션, 3차원 게임의 LOD(level of detail) 제어 기술, 인터넷의 3차원 그래픽 솔루션, 실시간 3차원 그래픽 시뮬레이션 등 많은 분야에서 활용되고 있다.

메쉬 간략화의 목표는 적은 정점(vertex)과 면(face)으로 원래 모델의 기하학적 정보와 위상을 잘 유지하도록 좋은 근사화(approximation)를 제공하는 것이다. 메쉬 간략화의 장점은 대용량 모델의 저장 공간을 줄일 수 있고, 자료 구조 구축 시간을 줄이며, 빠른 속도로 모델을 가시화할 수 있다는 것이다.

기존의 간략화 알고리즘은 간략화 과정 중에 원래의 메쉬 모델에 대한 체적의 변화를 가져올 수 있다. 메쉬 간략화 알고리즘의 성능은 원래의 메쉬 모델을 간략화하는 수행 시간과 그 간략화된 모델의 근사화 품질에 따라 좌우된다. 따라서, 여러 가지 간략화 알고리즘 중에서 비교적 성능이 좋은 평면에서 한 점과의 거리의 제곱의 합을 이용한 거리 기반의 QEM(Quadric Error Metric) 알고리즘을 이용하여 간략화된 메쉬 모델에 대한 체적을 고려하였다.

상기 QEM 알고리즘은 제거할 에지를 선택하는 방법이 중요한 반복적인 에지 축약(iterative edge contraction)을 이용하여 메쉬 모델을 간략화하는 알고리즘이며 이차 에러 메트릭(quadric error metric)이라는 제거할 에지에 우선순위를 부여하는 비용 함수를 이용하여 각각의 에지에서 거리 에러가 최소인 정점을 에지 축약 이후의 새로운 정점의 위치로 정하고 그 정점의 거리 에러가 가장 작은 에지부터 선택하여 제거한다.

하지만 상술한 QEM 알고리즘은 빠리고 높은 품질의 간략화를 수핼하지만 원 래의 3차원 모델을 간략화 하면서 단순화 단계까지 진행하면 원래 모델의 특징을 유지하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 3차원 메쉬 데이터 간략화 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 QEM 알고리즘을 이산곡률로 확장시켜 3차원 메쉬 데이터를 간략화하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 3차원 메쉬 데이터의 곡률이 높은 부분을 마지막에 간략화하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1견지에 따르면, 전자기기에서 3차원 메쉬 데이터 간략화하기 위한 방법은, 3차원 메쉬 데이터가 입력되면 각 점에서 이산 곡률을 측정하는 과정과, 상기 각 점에서 측정된 이산 곡률을 포함하는 거리-곡률 오차(QEM:Quadric Error Metrics)척도 기반의 오차를 계산하는 과정과, 상기 계산된 각 점들의 오차값 중 곡률이 낮은것부터 오름차순으로 힙(Heap)에 정렬하는 과정과, 상기 계산된 오차중 최소오차를 선택하고 선택된 최소오차가 임계값보다 작은지 검사하여 크면 에지를 제거하는 과정과, 상기 에지를 제거한 이웃면의 오차를 재계산하고 힙을 재정렬하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2견지에 따르면, 3차원 메쉬 데이터 간략화하기 위한 전자기기의 장치는, 3차원 메쉬 데이터가 입력되면 각 점에서 이산 곡률을 측정하여 상기 측정된 이산 곡률을 포함하는 거리-곡률 오 차(QEM:Quadric Error Metrics)척도 기반의 오차를 계산하고 상기 계산된 각 점들의 오차값 중 곡률이 낮은것부터 오름차순으로 힙(Heap)에 정렬하여 상기 계산된 오차중 최소오차를 선택하고 선택된 최소오차가 임계값보다 작은지 검사하여 크면 에지를 제거하고 상기 에지를 제거한 이웃면의 오차를 재계산하고 힙을 재정렬하는 기능을 제어하기 위한 제어부와, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 3차원 메쉬 데이터의 에지를 제거하여 간략화하는 그래픽 엔진을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 3차원 메쉬 데이터의 간략화 시 QEM 알고리즘을 이산곡률로 확장시켜 이산곡률이 높은 부분을 나중에 간략화함으로써 상기 3차원 메쉬 데이터 모델의 특징부분이 먼저 간략화되는 것을 최소화할 수 있어 간략화된 모델의 외형과 형상의 정확성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명에서는 3차원 메쉬 데이터의 간략화 시 이산곡률을 이용하여 기존 QEM 방법을 확장하는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전자기기에서 3차원 메쉬 데이터를 간략화하기 위한 블록 구성을 도시하고 있다.

상기 전자기기는 휴대용 단말기, 개인용 컴퓨터, 이동통신 단말기 등의 그래픽을 처리할 수 있는 다수의 기기들을 포함하는 의미이다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 전자기기는 제어부(100), 그래픽엔진(102), 메모리(104), 표시부(106), 입력부(108)을 포함하여 구성된다.

상기 제어부(100)는 상기 전자기기의 전반적인 동작을 제어하고, 통상적인 기능에 더하여 본 발명에 따라 3차원 메쉬 데이터를 입력받아 이산곡률을 측정하고, 거리와 곡률을 기반으로 오차를 측정하여 오차가 작은 중점부터 정렬하여 간략화하여 상기 표시부(106)로 출력하기 위한 기능을 제어 및 처리한다.

상기 그래픽 엔진(102)은 상기 제어부(100)의 제어에 의해 상기 입력된 3차원 메쉬 데이터의 이산곡률을 측정하고, 거리와 곡률을 기반으로 오차를 측정하여 오차가 작은 점부터 정렬하여 간략화하고 상기 제어부(100)로 출력한다. 또한, 상기 그래픽 엔진은 간략화된 3차원 메쉬 데이터를 상기 표시부(106)로 직접 출력하기도 한다.

상기 메모리(104)는 상기 전자기기의 전반적인 동작을 제어하기 위한 프로그램, 상기 전자기기의 동작 중에 발생하는 일시적인 데이터, 시스템 파라미터 및 기타 저장용 데이터를 저장한다. 특히, 본 발명에 따라 3차원 메쉬 데이터를 간략화하기 위한 프로그램을 저장한다.

상기 표시부(106)는 상기 전자기기의 동작 중에 발생되는 상태정보, 제한된 숫자와 문자들을 디스플레이한다. 또한, 상기 표시부(128)는 본 발명에 따라 특징이 보존된 간략화 모델을 출력한다.

상기 입력부(108)는 숫자 또는 문자 정보를 입력하기 위한 키들 및 각종 기능을 설정하기 위한 기능키들을 구비하여 상기 사용자에 의해 입력되는 키에 대응되는 기능들을 상기 제어부(100)로 출력한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전자기기에서 3차원 메쉬 데이터를 간략화하기 위한 절차를 도시하고 있다.

상기 도 2를 참조하면, 먼저 상기 전자기기는 201단계에서 상기 3차원 메쉬 데이터를 입력받으면 203단계로 진행하여 각 점에서의 이산 곡률을 측정한다. 여기서 이산곡률이란, 이산적인 표면으로 구성된 메쉬의 표면곡률로서, 메쉬의 기하학 정보를 이용하여 계산된다. 상기 이산곡률에는 평균곡률과 가우시안곡률, 프린시팔곡률이 있으며, 각각의 곡률마다 서로 다른 특성이 있다.

이후, 상기 전자 기기는 205단계로 진행하여 거리-곡률 오차척도 기반의 오차를 계산하고 207단계로 진행하여 힙(Heap)에서의 정렬을 한다.

이후, 상기 전자기기는 208단계로 진행하여 상기 오차중 최소 오차를 선택하고 209단계로 진행하여 상기 최소 오차가 임계값(threshold) 보다 작은지 검사한다. 만일, 상기 최소 오차가 임계값(threshold) 보다 크면 상기 전자기기는 213단계에서 꼭지점의 에지(edge)를 제거하고 215단계로 진행하여 상기 에지를 제거한 이웃면의 오차를 재계산하고 힙을 재정렬하고 208단계로 되돌아가 이하 단계를 재 수행한다.

한편, 상기 최소 오차가 임계값(threshold) 보다 작으면 상기 전자기기는 211단계로 진행하여 간략화된 데이터를 출력하고 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

본 발명에서 상기 오차의 계산은 삼각형 메쉬 위의 평면에서 한 점 사이의 거리를 측정하여 오차로 사용하며 <수학식 1>과 같이 계산된다.

상기 <수학식 1>을 참조하면, 평면 p_i에서 새로운 꼭지점

로 부터의 거리이고,

는 평면 p_i의 벡터이다. 또한 상기 꼭지점에 대한 이산 곡률은 그 점에서의 굽은 정조를 나타내며, 상기 이산 곡률을 이용하여 구한 오차를 상기 <수학식 1>의 c_i에 넣는다. 이렇게, 측정된 수치로 거리오차(QEM)를 이산곡률을 포함하는 거리-곡률 오차척도로 확장한다. 또한, 상기 오차척도는 상기 힙에서의 간략화 순서를 바꾸어 줌으로써 곡률이 높은 부분에 대해 간략화를 나중에 하고 곡률이 낮은부분, 즉 평평한 곳이 먼저 간략화가 되도록 힙의 순서를 바꾼다. 예를들어, <수학식 2>와 같이 꼭지점 v1, v2에서 이산곡률을 측정하여 이렇게 측정된 값을 <수학식 3>에 대입하여 오차를 측정한다.

상기 <수학식 2>와 <수학식 3>으로부터 구해진 오차는 간략화를 위해 힙에 넣어지고, 오차 값들 중 곡률이 높은 곳의 오차값을 힙의 뒷부분으로 이동함으로써 간략화가 많이 되어도 원래 3차원 메쉬 데이터의 특징이 보존되면서 간략화된다. 도 3을 참조하면, 원래 3차원 메쉬 데이터 모델의 301부분이 기존의 QEM방법으로는 간략화시 303과 같이 표현되지 않았으나 본 발명에 따라 곡률이 높은 부분을 마지막으로 간략화하면 305와 같이 특징이 보존되어 간략화 되는 것을 알 수 있다.

또한, 도 4를 참조하면 원래 3차원 메쉬 데이터 모델의 401, 403부분이 기존의 QEM방법으로는 간략화시 605, 607과 같이 표현되지 않았으나 본 발명에 따라 곡률이 높은 부분을 마지막으로 간략화하면 609, 611과 같이 특징이 보존되어 간략화 되는 것을 알 수 있다. 여기서, 상기 도 3과 4의 T는 모델에 표시 삼각형의 개수이 다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 전자기기에서 3차원 메쉬 데이터를 간략화하기 위한 블록 구성을 도시하는 도면,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전자기기에서 3차원 메쉬 데이터를 간략화하기 위한 절차를 도시하는 도면,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 간략화된 데이터를 도시하는 도면,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 간략화된 데이터를 도시하는 도면.

Claims (10)

1. 전자기기에서 3차원 메쉬 데이터 간략화하기 위한 방법에 있어서,

   3차원 메쉬 데이터가 입력되면 각 점에서 이산 곡률을 측정하는 과정과,

   상기 각 점에서 측정된 이산 곡률을 포함하는 거리-곡률 오차(QEM:Quadric Error Metrics)척도 기반의 오차를 계산하는 과정과,

   상기 계산된 각 점들의 오차값들 중 곡률이 낮은것부터 오름차순으로 힙(Heap)에 정렬하는 과정과,

   상기 정렬된 오차값들 중 최소 오차값을 선택하고, 상기 선택된 최소 오차값이 임계값보다 작은지 검사하여 크면 에지를 제거하는 과정과,

   상기 에지를 제거한 이웃면의 오차를 재계산하고 힙을 재정렬하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서

   상기 선택된 최소 오차값이 임계값보다 작은지 검사하여 작으면, 상기 3차원 메쉬 데이터의 단순화된 모델에 해당하는 데이터를 출력하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 이산 곡률은,

   평균곡률, 가우시안(Gaussian)곡률, 프린시팔(principal) 곡률 중적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 삭제
5. 3차원 메쉬 데이터 간략화하기 위한 전자기기의 장치에 있어서,

   3차원 메쉬 데이터가 입력되면 각 점에서 이산 곡률을 측정하여 상기 측정된 이산 곡률을 포함하는 거리-곡률 오차(QEM:Quadric Error Metrics)척도 기반의 오차를 계산하고 상기 계산된 각 점들의 오차값들 중 곡률이 낮은 것부터 오름차순으로 힙(Heap)에 정렬하여, 상기 정렬된 오차값들 중 최소 오차값을 선택하고, 상기 선택된 최소 오차값이 임계값보다 작은지 검사하여 크면 에지를 제거하고 상기 에지를 제거한 이웃면의 오차를 재계산하고 힙을 재정렬하는 기능을 제어하기 위한 제어부와,

   상기 제어부의 제어에 의해 상기 3차원 메쉬 데이터의 에지를 제거하여 상기 3차원 메쉬 데이터의 단순화된 모델에 해당하는 데이터를 출력하는 그래픽 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제어부는,

   상기 선택된 최소 오차값이 임계값보다 작은지 검사하여 작으면, 상기 3차원 메쉬 데이터의 단순화된 모델에 해당하는 데이터를 출력하기 위한 기능을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   3차원 메쉬 데이터 간략화하기 위한 전자기기의 장치는,

   상기 3차원 메쉬 데이터의 단순화된 모델에 해당하는 데이터를 디스플레이하기 위한 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 이산 곡률은,

   평균곡률, 가우시안(Gaussian)곡률, 프린시팔(principal) 곡률 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 장치.
9. 삭제
10. 제 5항에 있어서,

    상기 전자기기는,

    휴대용 단말기, 이동통신 단말기 및 개인용 컴퓨터를 포함하는 그래픽을 처리할 수 있는 다수의 기기 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 장치.

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