KR20090058687A

KR20090058687A - 저비용의 뷰-체적 클리핑 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20090058687A
Application number: KR1020070125401A
Authority: KR
Inventors: 조승현; 박성모; 엄낙웅
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-06-10
Also published as: KR100914915B1

Abstract

본 발명은 저비용의 뷰-체적 클리핑 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 뷰-체적 클리핑 방법은 뷰-체적(view-volume)의 원-근 평면에 대하여 원-근 클리핑(far-near clipping)을 행하는 단계; 상기 원-근 클리핑된 뷰-체적의 원-근 투영된 일 평면에서 뷰 포트의 수평 및 수직 좌표 경계를 기준으로 폴리곤을 설정하고 상기 폴리곤 주사화 시작점(x_i, y_i)을 결정하는 단계; 결정된 상기 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수평 방향 경계까지 상기 시작점과 수평 방향의 정점들을 주사화하는 단계; 및 상기 결정된 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수직 방향 경계까지 상기 시작점과 수직 방향의 정점들을 주사화하는 단계;를 포함한다.

상기와 같은 구성에 의하여, 폴리곤 설정 단계에서의 시작점 결정과 주사화 단계에서의 다음 주사화 위치의 결정에 뷰 포트의 경계를 고려함으로써, 클리핑 연산을 원-근 평면에 대해서만 행하고도 뷰-체적 클리핑이 가능하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 뷰-체적 클리핑 장치에 의하면, 일반적인 기존에 클리핑에 소요되는 시간 및 하드웨어의 비용을 감소시킬 수 있다.

뷰-체적 클리핑, 3D 그래픽, 주사화(rasterization)

Description

저비용의 뷰-체적 클리핑 방법 및 장치{A LOW COST VIEW-VOLUME CLIPPING METHOD AND AN APPARATUS THEREFOR}

본 발명은 그래픽 처리(graphics processing) 방법에 관한 것으로, 특히 클리핑(clipping) 처리 방법에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT 성장 동력 기술 개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-S-026-01, 과제명: MPCore 플랫폼 기반 다중 포맷 멀티미디어 SoC].

3차원(three-dimensional : 이하, "3D"라 함) 그래픽 기술은 멀티미디어(multimedia) 기기, 게임기, PC(personal computer) 등 화면을 통해 사용자와 대화하는 각종 기기에 널리 이용되고 있으며, 그 사용 범위가 점차 넓어지고 있는 추세이다. 3D 그래픽 처리 과정은 크게 기하 처리(geometry processing)와 주사선화(rasterization)의 두 단계로 나눌 수 있다. 기하 처리 단계는 변형(transformation), 라이팅(lighting), 클리핑(clipping), 투시 투영(perspective projection) 등의 처리를 포함하고, 주사선화 단계는 인터폴레이 션(interpolation), 텍스춰 매핑(texture mapping) 등의 처리를 포함한다.

이 중 이러한 3D 그래픽 처리의 과정 중 주요 과정을 도 1에 도시하는데, 도 1에는 정점 데이터(vertex data) 그룹에서 장면을 벗어나는 그룹을 삭제하는 클리핑(clipping) 블록과, 해당 시점에서 최종적인 각 정점들의 좌표값을 설정하는 뷰 포트 매핑 블록과, 각 폴리곤들의 외곽선(scanline)을 규정하는 폴리곤 설정 블록, 그리고 해당 폴리곤들을 픽셀화하는 주사화 블록을 도시한다.

여기서, "클리핑"은 관찰자가 3D 이미지를 보게 되는 가상 3D 공간인 디스플레이 영역에서 도 2에 도시하는 바와 같이 관찰자(220)의 눈의 위치를 꼭지점으로 하는 뷰-체적(view volume; 200a, 200b)의 외부에 있는 이미지는 제외시키고, 뷰-체적(200a, 200b) 내부에 있는 이미지는 포함시키며, 뷰-체적(200)의 경계면에 걸쳐 있는 이미지는 뷰-체적(200) 내부에 들어오는 부분만 남기고 잘라내는 작업을 말한다.

이 때 클리핑 처리 대상이 되는 이미지는 뷰-체적 안에 포함된 부분만을 주사화(rasterization)하기 위해 기하학적 단위인 폴리곤(polygon)들로 분해되어 처리되는데, 뷰-체적의 외부에 존재하는 정점(vertex)을 제거하고 이를 대신할 새로운 정점을 생성하는데 상당한 연산부하가 따르게 된다.

또한, 이러한 상당한 연산부하가 따르는 클리핑 처리를 뷰-체적의 6개의 평면(plane) 각각에 대해 별도 수행해야 하고, 또한, 클리핑 후 얻어지는 정점이 설정된 폴리곤의 연결성(connectivity)을 유지하도록 고려되어야 한다.

따라서, 이러한 종래의 클리핑 방법은 지연시간(latency) 및 하드웨어 측면에서 높은 비용을 야기하는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 클리핑 블록에서 뷰-체 적의 6개의 면에 대해 모두 클리핑을 행하는 대신 원-근 클리핑 평면(near-far clipping planes)에 대해서만 클리핑을 수행하고, 폴리곤 설정 블록과 주사화 블록에 간단한 기능을 추가함으로써 뷰-체적 전체의 클리핑의 연산량 및 소요 시간을 감소시키는 방법 및 장치를 제안한다.

따라서, 본 발명에 따른 뷰-체적 클리핑 방법은, 뷰-체적(view-voldume)의 원-근 평면에 대하여 원-근 클리핑(far-near clipping)을 행하는 단계; 상기 원-근 클리핑된 뷰-체적의 원-근 투영된 일 평면에서 뷰 포트의 수평 및 수직 좌표 경계 값을 기준으로 폴리곤을 설정하고 상기 폴리곤 주사화 시작점(x_i, y_i)을 결정하는 단계; 결정된 상기 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수평 방향 경계까지 상기 시작점과 수평 방향의 정점들을 주사화하는 단계; 및 상기 결정된 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수직 방향 경계까지 상기 시작점과 수직 방향의 정점들을 주사화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 뷰-체적 클리핑 장치(400)는, 정점 데이터 그룹을 입력받아 뷰-체적(view-volume)의 원-근 평면에 대해 원-근 클리핑(far-near clipping)을 행하는 클리핑 수단; 상기 원-근 클리핑된 뷰-체적의 원-근 투영된 평면을 뷰 포트 변환하는 수단; 상기 뷰 포트의 수평 및 수직 좌표 경계를 기준으로 폴리곤을 설정하고 폴리곤 주사화 시작점(x_i, y_i)을 결정하는 수단; 및 결정된 상기 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수평 또는 수직 방향으로의 주사화 진행 방향을 결정하고 상기 뷰 포트의 수평 또는 수직 좌표 경계까지 상기 폴리곤 정점들을 주사화하는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 뷰-체적 클리핑 방법에 의하면, 폴리곤 설정 단계에서 시작점 결정과 주사화 하는 단계에서 다음 주사화 위치의 결정에 뷰 포트의 경계를 고려함으로써 원-근 평면에 대한 클리핑 연산 만으로 뷰-체적 클리핑이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 뷰-체적 클리핑 방법에 의하면, 기존의 클리핑 처리에 소요되던 연산량을 감소시킬 수 있고, 또한 지연시간(latency) 및 하드웨어 측면에서 높은 비용을 야기하는 클리핑을 간단히 구현할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도 3 내지 도 5의 도면을 참조하여 본 발명에 따른 뷰-체적 클리핑 방법 및 이를 이용하는 뷰-체적 클리핑 장치를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 클리핑 장치(300)의 개략적인 구성도를 도시한다.

본 발명에 따른 그래픽 장치(300)는 클리핑(clipping) 수단(310)과, 벡터 데이터를 정규화하는 정규화 변환 수단(320), 해당 시점에서 최종적인 각 정점들의 좌표값을 설정하는 뷰 포트 매핑 수단(330)과, 각 폴리곤들의 외곽선(scanline)을 규정하는 폴리곤 설정 수단(340), 그리고 해당 폴리곤들을 픽셀화하는 주사화 수 단(350)을 포함한다.

여기서, 클리핑 수단(310)의 입력은 도 3에 도시하는 바와 같이 투영 변환(projection transform) 후 클립 좌표(clip coordinates)로 나타내어지는 정점 데이터(vertex data)이다. 이러한 클립 좌표에서 뷰-체적은 다음과 같이 정의될 수 있다.

-w_c ≤ x_c ≤ w_c

-w_c ≤ y_c ≤ w_c

-w_c ≤ z_c ≤ w_c

(여기서, x_c, y_c, z_c, w_c는 실수이며, x_c, y_c, z_c, w_c는 투영변환 후의 정점 좌표임)

그러므로, 뷰-체적의 6개의 평면의 방정식은 각각 다음과 같이 정의될 수 있다.

x_c = -w_c, x_c = w_c

y_c = -w_c, y_c = w_c

z_c = -w_c, z_c = w_c

(여기서, x_c, y_c, z_c, w_c는 실수이며, x_c, y_c, z_c, w_c는 투영변환 후의 정점 좌 표임)

이 중 z_c = w_c는 근 평면(near plane)에 해당하며 z_c = -w_c는 뷰-체적의 원 평면(far plane)에 해당한다. 도 2의 (a)와 (b)에 각각 직교 투영(orthogonal projection)의 뷰-체적에서의 원-근 평면(202a, 204a)과 원근 투영(perspective projection)의 뷰-체적에서의 원-근 평면(202b, 204b)을 도시하였다.

본 발명에 따른 클리핑 장치의 클리핑 수단(310)은 상기와 같이 원 평면 및 근 평면에 대하여 클리핑 연산을 행한다.

그리고, 정규화 변환 수단(320)과 뷰 포트 변환 수단(330)은 일반적인 종래의 정규화 변환 수단 및 뷰 포트 변환 수단과 동일한 기능을 수행하며, 이들 수단에 의해 3차원 정점의 좌표가 뷰 포트의 2차원 평면으로 매핑이 된다.

도 4에, 이와 같은 뷰 포트를 (0, 0), (0, H_s-1), (W_s-1, H_s-1) 및 (W_s-1, 0) ― 여기서, W_s는 디스플레이 화면의 해상도의 수평 너비, H_s는 디스플레이 화면의 해상도의 수직 높이 ― 의 네 점으로 이루어진 정방형으로 정의되는 것을 도시하는데, 본 발명에 따른 폴리곤 설정 수단(340) 및 주사화 수단(350)에서 상기의 뷰 포트의 경계를 이용하게 된다.

구체적으로, 폴리곤 설정(polygon setup) 수단(340)은 정점 데이터를 보간(interpolation)하기 위하여 필요한 연산을 행한다. 이 과정에서 폴리곤 설정(polygon setup) 수단(340)은 폴리곤을 이루는 정점들 중 x축 또는 y축 좌표값을 기준으로 화면 좌표(screen coordinates) 상의 주사화 시작점을 결정한다. 종래의 구현에서 주사화 시작점을 결정할 때에는 뷰-체적 6개면 모두에 대하여 클리핑을 행한 후이므로, 뷰 포트의 상, 하, 좌, 우 경계의 바깥쪽에 존재하는 정점들이 없지만, 본 발명에 따른 폴리곤 설정 수단(340)에 입력되는 정점은 원-근 평면에 대한 클리핑만이 행해진 입력값이므로 이들 정점은 뷰 포트 바깥쪽에 존재할 수도 있다. 따라서, 폴리곤 설정(polygon setup) 수단(340)은 뷰 포트의 상, 하, 좌, 우 경계를 고려하여 주사화 시작점을 결정한다.

보다 상세히, 상기 폴리곤을 '삼각형'으로서 예를 들어 설명하면, 삼각형을 이루는 세 개의 정점을 V₀(x₀, y₀), V₁(x₁, y₁), V₂(x₂, y₂)로 설정하고, y₀가 y₁과 y₂보다 크거나, y₁ 또는 y₂ 중 하나와 같고 나머지 하나보다는 크도록 하는 경우, 저비용의 클리핑 장치를 구현하기 위한 주사화 시작점(x_i, y_i)은 다음과 같이 정의된다.

x_i = [x₀], if 0 ≤ x₀ ≤ W_s

= 0, if x₀ < 0

= W_s-1, if x₀ ≥ W_s

이고, 여기서 대괄호는 소수부분 절사를 나타내는 것으로 n이 정수일 때, n ≤ x ≤ n+1인 모든 x에 대하여 [x]=n이며, W_s는 디스플레이 화면의 해상도의 수평 너비를 나타내고,

y_i = [y₀], if 0 ≤ y₀ ≤ H_s

= 0, if y₀ < 0

= H_s-1, if y₀ ≥ H_s

이고, 여기서 n ≤ x ≤ n+1인 모든 y에 대하여 [y]=n이며, H_s는 디스플레이 화면의 해상도의 수직 높이를 나타낸다.

다음, 주사화 수단(350)은 주사화 즉, 정점 데이터를 보간하여 픽셀 데이터를 생성하는 기능을 수행한다. 주사화 수단(350)은 현재 주사화 위치를 포함하는 라인 상에 존재하는 모든 픽셀을 생성한 후 다음 라인을 개시한다. 여기서는 앞서 기술한 폴리곤 설정 수단(340)과의 일관성을 유지하여 뷰 포트의 위쪽 라인에서 아래쪽 라인으로 내려오면서 주사화하는 주사화 수단을 가정한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 이와 같은 주사화 수단(350)의 동작의 흐름을 도 5에 도시한다.

먼저, 단계(S1)에서, 최초 시작 위치에 해당하는 픽셀 데이터를 계산하고 현재 위치에서 주사화를 수행한다.

다음으로, 단계(S2)에서 뷰 포트 경계를 고려하여 수평 이동 방향을 판단하한다. 이 때,

1) 현재 주사화 위치가 뷰 포트의 좌 경계 또는 우 경계 상이고, 현재 라인의 주사화가 완료되지 않았을 경우 반대편 진행 방향으로 수평 이동을 행한다;

2) 현재 주사화 위치가 뷰 포트의 내부이고 현재 라인의 주사화가 완료되지 않았을 경우 현재 진행 방향으로 수평 이동을 행한다. 그리고,

1) 현재 주사화 위치가 뷰 포트의 좌 경계 또는 우 경계 상이고, 현재 라인의 주사화가 완료되었을 경우;

2) 현재 주사화 위치가 뷰 포트의 내부이고 현재 라인의 주사화를 완료한 경우에 해당하면, 수직 이동을 행한다(S3).

따라서, 단계(S3)에서는 다음 주사화 위치가 뷰 포트의 하 경계를 벗어나거나 폴리곤이 속한 마지막 라인보다 아래인 지를 판단(S4)하여 참이면 해당 폴리곤에 대한 주사화를 완료하며 그렇지 않은 경우에는 다음 위치로 이동(S5)하여 주사화를 계속한다.

이상 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하였다. 그러나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어 여러가지 변형 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 3차원 그래픽 렌더링 과정의 일부를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 2a 및 2b는 뷰-체적을 예시하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 뷰-체적 클리핑 장치의 구성도이다.

도 4는 뷰 포트를 예시하는 도면이다.

도 5는 도 4의 주사화 수단의 동작의 흐름을 예시하는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

400 : 클리핑 장치 410 : 클리핑 수단

420 : 정규화 변환 수단 430 : 뷰 포트 매핑 수단

440 : 폴리곤 설정 수단 450 : 주사화 수단

Claims

뷰-체적(view-volume)의 원-근 평면에 대하여 원-근 클리핑(far-near clipping)을 행하는 단계;

상기 원-근 클리핑된 뷰-체적의 원-근 투영된 일 평면에서 뷰 포트의 수평 및 수직 좌표 경계를 기준으로 폴리곤을 설정하고 상기 폴리곤의 주사화 시작점(x_i, y_i)을 결정하는 단계;

결정된 상기 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수평 방향 경계까지 상기 시작점과 수평 방향의 정점들을 주사화하는 단계; 및

상기 결정된 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수직 방향 경계까지 상기 시작점과 수직 방향의 정점들을 주사화하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 뷰-체적 클리핑 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 폴리곤 주사화 시작점(x_i, y_i)은 :

x_i = [x₀], if 0 ≤ x₀ ≤ W_s

= 0, if x₀ < 0

= W_s-1, if x₀ ≥ W_s

(여기서 n이 정수일 때, n ≤ x ≤ n+1인 모든 x에 대하여 [x]=n이며, W_s는 디스플레이 화면의 해상도의 수평 너비를 나타냄)로서, 그리고

y_i = [y₀], if 0 ≤ y₀ ≤ H_s

= 0, if y₀ < 0

= H_s-1, if y₀ ≥ H_s

(여기서 n이 정수일 때, n ≤ x ≤ n+1인 모든 y에 대하여 [y]=n이며, H_s는 디스플레이 화면의 해상도의 수직 높이를 나타냄)로서 정의되는 것을 특징으로 하는 뷰-체적 클리핑 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수평 방향 경계까지 상기 시작점과 수평 방향의 정점들을 주사화하는 상기 단계는,

ㄱ) 현재 주사화 위치가 상기 뷰 포트의 좌 경계 또는 우 경계 상이고, 현재 라인의 주사화가 완료되지 않았을 경우 현재 주사화 진행 방향 반대 방향으로 수평 이동을 행하는 단계와,

ㄴ) 현재 주사화 위치가 상기 뷰 포트의 내부이고 현재 라인의 주사화가 완 료되지 않았을 경우 현재 주사화 진행 방향으로 수평 이동을 행하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 뷰-체적 클리핑 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 결정된 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수직 방향 경계까지 상기 시작점과 수직 방향의 정점들을 주사화하는 상기 단계는,

현재 주사화 위치가 상기 뷰 포트의 좌 경계 또는 우 경계 상이고, 현재 라인의 주사화가 완료되었거나, 현재 주사화 위치가 상기 뷰 포트의 내부이고 현재 라인의 주사화를 완료한 경우에 해당하면, 수직 이동을 행하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 뷰-체적 클리핑 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 수직 이동을 행하는 단계는 다음 주사화 위치가 뷰 포트의 하 경계를 벗어나거나 폴리곤이 속한 마지막 라인보다 아래인 지를 판단하여 참이면 해당 폴리곤에 대한 주사화를 완료하고, 그렇지 않은 경우에는 다음 위치로 이동하여 주사화를 계속하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 뷰-체적 클리핑 방법.
정점 데이터 그룹을 입력받아 뷰-체적(view-volume)의 원-근 평면에 대해 원-근 클리핑(far-near clipping)을 행하는 클리핑 수단;

상기 원-근 클리핑된 뷰-체적의 원-근 투영된 평면을 뷰 포트 변환하는 수단;

상기 뷰 포트의 수평 및 수직 좌표 경계를 기준으로 폴리곤을 설정하고 폴리곤 주사화 시작점(x_i, y_i)을 결정하는 수단; 및

결정된 상기 시작점(x_i, y_i)을 기준으로 상기 뷰 포트의 수평 또는 수직 방향으로의 주사화 진행 방향을 결정하고 상기 뷰 포트의 수평 또는 수직 좌표 경계까지 상기 폴리곤 정점들을 주사화하는 수단;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 뷰-체적 클리핑 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 폴리곤 주사화 시작점(x_i, y_i)은 :

x_i = [x₀], if 0 ≤ x₀ ≤ W_s

= 0, if x₀ < 0

= W_s-1, if x₀ ≥ W_s

(여기서 n이 정수일 때, n ≤ x ≤ n+1인 모든 x에 대하여 [x]=n이며, W_s는 디스플레이 화면의 해상도의 수평 너비를 나타냄)으로서, 그리고

y_i = [y₀], if 0 ≤ y₀ ≤ H_s

= 0, if y₀ < 0

= H_s-1, if y₀ ≥ H_s

(여기서 n이 정수일 때, n ≤ x ≤ n+1인 모든 y에 대하여 [y]=n이며, H_s는 디스플레이 화면의 해상도의 수직 높이를 나타냄)로서 정의되는 것을 특징으로 하는 뷰-체적 클리핑 장치.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

상기 주사화 수단은:

현재 주사화 위치가 상기 뷰 포트의 좌 경계 또는 우 경계 상이고, 현재 라인의 주사화가 완료되지 않았을 경우 현재 주사화 진행 방향과 반대편 진행 방향으로 수평 이동을 행하고,

현재 주사화 위치가 상기 뷰 포트의 내부이고 현재 라인의 주사화가 완료되지 않았을 경우 현재 주사화 진행 방향으로 수평 이동을 행하며,

현재 주사화 위치가 상기 뷰 포트의 좌 경계 또는 우 경계 상이고, 현재 라 인의 주사화가 완료되었을 경우 또는 현재 주사화 위치가 뷰 포트의 내부이고 현재 라인의 주사화를 완료한 경우이면 수직 이동을 행하도록 하여 상기 주사화 진행 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 뷰-체적 클리핑 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 폴리곤 설정 및 폴리곤 주사화 시작점 결정 수단에 입력되는 정점은 뷰 포트 바깥쪽에 존재하는 정점들을 포함하는 것을 특징으로 하는 뷰-체적 클리핑 장치.