KR101672537B1 - 광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치 - Google Patents

광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치 Download PDF

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KR101672537B1
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Abstract

복수의 객체들 각각에 포함된 물질의 특성에 기초하여, 분류된 적어도 하나의 그룹 중에서, 렌더링의 대상이 되는 객체에 대응되는 그룹을 결정하는 결정부, 결정된 그룹에 관해 미리 설정된 렌더링 모델에 기초하여, 적어도 하나의 광원에 대한 객체의 광학 파라미터를 획득하는 광학 파라미터 획득부 및 적어도 하나의 광원에 대한 객체의 광학 파라미터를 이용하여, 객체를 렌더링 하는 렌더링부를 포함하는 3차원 객체 렌더링 장치가 개시된다.

Description

광학 파라미터를 이용한 3차원 객체 렌더링 장치{Apparatus for rendering 3D object using optic parameter}
본 발명은 3차원 객체 렌더링 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 객체의 광학적 특성을 기초로 결정되는 광학 파라미터를 이용하여 3차원 객체 렌더링을 수행하는 장치에 관한 것이다.
최근 게임, 영화, 가상 현실 구현, 웹 콘텐츠 제작 등 다양한 응용분야에서 3차원 객체를 실감나게 제작하는 기술에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 특히, 객체의 재질을 표현하는 기술은 3차원 객체의 실감도를 결정짓는 핵심적인 요소로서, 다각도에서 지속적인 연구가 진행되고 있다.
객체의 재질을 표현하기 위한 방법 중 하나로 물리 기반 방법(physical based method)이 존재한다. 물리 기반 방법은 광원과 물체, 또는 물체와 물체 사이에서 일어나는 빛의 전송을 기하학적으로 모델링 함으로써 객체의 재질을 표현한다. 물리 기반 방법을 이용한 객체 구현 방법에 대해 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 종래 기술은 객체의 투명도에 따른 재질 특성을 사실적으로 구현하지 못한다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 객체의 광학적 특성을 기초로 결정되는 광학 파라미터를 이용하여 3차원 객체 렌더링을 수행하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치는 복수의 객체들 각각에 포함된 물질의 특성에 기초하여, 분류된 적어도 하나의 그룹 중에서, 렌더링의 대상이 되는 객체에 대응되는 그룹을 결정하는 결정부; 상기 결정된 그룹에 관해 미리 설정된 렌더링 모델에 기초하여, 적어도 하나의 광원에 대한 객체의 광학 파라미터를 획득하는 광학 파라미터 획득부; 및 상기 적어도 하나의 광원에 대한 상기 객체의 광학 파라미터를 이용하여, 상기 객체를 렌더링 하는 렌더링부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치에 있어서, 상기 광학 파라미터 획득부는, 상기 객체에 포함된 적어도 하나의 물질들 각각에 대해 굴절률 및 반사 계수를 포함한 광학 특성 정보를 획득하고, 상기 적어도 하나의 물질들 각각에 대한 광학 특성 정보 및 상기 미리 설정된 렌더링 모델에 기초하여 상기 광학 파라미터를 획득한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치에 있어서, 상기 광학 파라미터 획득부는, 분광측색계를 이용하여, 획득한 상기 객체의 SCI(Specular Component Included) 및 SCE(Specular Component Excluded)를 기초로 상기 객체의 굴절률을 획득하고, 상기 SCE와 상기 객체의 굴절률에 몬테카를로 기법을 이용하여 리듀스드 반사 계수를 획득한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치에 있어서, 상기 광학 파라미터 획득부는, 밝기, 상기 객체와의 거리, 광원의 종류 및 집광점 중 적어도 하나가 서로 다른 복수개의 광원들 각각에 대한 광학 특성 정보를 획득하고, 상기 복수개의 광원들 각각에 대한 광학 특성 정보에 스펙트랄로(spectral) 정규화를 적용하여 상기 광학 파라미터를 획득한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치에 있어서, 상기 광학 파라미터 획득부는, 상기 객체의 굴절률을 계산하는 제 1 연산부; 상기 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산하는 제 2 연산부; 및 상기 객체의 두께를 측정하는 제 3 연산부를 포함하고, 상기 제 2 연산부는, 광원에 대한 노출레벨 별로, 상기 객체에 대한 집광점의 영상을 적어도 하나 이상 촬영하는 촬영부; 및 상기 적어도 하나 이상의 집광점의 영상을 HDRI(High Dynamic Range Image)로 병합하는 병합부를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른3차원 객체 렌더링 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른3차원 객체 렌더링 장치의 블록도를 보다 상세하게 도시한 도면이다.
도 3은 객체를 구성하는 물질의 특성에 따라 광학 특성 정보가 결정되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 객체를 렌더링한 결과를 출력하는 사용자 인터페이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른3차원 객체 렌더링 장치(100)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 결정부(110), 광학 특성 정보 획득부(120) 및 렌더링부(130)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 3차원 객체 렌더링 장치(100)에는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
결정부(110)는 복수의 객체들 각각에 포함된 물질의 특성에 기초하여 분류된 적어도 하나의 그룹 중에서, 렌더링의 대상이 되는 객체에 대응되는 그룹을 결정한다. 여기에서, 복수의 객체들은 3D 이미지 또는 동영상 등에 포함되어 있는 시각적으로 표현 가능한 독립적인 구성 요소들을 포함한다. 예를 들어, 디바이스에서 3D 게임 어플리케이션을 실행하는 경우, 시각적으로 표현 가능한 게임 씬(scene)들에 등장하는 물체들이 복수의 객체들의 일 예일 수 있다.
렌더링 대상이 될 수 있는 복수의 객체들 각각은 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 렌더링의 대상이 되는 객체에 복수의 물질들이 포함되는 경우, 물질들 각각에 대한 굴절률, 반사 계수 등과 같은 광학 특성 정보가 상이할 수 있다.
일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 객체가 포함하고 있는 물질 각각의 광학 특성 정보를 조합하여, 객체에 포함된 물질의 특성에 따라 광학 파라미터를 획득하는데 필요한 렌더링 모델을 미리 저장할 수 있다.
광학 특성 정보 획득부(120)는 결정된 그룹에 관해 미리 설정된 렌더링 모델에 기초하여, 적어도 하나의 광원에 대한 객체의 광학 파라미터를 획득한다. 렌더링 하려고 하는 객체의 광학 파라미터를 획득할 수 있다. 여기에서, 광학적 특성 정보에는 객체의 굴절률 및 객체의 리듀스드 반사 계수(reduced alberdo)가 포함될 수 있다.
광학 특성 정보 획득부(120)는 분광측색계를 이용하여 객체의 SCI(Specular Component Included) 및 SCE(Specular Component Excluded)를 기초로 객체의 굴절률을 계산할 수 있다. 또한, 광학 특성 정보 획득부(120)는 객체의 집광점을 촬영한 영상을 기초로 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다. 광학 특성 정보 획득부(120)는 객체에 신호를 송신하여, 객체로부터 반사된 에코 신호가 수신되기까지의 시간을 이용하여, 객체의 두께를 측정할 수 있다. 여기에서, 신호는 예를 들어 초음파 신호가 사용될 수 있다.
광학 특성 정보 획득부(120)에서, 객체의 광학적 특성 정보를 획득하는 방법에 대해서는 도 2를 참조하여, 구체적으로 후술하도록 한다.
렌더링부(130)는 적어도 하나의 광원에 대한 객체의 광학 파라미터를 이용하여 객체를 렌더링 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 3D 객체의 렌더링에 이용되는 파라미터는 객체 고유의 색상(이하,
Figure 112014079362815-pat00001
), 제 1 확산광(이하,
Figure 112014079362815-pat00002
), 제 2 확산광(이하,
Figure 112014079362815-pat00003
) 및 경면광(이하,
Figure 112014079362815-pat00004
)를 포함할 수 있다. 여기에서 제 1 확산광은 객체 표면의 확산광을 의미하고, 제 2 확산광은 반투명한 객체를 표현하기 위한 값이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 객체의 렌더링은 하기의 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112014079362815-pat00005
상기의 수학식 6에서
Figure 112014079362815-pat00006
은 3D 객체의 렌더링에 사용되는 최종적인 빛의 색상이다.
Figure 112014079362815-pat00007
하기의 수학식 7을 기초로 빛의 입사 벡터 L과 표면의 법선 벡터 N의 내적한 값에 의해 결정될 수 있다.
상기의 수학식 1에서 은 3D 객체의 렌더링에 사용되는 최종적인 빛의 색상이다. 수학식 1에서 물체의 고유의 색상으로 하기의 수학식 2에 의해 결정된다.
Figure 112014079362815-pat00008
여기에서
Figure 112014079362815-pat00009
는 객체의 위 경계에서 반사되는 빛의 양으로 도 4의 (b)에 도시되어 있다. 수학식 2에서 왼쪽 부분과 오른쪽 부분은 각각 객체 속에서 흡수와 산란을 거쳐 되돌아 나오는 반사율 및
Figure 112014079362815-pat00010
은 아래 경계의 반사에 의한 반사율이다. 이는 각각 수학식 2에서 왼쪽 부분과 오른쪽 부분에 해당된다. 객체의 표면에서의 반사율 R과 투과율은 BRDF 모델에 의해 계산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 수학식 2를 이용하여 계산한 값을
Figure 112014079362815-pat00011
으로 적용하여 수학식 을 기초로 3차원 객체의 렌더링을 수행할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 최종적인 객체의 렌더링 값은 하기의 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112014079362815-pat00012
상기의 수학식 3에서,
Figure 112014079362815-pat00013
는 반투명한 강도,
Figure 112014079362815-pat00014
는 경면광의 색상을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면
Figure 112014079362815-pat00015
,
Figure 112014079362815-pat00016
,
Figure 112014079362815-pat00017
및
Figure 112014079362815-pat00018
는 실험을 통해서 최적화 될 수 있다.
제 1 확산광 정보는 객체 표면의 확산광을 의미한다. 렌더링부(130) 는 광원으로부터의 입사 벡터와 객체 표면의 법선 벡터를 내적한 값에 기초하여, 객체의 제 1 확산광 정보를 획득할 수 있다. 일 실시예에 따라, 렌더링부(130)는 다음 수학식 4에 기초하여 객체의 제 1 확산광 정보를 획득할 수 있다. 하기의 수학식 1에서 L은 빛의 입사 벡터 및 N은 객체 표면의 법선 벡터를 의미한다.
Figure 112014079362815-pat00019
제 2 확산광 정보는 객체를 구성하는 물질의 투명도를 나타낸다. 렌더링 부(130)는 광원과 객체 내부의 특정 위치 간의 거리를 기초로 결정될 수 있다. 일 실시예에 따른 렌더링부(130)는 다음 수학식 5에 기초하여 객체의 제 2 확산광 정보를 획득할 수 있다. 하기의 수학식 5에서, d는 광원과 객체 간의 거리를 의미한다.
Figure 112014079362815-pat00020
경면광 정보는 광원으로부터 객체에 입사되는 광의 입사 및 반사 각각에 대한 방위각 및 앙각을 기초로 결정될 수 있다. 일 실시예에 따른 렌더링 부(130)는 다음 수학식 6에 기초하여 객체의 경면광 정보를 획득할 수 있다.
Figure 112014079362815-pat00021
상기 수학식 7에서, L은 객체의 최종적인 반사율,
Figure 112014079362815-pat00022
는 객체 표면의 확산계수,
Figure 112014079362815-pat00023
는 경면반사 계수,
Figure 112014079362815-pat00024
는 x방향 표면 경사의 표준편차,
Figure 112014079362815-pat00025
는 y 방향 표면 경사의 표준 편차,
Figure 112014079362815-pat00026
는 입사되는 빛의 앙각,
Figure 112014079362815-pat00027
은 반사되는 빛의 앙각,
Figure 112014079362815-pat00028
는 법선 벡터 N과 하프벡터 H 사이의 각이고,
Figure 112014079362815-pat00029
는 접점의 표면으로 투영되는 하프 벡터의 방위각을 의미할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른3차원 객체 렌더링 장치(100)의 블록도를 보다 상세하게 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 결정부(110), 광학 파라미터 획득부(120) 및 렌더링부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 광학 파라미터 획득부(120)는 제 1 연산부(122), 제 2 연산부(124) 및 제 3 연산부(126)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 3차원 객체 렌더링 장치(100)에는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
결정부(110)는 복수의 객체들 각각에 포함된 물질의 특성에 기초하여 분류된 적어도 하나의 그룹 중에서, 렌더링의 대상이 되는 객체에 대응되는 그룹을 결정한다. 한편, 도 2에 도시된 결정부(110)는 도 1을 참조하여 전술한 결정부(110)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
광학 파라미터 획득부(120)는 결정된 그룹에 관해 미리 설정된 렌더링 모델에 기초하여, 적어도 하나의 광원에 대한 객체의 광학 파라미터를 획득한다. 이하에서는. 광학 파라미터 획득부(120)에 포함된 제 1 연산부(122), 제 2 연산부(124) 및 제 3 연산부(126)에 관해 구체적으로 설명하도록 한다.
제 1 연산부(110)는 분광측색계를 이용하여 객체의 반사율을 획득할 수 있다. 여기에서, 반사율은 SCI(Specular Component Include) 및 SCE(Specular Component Exclude)를 포함할 수 있다. SCI는 확산반사광과 정반사광이 포함된 반사를 의미하고, SCE는 확산반사광 만이 포함된 반사를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 연산부(122)는 분광측색계를 이용하여 획득한 SCI와 SCE의 차이값을 하기의 수학식에 적용하여 객체의 굴절률을 계산할 수 있다.
Figure 112014079362815-pat00030
상기 수학식 7은 Schlick의 방정식으로, 여기에서 L은 빛의 입사 벡터, H는 L과 시선 벡터 사이의 하프 벡터,
Figure 112014079362815-pat00031
는 법선 벡터와 일치하는 방향으로 빛이 입사하는 경우의 반사율 및 (프레넬 굴절률)는 SCI와 SCE의 차이를 의미한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제 1 연산부(122)는 분광측색계에서 측정된 객체의 반사율에 대한 정보를 외부장치로부터 수신할 수 있다. 구체적으로 제 1 연산부가 객체의 반사율에 대한 정보를 획득하는 과정은 분광측색계와의 무선 통신을 위한 복수의 인터페이스 및 유선 통신을 위한 다른 유형들의 인터페이스들에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 적외선 통신 인터페이스 및 블루투스 무선 통신 인터페이스와 같은 무선 통신을 위한 복수의 인터페이스들이 제공될 수 있다.
제 1 연산부(122)는 분광측색계를 이용하여 객체의 색상 데이터를 획득할 수도 있다. 제 1 연산부(122)는 분광측색계를 이용하여 측정된 반사율을 기초로 획득한 L*a*b* 값을 획득할 수 있다. 획득된 L*a*b* 값은 RGB(Red Green Blue)로 변환될 수 있다.
제 2 연산부(124)는 객체의 집광점을 촬영한 영상을 기초로 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다. 일 실시예에 따른 제 2 연산부(124)는 촬영부(124a) 및 병합부(124b)를 포함할 수 있다.
촬영부(124a)는 객체의 집광점을 촬영할 수 있다. 구체적으로 촬영부(124a)는 광원에 대한 노출레벨 별로 집광점에 대한 영상을 촬영할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 광원에 대한 노출레벨을 조절하는 방법으로 카메라의 셔터스피드를 조절할 수 있다. 카메라의 셔터스피드를 조절하는 경우에는 조리개와 ISO(International Organization for Standarzation) 수치를 고정하여 노출레벨을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촬영부(124a)는 렌즈의 지름을 조절하여 광원을 집광시킬 수 있다. 렌즈의 지름은 촬영 환경에 따라 사용자가 설정할 수 있다. 예를 들어 집광되는 빛의 지름이 미리 설정된 값을 초과하는 경우, 촬영부(124a)는 렌즈의 지름을 조절하여 집광되는 빛의 지름이 미리 설정된 값 이하로 줄어들도록 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 촬영부(124a)는 광원의 종류에 따라 집광되는 빛의 지름을 조절할 수 있도록 피드백 센서를 포함할 수 있다. 광원의 종류는 실험에 따라 변경될 수 있다. 촬영부(124a)는 광원 별로 렌즈를 변경하는 번거로움을 줄일 수 있도록 내부에 장착되어 있는 피드백 센서를 이용하여 광원의 높이 또는 렌즈의 지름을 조절할 수 있다.
병합부(124b)는 촬영부(124a)에서 촬영된 적어도 하나 이상의 집광점에 대한 영상들을 병합할 수 있다. 일반적으로 카메라는 일부 명암도의 범위에 대해서만 측정이 가능하다. 그러므로 본 발명의 일 실시예에 따른 병합부(124b)는 광원에 대한 노출시간을 달리하여 촬영된 서로 다른 범위의 명암도를 갖는 여러 장의 영상을 병합함으로써, 넓은 명암도 영역을 갖는 HDRI 영상을 획득할 수 있다.
병합부(124)에서 획득한 HDRI는 흡수계수와 리듀스드 산란 계수를 계산하는 데 이용될 수 있다. 구체적으로 병합부(124)는 HDRI를 분석하여 집광점으로부터 임의의 픽셀까지의 거리 r에 따른
Figure 112014079362815-pat00032
값을 측정할 수 있다. 병합부(124)는 측정된 값들을, x 축에 r, y축에
Figure 112014079362815-pat00033
값을 갖는 2차원 데이터 집합으로 구성할 수 있다.
병합부(124)는 제 1 연산부(110)로부터 분광측색계를 이용하여 획득한
Figure 112014079362815-pat00034
값을 수신할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 병합부(124)는 커브피팅 방정식을 적용하여 2차원 데이터 집합 및
Figure 112014079362815-pat00035
값을 기초로 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다.
Figure 112014079362815-pat00036
값은 후술할 수학식 11을 기초로 결정될 수 있다.
구체적으로, 제 2 연산부(124)는 광원에 대한 노출레벨 별로, 적어도 하나 이상의 객체에 대한 집광점을 촬영하여, 촬영된 적어도 하나 이상의 영상들을 병합할 수 있다.
제 2 연산부(124)는 집광점을 노출레벨 별로 촬영한 영상을 병합함으로써 넓은 명암도 영역을 갖는 HDRI(High Dynamic Range Image)를 획득할 수 있다. 일반적으로 카메라는 일부 명암도의 범위에 대해서만 측정이 가능하므로, 광원에 대한 노출시간을 달리하여 서로 다른 범위의 명암도를 갖는 여러 장의 영상을 병합하여 넓은 범위의 명암도를 갖는 영상을 획득할 수 있다.
제 2 연산부(124)는 HDRI를 분석하여, 흡수계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다. 구체적으로 제 2 연산부(124)는 HDRI를 분석하여 집광점으로부터 임의의 픽셀까지의 거리 r에 따른
Figure 112014079362815-pat00037
값을 측정할 수 있다. 제 2 연산부는 측정된 값들을, x 축에 r, y축에
Figure 112014079362815-pat00038
값을 갖는 2차원 데이터 집합으로 구성할 수 있다.
제 2 연산부(124)는 2차원 데이터 집합과 분광측색계를 이용하여 획득한
Figure 112014079362815-pat00039
값에 커브피팅 방정식을 적용하여 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 제 2 연산부(124)는 분광측색계로부터 측정된
Figure 112014079362815-pat00040
값에 하기의 수학식 8을 적용하여
Figure 112014079362815-pat00041
를 구할 수 있다.
Figure 112014079362815-pat00042
상기의 수학식에서
Figure 112014079362815-pat00043
는 빛의 반사율로서, RGB로 나타낼 경우, 3개의 채널로 구분될 수 있다. 따라서 제 1 연산부(110)에서 분광측색계를 이용하여 측정된 RGB의 각 채널 값을
Figure 112014079362815-pat00044
에 대입할 수 있다. 여기에서 A는 제 1 연산부(110)에서 측정한
Figure 112014079362815-pat00045
(프레넬 굴절률)을 하기의 수학식 9에 적용하여 구할 수 있다.
Figure 112014079362815-pat00046
수학식 3에서 계산한 A와 분광측색계를 이용하여 측정한
Figure 112014079362815-pat00047
을 상기의 수학식 2에 적용함으로써
Figure 112014079362815-pat00048
를 구할 수 있다. 여기에서
Figure 112014079362815-pat00049
는 하기의 수학식 10을를 기초로 흡수 계수(
Figure 112014079362815-pat00050
)와 리듀스드 산란계수(
Figure 112014079362815-pat00051
)를 이용하여 표현할 수 있다.
Figure 112014079362815-pat00052
한편, 다른 실시예에 따라, 광학 파라미터 획득부(124)는 수학식 8을 이용하는 방법 이외에, 몬테카를로 기법을 이용하여,
Figure 112014079362815-pat00053
를 구할 수 있다. 몬테카를로 기법을 이용하는 경우, 수학식 8에서, 좌측은 이미 분광측색계로 측정하여 이미 구해진 값이므로 우측항의
Figure 112014079362815-pat00054
에 0에서 1사이의 임의의 값을 넣어 계산한 후,
Figure 112014079362815-pat00055
값을 만족시키는
Figure 112014079362815-pat00056
을 찾을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 연산부는 상기 수학식 4와 BSSRDF(Bidirectional Scattering Surface Reflectance Distribution Function) 방정식을 이용하여 흡수 계수(
Figure 112014079362815-pat00057
)와 리듀스드 산란계수(
Figure 112014079362815-pat00058
)를 계산할 수 있다. BSSRDF 방정식은 하기의 수학식 11과 같다.
Figure 112014079362815-pat00059
수학식 10과 수학식 11을 병합하면 r에 대한
Figure 112014079362815-pat00060
의 방정식을
Figure 112014079362815-pat00061
에 의한 값으로 표현할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 r에 대한
Figure 112014079362815-pat00062
의 방정식과 2차원 데이터 집합 상의 r에 대한
Figure 112014079362815-pat00063
값에 커브 피팅 방정식을 적용하여 흡수 계수(
Figure 112014079362815-pat00064
)와 리듀스드 산란계수(
Figure 112014079362815-pat00065
)를 계산할 수 있다.
여기에서 커브 피팅은 함수 값과 데이터 값 사이의 오차의 제곱들의 합을 최소화하는 방식이다. 함수 값과 데이터 값 사이의 오차의 제곱의 합을 줄이기 위해 함수에 있는 파라미터 값 개선을 반복하여 오차의 제곱들의 합이 최소가 되는 흡수 계수(
Figure 112014079362815-pat00066
)와 리듀스드 산란계수(
Figure 112014079362815-pat00067
)를 계산할 수 있다.
제 3 연산부(130)는 객체로 송신된 초음파 신호가 객체에 반사되어 에코 신호로서 수신되는 시간을 이용하여 객체의 두께를 측정할 수 있다. 구체적으로 객체 내부로 송신한 초음파 신호가 반사되어 에코 신호로서 수신되는 시간 t를 측정한 후, 초음파의 진행속도 c를 이용하여 거리를 계산할 수 있다.
한편, 객체가 복수개의 물질로 구성된 경우에는 첫번째 물질과 두번째 물질 사이에서 반사되지 않고 투과된 초음파 신호가 두번째 물질과 세번째 물질 사이에서 반사될 수 있다. 물질 사이의 경계면에서 반사되는 신호를 이용하여 객체를 구성하는 물질 별 두께를 측정할 수 있다.
도 3은 객체를 구성하는 물질의 특성에 따라 광학 특성 정보가 결정되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 복수의 객체들 각각에 포함된 물질의 특성에 기초하여 분류된 적어도 하나의 그룹 중에서, 렌더링의 대상이 되는 객체에 대응되는 그룹을 결정한다. 예를 들어, 디바이스에서 3D 게임 어플리케이션을 실행하는 경우, 시각적으로 표현 가능한 게임 씬(scene)들에 등장하는 물체들이 복수의 객체들의 일 예일 수 있다.
객체의 광학 특성 정보는 객체를 구성하고 있는 적어도 하나의 물질의 광학 특성 정보를 기초로 결정될 수 있다.
예를 들어, 사람 캐릭터를 객체로서 렌더링하는 경우, 피부(300) 질감이 드러나도록 3차원 렌더링을 수행할 수 있다. 도 3을 참조하면, 피부(300)는 피부 외벽의 기름층(310), 표피(320) 및 진피(330)를 포함할 수 있다. 표피(320) 위쪽에는 기름층(310)이 있어, 빛을 반사하고, 표피(320)와 진피(330)의 굴절률이 다르므로 각각의 물질들의 광학 특성 정보를 산출할 수 있는 방정식을 레이어링(layering) 하여, 피부(300)에서의 빛의 흡수 정도, 반사 정도 및 산란 정도 등을 계산할 수 있다. 각각의 물질들의 광학 특성 정보를 산출할 수 있는 방정식을 레이어링 하는 경우, 광학 특성 정보를 산출하는 식의 상수가 변화될 수 있다.
도 3을 참조하면, 빛이 표피(320)를 통과하여, 진피(330)로 진입할 때, 매질의 차이로 인해, 굴절률이 달라질 수 있다. 여기에서, 프레넬 반사 알고리즘을 통해 빛의 산란과 반사를 계산하여, 객체를 나타내는 픽셀의 컬러값을 계산할 수 있다. 또한, 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 객체가 위치한 조명 환경에서 습도와 광원의 상태에 따라 빛의 피부 투과율과 산란율이 바뀌므로 이러한 변수를 고려하여 객체에 관한 렌더링을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 객체를 렌더링한 결과를 출력하는 사용자 인터페이스(400)를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 적어도 하나의 광원에 대해서 획득한 광학 파라미터를 기초로 객체의 렌더링을 수행할 수 있다. 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 밝기, 객체와의 거리, 광원의 종류 및 집광점 중 적어도 하나가 서로 다른 복수개의 광원들로부터 객체의 렌더링 결과를 획득할 수 있다.
도 4를 참조하면, 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 복수개의 광원들 또는 하나의 광원에서 객체와의 거리가 멀어지거나 빛의 밝기가 달라지는 경우 별로 객체의 렌더링 결과를 획득하여, 이를 실시간으로 출력할 수 있다. 일 실시예에 따라, 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 실시간으로 객체의 렌더링 결과를 출력할 수 있는 사용자 인터페이스(400)를 제공할 수 있다.
3차원 객체 렌더링 장치(100)에서 제공되는 사용자 인터페이스(400)는 객체의 렌더링 결과를 출력하는 출력 파트(410)와 광원에 대한 정보 및 객체의 렌더링에 이용되는 파라미터들에 대한 정보를 나타내는 제어 파트(420)를 포함할 수 있다.
또한, 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 복수개의 광원들로부터 획득한 객체의 광학 특성 정보를 밝기, 객체와의 거리, 광원의 종류 및 집광점 중 적어도 하나가 서로 다른 복수개의 광원들 각각에 대한 광학 특성 정보를 획득하고, 복수개의 광원들 각각에 대한 광학 특성 정보에 스펙트랄로(spectral) 정규화를 적용하여 광학 파라미터를 획득할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 510에서, 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 복수의 객체들 각각에 포함된 물질의 특성에 기초하여 분류된 적어도 하나의 그룹 중에서, 렌더링의 대상이 되는 객체에 대응되는 그룹을 결정한다.
여기에서, 복수의 객체들은 3D 이미지 또는 동영상 등에 포함되어 있는 시각적으로 표현 가능한 독립적인 구성 요소들을 포함한다. 예를 들어, 디바이스에서 3D 게임 어플리케이션을 실행하는 경우, 시각적으로 표현 가능한 게임 씬(scene)들에 등장하는 물체들이 복수의 객체들의 일 예일 수 있다.
렌더링 대상이 될 수 있는 복수의 객체들 각각은 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 렌더링의 대상이 되는 객체에 복수의 물질들이 포함되는 경우, 물질들 각각에 대한 굴절률, 반사 계수 등과 같은 광학 특성 정보가 상이할 수 있다.
단계 520에서, 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 결정된 그룹에 관해 미리 설정된 렌더링 모델에 기초하여, 적어도 하나의 광원에 대한 객체의 광학 파라미터를 획득한다.
일 실시예에 따른 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 객체가 포함하고 있는 물질 각각의 광학 특성 정보를 조합하여, 객체에 포함된 물질의 특성에 따라 광학 파라미터를 획득하는데 필요한 렌더링 모델을 미리 저장할 수 있다.
3차원 객체 렌더링 장치(100)는 결정된 그룹에 관해 미리 설정된 렌더링 모델에 기초하여, 적어도 하나의 광원에 대한 객체의 광학 파라미터를 획득한다. 렌더링 하려고 하는 객체의 광학 파라미터를 획득할 수 있다. 여기에서, 광학적 특성 정보에는 객체의 굴절률 및 객체의 리듀스드 반사 계수(reduced alberdo)가 포함될 수 있다.
단계 530에서, 3차원 객체 렌더링 장치(100)는 적어도 하나의 광원에 대한 객체의 광학 파라미터를 이용하여 객체를 렌더링한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 3D 객체의 렌더링에 이용되는 파라미터는 객체 고유의 색상(이하,
Figure 112014079362815-pat00068
), 제 1 확산광(이하,
Figure 112014079362815-pat00069
), 제 2 확산광(이하,
Figure 112014079362815-pat00070
) 및 경면광(이하,
Figure 112014079362815-pat00071
)를 포함할 수 있다. 여기에서 제 1 확산광은 객체 표면의 확산광을 의미하고, 제 2 확산광은 반투명한 객체를 표현하기 위한 값이다.
3차원 객체 렌더링 장치(100)는 일 실시예에 따라 전술한 수학식 1에 기초하여, 객체의 렌더링을 수행할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예일 뿐, 본 발명의 객체를 렌더링 하는 방법이 수학식 1에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 장치는 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
본 발명에서 인용하는 공개 문헌, 특허 출원, 특허 등을 포함하는 모든 문헌들은 각 인용 문헌이 개별적으로 및 구체적으로 병합하여 나타내는 것 또는 본 발명에서 전체적으로 병합하여 나타낸 것과 동일하게 본 발명에 병합될 수 있다.
본 발명의 이해를 위하여, 도면에 도시된 바람직한 실시 예들에서 참조 부호를 기재하였ㄹ으며, 본 발명의 실시 예들을 설명하기 위하여 특정 용어들을 사용하였으나, 특정 용어에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 당업자에 있어서 통상적으로 생각할 수 있는 모든 구성 요소들을 포함할 수 있다.
본 발명은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단”, “구성”과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
100: 객체를 렌더링하는 장치
110: 결정부
120: 광학 파라미터 획득부
130: 렌더링부

Claims (5)

  1. 복수의 객체들 각각에 포함된 물질의 특성에 기초하여 분류된 적어도 하나의 그룹 중에서, 렌더링의 대상이 되는 객체에 대응되는 그룹을 결정하는 결정부;
    상기 결정된 그룹에 관해 미리 설정된 렌더링 모델에 기초하여, 밝기, 상기 객체와의 거리, 광원의 종류 및 집광점 중 적어도 하나가 서로 다른 복수개의 광원들 각각에 대한 광학 특성 정보를 획득하고, 상기 복수개의 광원들 각각에 대한 광학 특성 정보에 스펙트랄로(spectral) 정규화를 적용하여 적어도 하나의 광원에 대한 상기 객체의 광학 파라미터를 획득하는 광학 파라미터 획득부; 및
    상기 적어도 하나의 광원에 대한 상기 객체의 광학 파라미터를 이용하여, 상기 객체를 렌더링 하는 렌더링부를 포함하는 3차원 객체 렌더링 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광학 파라미터 획득부는,
    상기 객체에 포함된 적어도 하나의 물질들 각각에 대해 굴절률 및 반사 계수를 포함한 광학 특성 정보를 획득하고, 상기 적어도 하나의 물질들 각각에 대한 광학 특성 정보 및 상기 미리 설정된 렌더링 모델에 기초하여 상기 광학 파라미터를 획득하는 3차원 객체 렌더링 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광학 파라미터 획득부는,
    분광측색계를 이용하여, 획득한 상기 객체의 SCI(Specular Component Included) 및 SCE(Specular Component Excluded)를 기초로 상기 객체의 굴절률을 획득하고, 상기 SCE와 상기 객체의 굴절률에 몬테카를로 기법을 이용하여 리듀스드 반사 계수를 획득하는 3차원 객체 렌더링 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 광학 파라미터 획득부는,
    상기 객체의 굴절률을 계산하는 제 1 연산부;
    상기 객체의 흡수 계수와 리듀스드 산란 계수를 계산하는 제 2 연산부; 및
    상기 객체의 두께를 측정하는 제 3 연산부를 포함하고,
    상기 제 2 연산부는,
    광원에 대한 노출레벨 별로, 상기 객체에 대한 집광점의 영상을 적어도 하나 이상 촬영하는 촬영부; 및
    상기 적어도 하나 이상의 집광점의 영상을 HDRI(High Dynamic Range Image)로 병합하는 병합부를 포함하는 3차원 객체 렌더링 장치.
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