KR20060087631A - Single-rate geometry coding for 3d triangle meshes - Google Patents
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Abstract
3차원 도형은 애니메이션, 가상현실, 게임, 시뮬레이션, 의료영상 등 다양한 분야에서 새로운 미디어로 부각되고 있다. 3차원 도형은 기존의 소리(1차원), 이미지(2차원), 비디오(2차원+시간)데이터와 달리 기하학적 정보를 포함하고 있기 때문에 데이터의 크기가 거대하다. 소리(mpeg), 이미지(jpg,gif), 비디오(avi, mpeg)등에 적용됐던 기존 압축방법은 공간 정보를 고려하지 않기 때문에 3차원 데이터 응용시스템에서 요구하는 효율적인 처리와 동시에 보존해야 할 기하정보를 표현하기에는 효율적이지 못했다. 따라서 3차원 데이터 특성에 맞는 새로운 압축방법이 필요했고, 지난 수 년 동안 이를 위해 다양한 기법을 이용한 3차원 데이터 압축 프로그램들이 등장 하여 압축률을 점진적으로 개선시켜왔다. 본 발명은 이러한 거대한 3차원 메쉬 데이터 크기를 획기적으로 감소시켜 저장 및 전송을 용이하게 하는데 목적이 있다. 3차원 도형은 기본적으로 도형을 이루는 점들의 위치 정보(기하 정보)와 각 점들의 연결 상태를 표시하는 연결 정보로 구성되어있다. 3차원 도형을 압축할 경우 보통 압축 데이터의 10%를 연결 정보가 차지하고 나머지 90%가 기하 정보이다. 그러므로 기하 정보의 압축률이 전체 압축률에 끼치는 영향이 높다. 본 발명은 3차원 삼각 메쉬의 새로운 기하 정보의 단순 압축(Single-Rate Geometry Coding)기법으로 기하정보의 실수형 광역좌표값을 3차원 도형을 이루고있는 각각의 삼각면에 맞게 새로운 지역좌표계를 설정하여 실수형 지역좌표값으로 변환 한 후 정수형 값으로 정량화 (Localized Quantization)하는 방법이다. 본 발명은 현재까 지 최고의 압축률을 도출하는 방법으로 광범위하게 사용되고 있는 이스라엘의 Touma-Gotsman의 광역좌표 정량화 (Global Quantization) 방법 보다 20% 압축 효율을 높였다.
3차원 메쉬 압축(3D Mesh Compression) 단순 압축 (Single-Rate Compression), 삼각메쉬(Triangle Mesh).
Three-dimensional figures are emerging as new media in various fields such as animation, virtual reality, games, simulation, and medical imaging. Unlike the existing sound (one-dimensional), image (two-dimensional), and video (two-dimensional + time) data, the three-dimensional figure contains a huge amount of data. Existing compression methods applied to sound (mpeg), image (jpg, gif), video (avi, mpeg), etc. do not take into account the spatial information. It was not efficient to express. Therefore, a new compression method was needed to match the characteristics of three-dimensional data. For the past several years, three-dimensional data compression programs using various techniques have been introduced to improve the compression rate gradually. The present invention aims to drastically reduce such huge three-dimensional mesh data size to facilitate storage and transmission. The three-dimensional figure basically consists of position information (geometry information) of points constituting the figure and connection information indicating a connection state of each point. When compressing three-dimensional figures, connection information takes up 10% of the compressed data, and the remaining 90% is geometric information. Therefore, the influence of the compression rate of geometric information on the overall compression rate is high. The present invention sets up a new local coordinate system for each triangular plane that forms a three-dimensional figure of real-world wide coordinate values of geometric information using a single-rate geometry coding technique. Localized quantization is performed after converting to a real type local coordinate value. The present invention is 20% higher than the Touma-Gotsman's Global Quantization method, which is widely used as a method of deriving the best compression rate to date.
3D Mesh Compression Single-Rate Compression, Triangle Mesh.
Description
대표도 그림- 후면(Back Face)은 이미 처리된 면이고 이와 연결된 전면(Front Face)이 처리하여야 할 면이다. V0, V1은 전면과 후면에 동시에 속하므로 후면처리시 이미 압축되었으므로 Front Vertex만 압축하면 전면처리가 완료된다. 그러므로, 압축해야 하는 기하정보는 항상 두점 V0에서 V1방향으로 가는 선분인 게이트의 전면에 속한 Front Vertex의 공간상의 좌표값 (x, y, z)이다. 이 좌표값은 게이트와 Back Face(후면)를 기반으로 하는 새로운 지역 좌표계(Local Coordinate system)를 이용해서 표현할 수 있다.Representative diagram Figure-The back face is the face that has already been processed and the face that is connected to it is the face to be processed. Since V0 and V1 belong to the front and rear at the same time, it is already compressed at the rear processing, so only the front vertex is compressed to complete the front processing. Therefore, the geometric information to be compressed is always the spatial coordinate value (x, y, z) of the front vertex belonging to the front of the gate, which is a line segment going from two points V0 to V1. This coordinate value can be expressed using the new Local Coordinate system based on the gate and the back face.
도 1 은 3차원 삼각 메쉬의 한 예1 is an example of a three-dimensional triangular mesh
도 2 는 3차원 삼각 메쉬의 기하 정보 압축 시 압축 할 새로운 점을 발견 하였을 때의 상황을 설명하는 그림. 2 is a diagram illustrating a situation when a new point to be compressed is found when compressing geometric information of a three-dimensional triangular mesh.
도 3 은 본 발명을 구현압축 툴 그림3 is a compression tool for implementing the present invention
도 4 - 기하 데이터 압축을 위한 지역 분할 값을 넣는 화면 FIG. 4-Screen for Inserting Region Segmentation Values for Geometric Data Compression
도 5 - 압축 해제 후 3차원 메쉬Figure 5-3D mesh after decompression
1.발명의 목적1. Purpose of the invention
3차원 도형은 애니메이션, 가상현실, 게임, 시뮬레이션, 의료영상 등 다양한 분야에서 새로운 미디어로 부각되고 있다. 3차원 도형은 기존의 소리(1차원), 이미지(2차원), 비디오(2차원+시간)데이터와 달리 기하학적 정보를 포함하고 있기 때문에 데이터의 크기가 거대하다. 소리(mpeg), 이미지(jpg,gif), 비디오(avi, mpeg)등에 적용됐던 기존 압축방법은 공간 정보를 고려하지 않기 때문에 3차원 데이터 응용시스템에서 요구하는 효율적인 처리와 동시에 보존해야할 기하정보를 표현하기에는 역부족이다. 본 발명은 기존의 3차원 메쉬 기하 정보의 단순 압축 기법이 광역 좌표 정량화(Global Quantization)기법을 사용하여 불필요하게 많은 분할을 하여 압축률이 떨어지고 복원된 데이터와 원형 데이터간의 왜곡률도 심했던 것을 지역 좌표 정량화(Localized Quantization)방법을 사용하여 압축률도 획기적으로 향상시키고 왜곡률도 낮추었다. 이에, 본 발명은 3차원 삼각메쉬 데이터 저장에 필요한 메모리 요구량을 더욱 감소시키고 인터넷 및 인트라넷 상에서의 빠른 전송이 가능하도록 한다. Three-dimensional figures are emerging as new media in various fields such as animation, virtual reality, games, simulation, and medical imaging. Unlike the existing sound (one-dimensional), image (two-dimensional), and video (two-dimensional + time) data, the three-dimensional figure contains a huge amount of data. Existing compression methods applied to sound (mpeg), image (jpg, gif), video (avi, mpeg), etc. do not take into account spatial information. It is not enough to follow. According to the present invention, the conventional simple compression method of 3D mesh geometric information uses the global coordinate quantization technique to unnecessarily divide a lot so that the compression rate is low and the distortion rate between the restored data and the circular data is also severe. The localized quantization method is used to significantly improve the compression rate and reduce the distortion rate. Thus, the present invention further reduces the memory requirements for storing three-dimensional triangular mesh data and enables fast transmission over the Internet and intranets.
2. 기술 분야 및 종래 기술2. Technical field and prior art
3차원 센서 및 스캐닝 기술의 발전에 따라 정교하고 복잡한 3차원 데이터의 생성이 쉽게 이루어지고 있다. 그러나 이러한 3차원 데이터는 그 파일크기가 거대하여 저장 및 전송에 많은 어려움이 있다. 이로 인해 3차원 도형의 압축기술에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 인터넷 상에서의 3차원 도형의 빠른 전송을 위한 압축기술은 현재와 미래 인터넷 환경에 필수적인 기술이다. 지난 수년 동안 혁신적인 압축 기법들로 인해서 일반적인 데이터의 압축률이 빠르게 줄어드는 것을 목도 해 왔다. 그러나 3차원 데이터의 경우는 기존의 소리, 그림 혹은 비디오와 같은 미디어들에 비해 연구 성과가 상대적으로 적었다. 3차원 데이터는 기본적으로 각 점들의 위치(기하 정보)와 각 점들의 연결 상태(연결 정보)로 구성된다. 3차원 압축은 원형 데이터를 한번에 압축하는 단순압축(Single-Rate)과 기본도형을 압축 한 후 추가 사항을 부가적으로 압축 전송하는 점진적압축(Progressive)으로 나뉜다, 압축해제 후 복원된 데이터의 손실 정도에 따라 손실압축 및 무손실 압축으로도 분류된다. 단순 압축이 점진적 압축 보다 압축 효율이 좋다. 최근 수 년 동안 무손실 연결 정보 압축이 기존의 연구들의 주요 관심사가 되어왔고, Bit-Rate의 상한선도 연구 되었다. 현재까지는 3차원 데이터의 기하정보의 압축은 광역좌표 정량화(Global Quantization)을 이용하였다. [1] Deering논문은 점의 각 좌표 위치당 정밀도를 16bit로 제한 하는데, 경험적으로 한 점과 이웃 하고 있는 점간의 차이 16bit 보다 작기 때문이다. 최초 점의 위치만은 32bit로 지정한다. [2] IBM Taubin논문은 vertex spanning tree를 사용하여 tree에 존재하는 1,2,3,4 의Ancestor을 이용하여 각 점들의 위치를 예측할 수 있도록 하였다. 각각의 좌표는 8,10 혹은 12bit등의 고정된 수로 정형화 하여 예측된 위치와 원위치간의 차이를 압축한다. [3] Touma와 Gotsman(TG)의 논문에서는 기하 정보의 예측과 연계한 광역 정량화(Global Quantization)를 발표하였고 단순 압축 기법에서는 가장 많이 사용된 압축 방법이다. Touma-Gotsman이 Graphics Interface 98 Conference Proceedings에서 발표한 "Triangle Mesh Compression" 논문에서 사용 되었는데 3차원 메쉬를 포함하는 육면체(Bounding Box)를 정하고 그 육면체를 3차원 격자(Grid)로 분할을 한 후 실수형 좌표값과 가장가까운 정수형 격자값으로 변환하는 방법이다. 그러나 이 방법은 구현은 단순 하지만 격자들과 평행하지 않은 면들을 완벽하게 복원시킬 수 없기 때문에 왜곡이 심한 것이 단점이다. [4] 벡터 정량화(Vector Quantization)이 기법은 처리한 세 점들에 의해서 형성되는 모델 공간(model vector)으로 각각의 점들을 옮겨주는 방법을 제시 했다. 그로 인해 생긴 모델 공간 벡터들과 보정 벡터들(correction vector set)이 수정된 벡터 정량화 기법(modified vector quantization technique)을 이용하여 정량화 된다. 압축 결과가 TG의 값들과 비교 하였을 때 8bit 정량화의 경우만 조금 향상된 압축률을 나타낸다.
With the development of three-dimensional sensors and scanning technologies, the creation of sophisticated and complex three-dimensional data is easily achieved. However, these three-dimensional data has a huge file size has a lot of difficulties in storage and transmission. For this reason, researches on the compression technology of 3D figures have been actively conducted recently. Compression technology for fast transmission of 3D figures on the Internet is an essential technology for the present and future Internet environment. In the past few years, we have witnessed the rapid reduction in the compression rate of common data due to innovative compression techniques. However, in the case of three-dimensional data, the research results were relatively small compared to the media such as sound, pictures or video. Three-dimensional data basically consists of the position of each point (geometric information) and the connection state (connection information) of each point. Three-dimensional compression is divided into single-rate compressing circular data at once and progressive compression, which compresses and transfers additional items after compressing the basic shape. It is also classified into lossy compression and lossless compression. Simple compression is more efficient than progressive compression. In recent years, lossless connection information compression has been a major concern of previous studies, and the upper limit of Bit-Rate has been studied. Until now, global coordinate compression has been used to compress geometric information of three-dimensional data. [1] The Deering paper limits the precision for each coordinate position of a point to 16 bits, because empirically the difference between one point and the neighboring point is less than 16 bits. Only the position of the first point is designated as 32 bits. [2] The IBM Taubin paper used vertex spanning tree to predict the position of each point by using the 1,2,3,4 anchors in the tree. Each coordinate is standardized to a fixed number, such as 8, 10 or 12 bits, to compress the difference between the predicted position and the original position. [3] Touma and Gotsman (TG) 's paper presented global quantization in conjunction with the prediction of geometric information and is the most popular compression method in simple compression techniques. Touma-Gotsman was used in the "Triangle Mesh Compression" paper presented at the Graphics Interface 98 Conference Proceedings. This is a method of converting an integer grid value closest to a coordinate value. However, this method has the disadvantage of being severely distorted because it is simple to implement but cannot completely recover faces that are not parallel to the grids. [4] Vector Quantization This technique proposed a method of moving each point into a model vector formed by three processed points. The resulting model space vectors and correction vector sets are quantified using a modified vector quantization technique. The compression results show a slightly improved compression rate only for 8-bit quantification when compared with the values of TG.
참고 문헌references
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[TR98b] G. Taubin and J. Rossignac. Geometry Compression Through TopologicalSurgery. ACM Trans. on Graphics, 17(2):84-115, 1998.
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[TR00] G. Taubin and J. Rossignac. 3D Geometry Compression, 1999-2000. ACM Siggraph conference course notes.
[TR00] G. Taubin and J. Rossignac. 3D Geometry Compression, 1999-2000. ACM Siggraph conference course notes.
3. [TG98] C. Touma and C. Gotsman. Triangle Mesh Compression. Graphics Interface 98 Conference Proceedings
3. [TG98] C. Touma and C. Gotsman. Triangle Mesh Compression. Graphics Interface 98 Conference Proceedings
4. [LK00] Eung-Seok Lee and Hyeong-Seok Ko. Vertex data compression for triangle meshes. Proceedings of the 8th Pacific Graphics Conference on Computer Graphics and Application
4. [LK00] Eung-Seok Lee and Hyeong-Seok Ko. Vertex data compression for triangle meshes. Proceedings of the 8th Pacific Graphics Conference on Computer Graphics and Application
본 발명에서는 3차원 메쉬 데이터의 기하 정보를 단순 압축 및 해제하기 위해 실수형 광역좌표값을 지역좌표값으로 변환한 후 정량화(Local Quantization)하여 압축한다. 본 압축방법을 구현하기 위해서는 압축해야 하는 점을 위한 새로운 지역 좌표계(Local Coordinate)를 정의 하여야 하며, 이를 위해 새로운 좌표축 (x- 축 ,y-축 ,z-축)이 필요한다. 메쉬를 구성하고 있는 삼각형에 따라 가변적인 좌표축을 정의 하여야 한다. 또한, 이때 정교한 3차원 데이터에서 사용하는 점의 자료형이 double이기 때문에 소수점 이하 15 자리에서의 차이도 정확하게 구별 해 내어야 한다. 또한, 압축시에 사용한 지역 좌표값과 동일한 지역좌표값을 압축 해제시 정확하게 복원하여야 복원된 도형과 원형도형간의 왜곡률을 낮출 수 있다. 암호해제후 정량화된 정수값에서 실수형의 지역 좌표값을 오차 없이 복원해 주어야 하는 정밀 프로그램 기술이 필요하다.In the present invention, in order to simply compress and decompress geometric information of 3D mesh data, real-world wide coordinate values are converted to local coordinate values, and then quantized and compressed. To implement this compression method, a new local coordinate system must be defined for the point to be compressed, and new coordinate axes (x-axis, y-axis, and z-axis) are required for this purpose. You should define a variable coordinate axis according to the triangles that make up the mesh. In addition, since the data type of the point used in sophisticated 3D data is double, the difference in 15 digits after the decimal point must be accurately distinguished. In addition, the local coordinate values identical to the local coordinate values used at the time of compression must be correctly restored upon decompression to reduce the distortion rate between the restored figure and the circular shape. After decryption, there is a need for a precise program technique that must restore the real-type local coordinates from the quantified integer value without error.
3차원 삼각 메쉬 기하 정보의 단순 압축의 상세 설명Detailed explanation of simple compression of three-dimensional triangular mesh geometry
1. 지역 좌표계는 다음과 같이 정의 한다.1. The local coordinate system is defined as follows.
현재의 게이트(V0->V1)를 x-축으로 정의하고, V0를 지역 좌표계의 원점으로 한다. 지역 좌표계의 x-축을 단위 벡터(unit vector)로 변환 한 다음에 후 면(back face)의 법선(Normal) 벡터를 축으로 하여 90도 회전 시킨것을 지역 좌표계의 y-축으로 설정한다. 그리고 지역 좌표계의 x-축과 지역 좌표계의 y-축를 외적(Cross Product)하여 얻은 벡터를 z-축으로 설정한다. 각각의 지역 좌표계 축의 범위는 미리 알 수 없기 때문에 압축 전에 전처리과정으로 한번 지역좌표값의 범위를 조사하여 정량화(Quantization)를 위한 범위를 찾아 내야 한다.Define the current gate (V0-> V1) as the x-axis, and let V0 be the origin of the local coordinate system. Convert the x-axis of the local coordinate system to a unit vector and rotate it 90 degrees around the back face normal vector as the y-axis of the local coordinate system. Then, a vector obtained by cross product of the x-axis of the local coordinate system and the y-axis of the local coordinate system is set as the z-axis. Since the range of each local coordinate axis is not known in advance, the range of local coordinate values should be examined once before pre-compression to find the range for quantization.
2. 기하 정보 압축2. Geometry Compression
V0와 Front Vertex를 연결하는 벡터를 지역 좌표계의 각 축에 투사(projection)시켜 나온 지역 값을 원하는 정수값으로 분할 정량화 한다. 분할 값을 큰 값으로 설 정 할 수록 무손실 압축에 가깝게 된다. 분할 한 후 이 값을 이용하여 압축 해제 시 복원 될 값을 시뮬레이션 한다. 이 결과 찾아낸 시뮬레이션 Vertex값(즉 해제시 사용할 값을 압축시 미리 알 수있다)을 현재의 새로운 Front Vertex의 값으로 사용하여 압축을 계속하게 된다. 계산상의 오차가 축적되는 것을 방지하기 위하여 해제시뮬레이션을 반드시 해야 한다.
We divide and quantify the local value from the vector connecting V0 and the front vertex on each axis of the local coordinate system to the desired integer value. The larger the split value, the closer to lossless compression. After splitting, this value is used to simulate the value to be restored when decompressing. As a result, compression is continued using the found simulation vertex value (that is, the value to be used for decompression can be known in advance) as the value of the new front vertex. Release simulation must be performed to prevent the calculation errors from accumulating.
3 기하 정보 해제3 Geometry Release
3차원 삼각 메쉬 기하 정보의 해제는 압축 방법의 역순으로 처리 하면 된다.
Release of 3D triangular mesh geometry is done in the reverse order of compression.
전송의 경우 지금까지는 데이터의 크기가 클 경우 네트워크 대역폭을 넓혀 주는 방향으로 문제점을 해결 하였고, 저장의 경우에는 대용량의 저장 장치를 도입 하는 방향으로 해결을 하였으나,본 발명으로 3차원 도형데이터의 압축 크기를 획기적으로 감소시켜 저가 장비 및 기존의 대역폭으로도 인터넷에서 저장 및 전송을 가능하게 한다. 또한 애니메이션, 가상현실, 게임, 시뮬레이션, 의료영상 등 3차원 도형을 사용하는 분야에서도 많은 사용이 기대된다. In the case of transmission, the problem has been solved in the direction of widening the network bandwidth when the size of data is large, and in the case of storage, the solution has been solved in the direction of introducing a large capacity storage device. It dramatically reduces the cost of storage and transmission over the Internet, even with low-cost equipment and existing bandwidth. In addition, it is expected to use a lot in the field using 3D shapes such as animation, virtual reality, games, simulation, medical image.
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