KR20050054730A - 색온도 조정 기능을 갖춘 에이치디알 영상 기반 쉐이더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 HDR(High Dynamic Range) 영상으로부터 조명 정보를 추출하고 이에 색온도(Color Temperature) 변화를 반영하여 삼차원 객체를 렌더링하는 일련의 쉐이더(Shader)들에 관한 것이다.

본 발명의 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더는, HDR 영상을 물체의 표면에 직접 반영하여 표현하는 HDRI 기반 표면 쉐이더와, 광원에 반영된 HDR 정보를 상용 렌더링 S/W의 전역 조영(Global Illumination) 기능과 함께 사용하여 특정 영역에서 조명 역할을 하는 HDRI 기반 광원 쉐이더와, HDR 영상의 조명 정보를 직사광(Directional Light)으로 근사해 환경을 렌더링하는 HDRI 근사 광원 쉐이더로 구성된다.

Description

색온도 조정 기능을 갖춘 에이치디알 영상 기반 쉐이더{HDRI-based Shaders with Color Temperature Control}

본 발명은 HDR 영상 기반 쉐이더에 관한 것이며, 보다 상세히는 부드러운 영상의 합성 및 렌더링을 위해 HDR 영상에 나타난 조명 정보를 활용하여 가상의 물체를 렌더링하고 더 나아가 색온도 조절 기능을 통해 다른 시간대, 다른 조명의 효과를 낼 수 있도록 하는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더에 관한 것이다.

일반적으로 렌더링(rendering)이란 그림자나 색상과 농도의 변화 등과 같은 3차원 질감을 넣음으로써 컴퓨터 그래픽에 사실감을 추가하는 공정을 가리키고, 쉐이더(shader)는 이러한 공정에 물체와 빛 사이의 관계를 가미하는 것으로 사용자의 의도에 따라 다양한 효과를 처리할 수 있도록 한다. 따라서, 쉐이더 옵션을 활성화시킨다면 질감 가속을 통해 보다 사실적인 그래픽 이미지를 감상할 수 있게 된다.

한편, 최근 들어, 가상 물체의 렌더링에 HDR 영상을 사용하는 것에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며 이에 따라 일반적인 영상(JPEG, BMP, TGA 등)을 사용하는 기존의 영상 기반 기술을 이용한 렌더링 결과보다 훨씬 더 사실적인 결과를 얻을 수 있다.

하지만, 종래 개발된 기술들은 HDR 영상에 색온도 기능을 추가하여 다양한 조명 효과를 표현한 경우가 없다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 HDR 영상으로부터 얻은 실세계 조명 정보에 색온도 정보를 추가하여 가상의 물체를 보다 사실적으로 렌더링하는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더를 제공하는데 있다.

특히, 본 발명의 목적은 한 픽셀에 대한 정보가 실수(Floating-point)로 표현되어지는 이미지인 HDR 영상(High Dynamic Range Images)을 이용함으로써 실세계에 존재하는 조명 정보를 충분히 렌더링에 반영하여 사실적 영상을 생성하고 노출 및 색온도 조정 기능을 제공하여 좀 더 다양한 조명 효과와 시간대를 표현할 수 있는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더를 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더는, HDR 영상을 분석하여 난반사/정반사 기본 영상을 생성한 후 물체의 표면 속성에 따라 혼합하고 색온도 기능에 따른 변동 사항을 반영하여 물체 표면의 색을 결정하는 HDRI 표면 쉐이더; 유한의 환경을 둘러싸는 가상의 HDR 공간을 형성한 후 조영 기능을 이용하고 색온도 변화를 반영하여 가상 환경의 렌더링에 영향을 미치게 하는 HDRI 광원 쉐이더; 및 HDR 영상에 나타나는 조명 정보를 다수의 직사광으로 근사한 후, 근사 직사 광원의 수만큼 광원의 세기 및 그 영향을 계산하고 HDR 영상에 나타난 조명 정보와 색온도 변화를 반영하여 렌더링을 수행하는 HDRI 근사 광원 쉐이더;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 색온도 조정 기능을 갖춘 HDRI 기반 쉐이더의 전체 시스템의 구성을 보여주고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 색온도 조정 기능을 갖춘 HDRI 기반 쉐이더(100)는, HDR 영상을 분석하여 난반사/정반사 기본 영상을 생성한 후 물체의 표면 속성에 따라 혼합하여 물체의 색을 결정하는 HDRI 표면 쉐이더(200)와, 유한의 환경을 둘러싸는 가상의 HDR 공간을 형성한 후 조명으로써 환경의 렌더링에 영향을 미치게 하는 HDRI 광원 쉐이더(300)와, HDR 영상에 나타나는 조명 정보를 다수의 직사광으로 근사하여 렌더링을 수행하는 HDRI 근사 광원 쉐이더(400)로 나누어진다.

즉, 상기 색온도 조정 기능을 갖춘 HDRI 기반 쉐이더(100)는, HDRI 기반 표명 쉐이더 기능과, HDRI 기반 광원 쉐이더 기능과, HDRI 기반 근사 광원 쉐이더 기능 등으로 구성한다.

상기에서, HDRI 표면 쉐이더(200)는, 난반사/정반사 기본 영상 획득모듈(Diffuse/Specular Basis Radiance Map module, 210)과 색온도 반영 렌더링 모듈(Color Temperature module, 220)을 포함하며, 상기 HDI 광원 쉐이더(300)는 전역 조영 정보 획득모듈(Global Illumination module, 310)과 색온도 반영 렌더링 모듈(Color Temperature module, 320)을 포함한다.

또한, 상기 HDRI 근사 광원 쉐이더(400)는 HDRI 근사 모듈(Approximating HDRI with Directional Lights module, 410)과 색온도 반영 렌더링 모듈(Color Temperature module, 420)로 구성된다.

이하에서는 도 2를 참조하면서 상기 각 HDRI 쉐이더들의 동작 구조에 대해 설명하도록 한다.

도 2를 참조하여 상기 쉐이더들의 동작에 대해 살펴보면, 렌더링하는 삼차원 공간의 한 점에서 해당 물체에 HDRI 표면 쉐이더(200)가 연결되어 있다면, 그 표면 쉐이더(200)를 호출하게 되고 표면 쉐이더 내에서는 해당 물체에 영향을 미치는 광원들에 대해 빛의 세기를 요청한다.

이때, 해당 물체에 영향을 미치는 광원(들)에 상기 HDRI 광원 쉐이더(300) 또는 상기 HDRI 근사 광원 쉐이더(400)가 연결되어 있다면, 그 연결된 광원 쉐이더가 호출되어 빛의 세기를 계산한 후 상기 표면 쉐이더(200)에게 넘겨준다.

이에 따라, 상기 HDRI 표면 쉐이더(200)는 각 광원으로부터 온 결과를 반영하여 최종 렌더링 영상에 그 지점이 어떻게 그려질 것인지를 결정한다.

상기 HDRI 표면 쉐이더(200)는 HDR 영상을 입력받아 난반사 속성을 표현하기 위한 기본 영상과 정반사 속성을 표현하기 위한 기본 영상을 생성한 후, 물체의 표면 속성에 맞게 두 영상을 혼합하고 색온도 기능에 따른 변동 사항을 반영하여 물체의 표면에서의 색을 결정하는 기능을 제공하며 관련 사용자 인터페이스를 지원한다. 각 세부 모듈(210 및 220)을 통한 최종 결과로서 HDR 영상에 나타난 조명 정보와 색온도 변화를 반영한 렌더링 영상을 얻게 된다.

상기 난반사/정반사 기본영상 획득모듈(210)은 입력으로 HDR 영상을 사용하여 색온도 반영 렌더링 모듈(220)에서 사용하기 위한 색 결정을 위해 HDR 영상의 난반사(diffuse) 및 정반사(specular) 기본 영상을 추출한다. 쉐이더는 물체 표면상의 특정 지점에서의 색 결정을 위한 모듈이므로, 난반사 및 정반사 영상을 미리 다 계산하기보다는 현재 쉐이딩하고 있는 지점에 대해서만 결정을 한다. 난반사 기본 값은 현재 렌더링 하는 물체의 한 지점에서 볼 수 있는 모든 방향의 HDR 영상 값을 가져와 평균을 취함으로써 얻을 수 있다. 정반사 기본 값의 경우는 현재 렌더링 하는 물체의 한 지점의 법선 벡터를 고려하여 정반사 방향의 HDR 영상 값이 큰 영향을 미치도록 코사인 값을 이용해 결정한다.

상기 색온도 반영 렌더링 모듈(220)은 쉐이딩 중인 물체의 난반사 및 정반사 성질을 고려하여 상기 난반사/정반사 기본영상 획득모듈(210)에서 계산한 두 기본 값을 혼합하여 색을 결정한다. 쉐이딩 중인 물체의 한 지점에서의 색이 결정되면 HDR 영상에 설정한 노출 값을 곱하여 노출 정도를 반영하고, 색온도 설정 값을 반영하여 최종 색을 결정한다. 색 온도의 반영은 다음 기준을 사용 가능하나, 기준 조명의 설정에 따라 달라질 수 있다.

아래의 기준은 태양광 6000K를 흰색으로 정하고 상대적으로 변형한 경우를 예시하고 있다.

"candle" 1900K RGB (1, 0.57647, 0.16078)

"tungsten40" 2600K RGB (1, 0.77254, 0.56078)

"tunsten100" 2850K RGB (1, 0.83921, 0.66666)

"halogen" 3200K RGB (1, 0.94509, 0.87843)

"carbon" 5200K RGB (1, 0.98039, 0.95686)

"highnoon" 5400K RGB (1, 1, 0.98431)

"sunlight" 6000K RGB (1, 1, 1)

"overcast" 7000K RGB (0.78823, 0.88627, 1)

"bluesky" 20000K RGB (0.25098, 0.61176, 1);

따라서, 색온도를 반영한 물체 표면의 한 지점에서의 최종 색은 다음과 같은 식 (1)으로 설명할 수 있다.

Color = Co*(Kd*DiffuseEnv+Ks*SpecularEnv)*exp(2,Exposure)*CT (1)

Co : 물체의 기본색

Kd : 물체의 난반사 상수

Ks : 물체의 정반사 상수

DiffuseEnv : 난반사 기본 값

SpecularEnv : 정반사 기본 값

Exposure : HDR의 노출값

CT : 색온도 변위 색

한편, 상기 HDRI 광원 쉐이더(300)는 HDR 영상을 입력받아 사용자가 지정하는 크기의 구 또는 육면체의 형태로 가상의 HDR 공간을 구성하고 상용 그래픽 S/W에서 제공하는 전역 조영(Global Illumination) 기능을 이용해 가상 환경을 렌더링하기 위한 기본 기능을 제공하며 관련 사용자 인터페이스를 지원한다. 또한, 각 세부 모듈(310, 320)을 통한 최종 결과로 HDR 영상에 나타난 조명 정보와 색온도 변화를 반영한 렌더링 영상을 얻게 된다.

환경을 구성하는 물체의 한 지점에서 해당 광원 쉐이더로 빛의 세기를 요청하면 다음과 같은 과정을 거쳐 쉐이더가 동작한다.

상기 전역 조영 정보 획득모듈(Global Illumination module, 310)은 사용자가 지정한 크기의 구 또는 육면체 형태로 HDR 영상이 환경을 둘러싸도록 설정을 한다. 이때, 구나 육면체는 실제 환경에 존재하지 않아도 되며, 내부적인 계산에 사용된다. 물체의 표면에서 법선 벡터를 중심으로 하는 반구의 모든 방향으로 광선을 쏴서 다른 물체와 만나는 지를 확인하고 안 만나면 HDR 구와 만나는 지점을 찾아 색을 가져온다. HDR로부터의 모든 색을 평균 내 빛의 색을 결정하고 다른 물체와 만난 광선의 수를 반영해 빛의 색을 감한다. 이는 그림자 효과를 내는 역할을 한다.

또한, 상기 색온도 반영 렌더링 모듈(Color Temperature module, 320)에서는 상기 전역 조영 정보 획득 모듈(Global Illumination module, 310)에서 계산한 색에 노출 값과 색온도 변위 값을 곱하여 색 조정을 수행한다.

한편, 상기 HDRI 근사 광원 쉐이더(400)는 HDR 영상을 입력받아 영상에 나타나는 조명 정보를 사용자가 지정하는 수만큼의 직사광으로 근사를 한 후, 환경의 물체로부터 광원 쉐이더로 빛의 세기에 대한 요청이 왔을 때 근사한 직사 광원의 수만큼 루프를 돌며 광원의 세기 및 그 영향을 계산하는 기능을 제공하며 관련 사용자 인터페이스를 지원한다. 각 세부 모듈(410,420)을 통한 최종 결과로 HDR 영상에 나타난 조명 정보와 색온도 변화를 반영한 렌더링 영상을 얻게 된다.

상기 HDRI 근사 모듈(Approximating HDRI with Directional Lights module, 410)은 입력으로 들어온 HDR 영상으로부터 지정된 수만큼의 직사 광원을 추출하는 기능을 수행한다. HDR 영상은 한 지점을 둘러싼 주변 환경을 대표하므로 각 픽셀을 방향으로 대체해서 생각할 수 있다.

이때, 입력된 HDR 영상 전체를 대상으로 광원을 탐색하면 수행 시간이 오래 걸리므로 고르게 샘플을 선택해 사용하는 것이 바람직하다. 먼저 사용자가 지정한 수 K 만큼의 초기 직사광 방향을 임의로 생성한 후, 각 샘플 방향들을 초기 직사광과의 각도를 이용해 그룹핑을 한다. 이러한 과정을 모든 샘플에 대해 수행하면 전체 HDR 영상은 K 개의 영역으로 나뉘어지고, 다시 초기 직사광 방향을 각 영역의 중심 백터로 업데이트한 후 앞의 과정을 반복한다. 이 과정을 사용자가 지정한 회수만큼 반복하거나 각 근사 결과 간의 차이가 미미할 때까지 반복하면 우리가 원하는 직사광들과 그 광원의 색들을 얻을 수 있다.

또한, 상기 색온도 반영 렌더링 모듈(Color Temperature module, 420)에서는 위의 결과로 나온 각 직사광의 색에 노출값과 색온도 변위 값을 곱해 새로운 색을 계산한 후, 모든 광원에 대해 루프를 돌며 물체에의 영향을 적용한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더는, 실물의 조명 환경을 재현하고 노출 및 색온도 조정을 통해 다양한 조명 및 시간대를 표현하는 기능을 포함함으로써 삼차원 공간을 구성하고 있는 다양한 환경, 물체, 조명을 실제와 가장 유사하게 만들 수 있게 한다.

또한, 본 발명에서 제안한 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더의 기능은 HDR 영상에 나타난 실세계 조명 정보를 활용한 사실적 렌더링을 통해 부드러운 합성이 가능하도록 할 뿐만 아니라, 색온도 기능의 추가로 다양한 조명 효과나 아침, 저녁 등 시간대의 표현까지도 가능하게 하는 렌더링 도구를 제공한다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 색온도 조정 기능을 갖춘 HDRI 기반 쉐이더 시스템의 블록 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 HDRI 기반 쉐이더들의 동작을 보여주는 도면.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

100: 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더

200: HDRI 표면 쉐이더

210: 난반사/정반사 기본영상 획득모듈

300: HDRI 광원 쉐이더 310: 전역 조영 정보 획득모듈

400: HDRI 근사 광원 쉐이더

410: HDRI 근사 모듈 220, 320,420: 색온도 반영 렌더링 모듈

Claims (7)

1. HDR 영상을 분석하여 난반사/정반사 기본 영상을 생성한 후 물체의 표면 속성에 따라 혼합하고 색온도 기능에 따른 변동 사항을 반영하여 물체 표면의 색을 결정하는 HDRI 표면 쉐이더;

   유한의 환경을 둘러싸는 가상의 HDR 공간을 형성한 후 조영 기능을 이용하고 색온도 변화를 반영하여 가상 환경의 렌더링에 영향을 미치게 하는 HDRI 광원 쉐이더; 및

   HDR 영상에 나타나는 조명 정보를 다수의 직사광으로 근사한 후, 근사 직사 광원의 수만큼 광원의 세기 및 그 영향을 계산하고 HDR 영상에 나타난 조명 정보와 색온도 변화를 반영하여 렌더링을 수행하는 HDRI 근사 광원 쉐이더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더.
2. 제 1항에 있어서, 상기 HDRI 표면 쉐이더는,

   입력되는 HDR 영상의 난반자 및 정반사의 기본 영상을 추출하는 난반사/정반사 기본영상 획득모듈과,

   쉐이딩 중인 물체의 난반사 및 정반사 성질을 고려하여 상기 난반사/정반사 기본영상 획득모듈로부터의 두 기본 영상값을 혼합하여 색을 결정한 후 노출 정도 및 색온도 설정 값을 반영하여 최종 색을 결정하는 색온도 반영 렌더링 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더.
3. 제 2항에 있어서, 상기 난반사/정반사 기본영상 획득모듈은,

   렌더링 대상 물체의 한 지점에서 볼 수 있는 모든 방향의 HDR 영상 값을 가져와 평균을 취하여 난반사 기본 영상값을 얻고, 렌더링 대상 물체의 한 지점의 법선 벡터를 고려하여 정반사 방향의 HDR 영상 값이 큰 영향을 미치도록 코사인 값을 이용하여 정반사 기본 영상값을 결정하는 것을 특징으로 하는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더.
4. 제 2항에 있어서, 상기 색온도 반영 렌더링 모듈은,

   색온도를 반영한 물체 표면의 한 지점에서의 최종 색은 다음의 수학식을 통해 결정하는 것을 특징으로 하는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더.

   [수학식]

   Color = Co*(Kd*DiffuseEnv+Ks*SpecularEnv)*exp(2,Exposure)*CT

   여기에서, Co: 물체의 기본색, Kd: 물체의 난반사 상수, Ks: 물체의 정반사 상수, DiffuseEnv: 난반사 기본 값, SpecularEnv: 정반사 기본 값, Exposure: HDR의 노출값, CT: 색온도 변위 색
5. 제 1항에 있어서, 상기 HDRI 광원 쉐이더는,

   사용자에 의해 지정되는 구 또는 육면체 형태의 유한 환경을 둘러싸는 가상의 HDR 공간을 형성한 후 물체의 표면에서 법선 벡터를 중심으로 하는 반구의 모든 방향으로 광선을 쏴서 가상 HDR 공간과 만나는 지점을 찾아 색을 가져오고, 모든 색을 평균하여 빛의 색을 결정하고, 다른 물체와 만난 광선의 수를 반영해 빛의 색을 감하는 전역 조영 정보 획득모듈과,

   상기 전역 조영 정보 획득모듈에서 계산된 색에 노출 값과 색온도 변위 값을 곱하여 색 조정을 수행하는 색온도 반영 렌더링 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더.
6. 제 1항에 있어서, 상기 HDRI 근사 광원 쉐이더는,

   입력된 HDR 영상으로부터 사용자 지정 수만큼의 직사 광원을 추출하고 각 광원의 색들을 얻는 HDRI 근사 모듈과,

   상기 HDRI 근사 모듈로부터의 각 직사광의 색에 노출값과 색온도 변위 값을 곱해 새로운 색을 계산한 후 모든 광원에 대해 루프를 돌며 물체에의 영향을 적용하는 색온도 반영 렌더링 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더.
7. 제 6항에 있어서, 상기 HDRI 근사 모듈은,

   사용자 지정 수만큼의 초기 직사광 방향을 임의로 생성한 후 각 샘플 방향들을 초기 직사광과의 각도를 이용해 그룹핑하여 전체 HDR 영상을 지정수만큼의 영역으로 구분하고, 초기 직사광 방향을 각 영역의 중심 백터로 업데이트한 후 앞의 과정을 소정 횟수 이상 반복하여 원하는 직사광들과 그 광원의 색들을 얻는 것을 특징으로 하는 색온도 조정 기능을 갖춘 HDR 영상 기반 쉐이더.