KR20110070344A - 반투과성 객체의 렌더링 장치 및 방법 - Google Patents

반투과성 객체의 렌더링 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

구름으로 대표되는 반투과성 객체의 자연스럽고 효율적인 렌더링 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 장치는, 사용자가 지정한 빛의 산란모델을 수신하여 분석한 복수의 산란 정보를 생성하는 산란모델 분석부와, 이미지 렌더링을 위한 영상 데이터를 수신하여 영상 데이터 중 반투과성 객체 데이터 및 조명 데이터를 추출하는 데이터 분석부와, 반투과성 객체 데이터, 조명 데이터, 및 복수의 산란정보에 근거하여 반투과성 객체를 렌더링하는 렌더링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반투과성 객체의 렌더링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RENDERING SEMI-TRANSMISSIBLE OBJECT}
본 발명은 이미지 렌더링 시스템에 관한 기술이다. 더욱 자세하게는, 포톤 맵핑(Photon Mapping)을 이용한 반투과 객체를 렌더링하는데 있어서, 복잡한 계산을 거치지 않고 전체 반투과 객체 데이터를 렌더링할 수 있는 장치 및 방법에 관한 기술이다.
본 발명은 문화체육관광부의 IT성장동력기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다. [관리번호: 2006-S-045-04, 과제명: 기능 확장형 초고속 렌더러 개발]
최근 컴퓨터 성능의 향상에 따라서, 영상 데이터에 대한 분석 기술 역시 발전하고 있다. 특히, 3차원 컴퓨터 그래픽스(CG) 기술이 발달하고 있다. CG 기술은, 영화, 광고, 게임, 애니메이션과 같은 이미지를 사용할 수 있는 모든 분야에서 널리 사용되고 있다. CG 기술은 최근 실제 카메라로 촬영한 영상에 근접 또는 동일한 수준의 영상 생성이 가능할 정도로 발달되었으며, 이에 따라서 사실적인 영상 표현 기술이 연구되고 있다.
사실적인 영상을 표현하기 위해서는 대용량의 데이터가 필요하다. 또한, 영상 데이터를 기반으로 이미지를 렌더링하기 위해서는 고사양의 컴퓨터가 필요하다. 또한 기존의 이미지 렌더링을 위해서는 컴퓨터의 오랜 계산 시간 및 사용자의 작업 시간을 필요로 하여, 이를 해결하기 위한 기술의 필요성이 증가하고 있다.
특히 구름과 같은 반투과성 물질에 대한 렌더링 기법은 빛의 투과 및 산란에 대한 반응색을 사실적으로 표현해야 하기 때문에, 상기 기술의 필요성이 더욱 큰 상태이다. 반투과성 객체에 대한 렌더링 기술로는 포톤 매핑(Photon Mapping) 기술이 있다.
포톤 매핑 기술은 빛에 대한 정보를 3차원 기하 정보로부터 분리하여, 포톤맵(Photon MAP)이라는 자료 구조에 저장하는 방식을 말한다. 포톤 매핑은 빛 정보를 기하구조로부터 분리함으로써 표현을 간략화 할 뿐만 아니라 아주 복잡한 환경에서도 빛에 대한 정보를 이용할 수 있다. 이 기술은 현재 대부분의 상용 소프트웨어에서 제공되고 있으며 다양한 CG 애니메이션과 영화 VFX를 제작하기 위해 광범위하게 사용되고 있다. 또한 불, 연기 등과 같이 공간상의 매개물이 있는 경우나 물에 의한 산란 등을 표현하는 데도 사용된다.
상기 포톤 매핑 기술을 효과적으로 사용하기 위한 기술의 필요성이 증가하고 있다. 즉, 용량면에서의 효율성과, 복잡도 면에서의 용이성을 동시에 달성할 수 있는 포톤 매핑 기술을 사용한 반투과성 객체의 렌더링 기술이 필요해지고 있는 실정이다.
그러나 기존의 포톤 매핑 기술은, 사용되는 포톤의 밝기, 및 기본적인 색상 만을 이용하여 렌더링하기 때문에, 태양광에 의한 산란의 결과로 나타나는 노을, 채운(무지개 색의 구름)을 표현하기 위해서는 태양광의 각 스펙트럼 영역별로 여러 번 렌더링을 수행한 후 결과를 합성해야 한다는 문제점이 있었다.
상기 필요성에 대응하여, 본 발명은 구름 등 반투과성 객체가 포함된 영상 데이터를 렌더링하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다. 더욱 자세하게는, 빛의 밝기, 기본적인 색상만을 이용하여 렌더링 하는 데 비해서 용이하게 산란되는 빛의 색을 판단하여, 반투과성 객체의 렌더링에 적합한 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 장치는, 사용자가 지정한 빛의 산란모델을 수신하여 분석한 복수의 산란 정보를 생성하는 산란모델 분석부와, 이미지 렌더링을 위한 영상 데이터를 수신하여 영상 데이터 중 반투과성 객체 데이터 및 조명 데이터를 추출하는 데이터 분석부와, 반투과성 객체 데이터, 조명 데이터, 및 복수의 산란정보에 근거하여 반투과성 객체를 렌더링하는 렌더링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
추가적으로, 렌더링된 반투과성 객체를 이루는 요소에 관한 이미지 데이터를 저장 및 업데이트하여 완성된 반투과성 객체 이미지를 생성하는 렌더링 데이터 저장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 방법은, 데이터 분석부가 이미지 렌더링을 위한 영상 데이터를 수신하여 반투과성 객체 데이터 및 조명 데이터를 추출하는 단계; 산란모델 분석부가 사용자가 지정한 빛의 산란모델을 수신하는 단계; 산란모델 분석부가 수신한 산란모델을 분석하여 복수의 산란 정보를 생성하는 단계; 및 렌더링부가 반투과성 객체 데이터, 조명 데이터, 및 복수의 산란정보에 근거하여 반투과성 객체를 렌더링 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 렌더링 데이터 저장부가 렌더링된 반투과성 객체를 이루는 요소에 관한 이미지 데이터를 저장 및 업데이트하여 완성된 반투과성 객체 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 장치 및 방법에 의하면, 빛의 스펙트럼별로 반복적인 렌더링 및 합성 단계를 거치지 않고, 반투과성 객체의 내부에서의 산란에 대해서 사용자가 정의한 산란 모델만을 이용하기 때문에, 고속의 렌더링이 가능한 효과가 있다. 또한, 복잡한 렌더링을 거치지 않기 때문에, 렌더링의 용이성 면에서도 기존의 렌더링 방법에 비해서 향상된 효과를 기대할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 장치에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 다른 반투과성 객체의 렌더링 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 장치 는, 데이터 분석부(101), 산란모델 분석부(100) 및 렌더링부(102)를 포함한다.
데이터 분석부(101)는 이미지 렌더링을 위한 영상 데이터를 수신하여 영상 데이터 중 반투과성 객체 데이터 및 조명 데이터를 추출하는 기능을 수행한다.
영상 데이터를 이미지 렌더링을 위한 3차원 상의 영상에 대한 데이터를 의미한다. 예를 들어, 객체의 부피, 크기, 각 객체 요소의 3차원 상의 좌표 및 각 객체 요소에 대한 성질 정보 등이 포함될 수 있다. 각 객체 요소에 대한 성질 정보는 본 발명에서는 빛에 대한 반응, 예를 들어 투과 및 산란 정도에 대한 정보를 포함할 수 있다.
데이터 분석부(101)는 영상 데이터를 분석한다. 영상 데이터를 분석한 결과로서는 각 객체의 데이터 및 조명 데이터가 추출될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 반투과성 객체의 렌더링을 수행하는 것이므로, 영상 데이터 분석 결과 중 반투과성 객체의 렌더링 및 조명의 방향, 밝기, 세기 등을 포함하는 조명 데이터를 추출하게 된다.
반투과성 객체는 빛의 일부만을 투과하고 나머지는 산란시키는 예를 들어 반투명한 물체를 의미한다. 구름, 수증기, 연기 등이 그 예가 될 수 있다. 반투과성 객체는 빛의 산란에 의해서 색이 결정되며, 따라서 빛의 산란을 연산해야만 반응색이 결정되어 렌더링이 가능하다. 본 발명은 상기 반투과성 객체의 반응색을 간단한 함수에 의해서 결정할 수 있도록 함으로써, 반투과성 객체의 렌더링을 용이하게 하는 효과가 있다.
산란모델 분석부(100)는, 사용자가 지정한 빛의 산란모델을 수신하여 분석한 복수의 산란정보를 생성하는 기능을 수행한다. 사용자가 지정한 빛의 산란모델을 수신해야 하기 때문에, 산란모델 분석부(100)는 사용자 단말기(104) 또는 복수의 산란모델을 저장하는 외부 서버(도시되지 않음)에 연결되어 있을 수 있다. 외부 서버에 연결되어 있는 경우, 사용자는 미리 정해진 복수의 산란모델 중 원하는 것을 선택하는 것으로, 사용자가 지정한 빛의 산란모델을 대신할 수 있을 것이다.
산란모델 분석부(100)는 사용자가 지정한 빛의 산란모델로부터 복수의 산란정보를 생성한다. 복수의 산란정보란, 사용자가 설정한 산란 함수, 입자의 크기, 상, 및 사용자 팔레트를 의미한다.
입자의 크기는 반투과성 객체를 이루는 요소의 크기로서, 입자의 크기를 통해 렌더링의 세밀함을 결정할 수 있을 것이다.
입자의 상은 반투과성 객체가 유체, 고체, 또는 기체 중 무엇인지에 대해서 결정하는 정보이다. 또한 입자의 상에는 입자의 종류에 관한 정보가 포함되어 있을 수 있다.
사용자 팔레트는, 색의 범위를 지정하는 것으로, 각 색은 조도, 색도를 포함한 색의 정보 데이터에 따라서 인덱스화 된 정보를 의미한다. 따라서, 사용자 팔레트는 사용자가 반투과성 객체의 색을 정할 수 있으며, 정해진 색이 변할 수 있는 소정의 색의 범위 역시 사용자가 지정할 수 있다. 반투과성 객체를 어떤 물체로 할 지와, 빛의 산란에 의해 반응되는 색을 정하는 데 사용될 수 있다.
렌더링부(102)는 산란모델 분석부(100)및 데이터 분석부(101)와 연결되어 있다. 산란모델 분석부(100)로부터는 상기 언급한 복수의 산란정보를 수신한다. 데이 터 분석부(101)로부터는 반투과성 객체 데이터 및 조명 데이터를 수신한다.
렌더링부(102)는 복수의 산란정보 중 반투과성 객체의 입자의 크기 및 상에 근거하여 객체 요소를 정의한다. 그리고 전체 요소에 대하여 렌더링을 수행하게 된다. 본 발명의 실시 예에서 렌더링부(102)는 주로 반투과성 객체의 모든 요소에 대해 산란되는 빛의 색을 구하는 기능을 수행한다. 그러나, 렌더링의 특성상, 렌더링부(102)는 빛의 색 및 위치를 매핑하여, 반투과성 객체의 이미지를 생성하는 기능을 수행할 수도 있을 것이다.
렌더링부(102)는 입사된 빛과 현재 지점의 흡수 및 산란 반응에 따른 색을 결정하고, 현재 지점에서 산란되는 빛이 존재하는 경우에는 다음 반응 지점으로 산란되는 빛의 색을 결정한다.
렌더링부(102)가 반투과성 객체의 요소에 대해 산란되는 빛의 색을 구하는 과정은 다음의 식을 통해 이루어진다.
[수학식 1]
C = Cp( I(Lis) + O(W) + KPs)
수학식 1에서, C는 색의 값을 의미하는 인덱스 값으로, 상기 언급한 사용자 팔레트에서 지정된 반응색 별 인덱스와 동일하다. Cp는 사용자가 선정한 빛의 산란함수이다. 따라서 Cp(i)는 i를 인덱스 값으로 가지는 팔레트의 설정 색을 의미할 것이다.
Ps는 정규화된 입자의 크기를 의미하는데, 사용자의 설정에 의한 파티클의 크기를 입자의 성질에 따라 정규 분포화된 동질 입자의 크기 중 사용자가 설정한 것이다. Ps는 입자의 성질에 따른 동질 입자의 크기에 대한 정규화된 값으로 0을 초과하고 1 미만인 값으로 설정된다.
K는 입자의 상(고체, 액체, 또는 기체)에 따른 보정계수이다. Lis는 입사된 빛의 색을 의미한다. W는 페이즈 함수(Phase function)에 의해 결정된 빛의 방향을 의미하는 것으로, 입자의 성질에 따른 빛의 산란 방향을 의미한다. O(W)는 산란 각에 의한 인덱스 변위로서, W가 빛의 방향을 의미하므로, 빛의 방향에 근거한 반응색 인덱스의 변위를 의미한다. I(c)는 c의 색깔에 근사한 팔레트의 인덱스를 찾는 함수이다.
수학식 1의 함수에 따라서, 렌더링부(102)는 입사된 빛의 색, 입자의 크기, 빛의 산란정보, 입자의 상, 및 사용자 팔레트에 따라 현재 지점의 빛의 색깔을 결정하게 된다. 또한 현재 지점에서 산란되는 빛이 있는 경우, 현재 지점에서 산란되는 빛의 색, 산란정보에 근거하여 다음 반응 지점으로 산란되는 빛의 색을 결정할 수 있다.
렌더링부(102)에서는 사용자가 설정한 함수 및 변수에 근거하여 반투과성 객체의 요소를 용이하게 렌더링 할 수 있다. 따라서, 상기 언급한 종래의 기술을 사용했을 때 필요한 복잡한 계산이 없어도 되는 것이다. 렌더링부(102)는 반투과성 객체의 모든 요소에 대하여 사용자가 지정한 수학식 1의 함수를 이용하여 반투과성 객체의 반응색을 결정할 수 있기 때문이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 장치에는, 렌더링 데이터 저장부(103)가 포함될 수 있다. 렌더링 데이터 저장부(103)는, 렌더링부(102)에 의해 결정된 반투과성 객체 요소마다의 반응색 데이터를 저장한다. 렌더링 데이터 저장부(103)는 반투과성 객체 요소마다의 반응색을 계속 업데이트하여 저장해 둔다. 렌더링부(102)가 모든 반투과성 객체 요소마다의 반응색을 결정하게 되면, 렌더링 데이터 저장부(103)는 각 요소의 반응색을 결합하여 완전한 반투과성 객체의 반응색을 조합한 렌더링 이미지를 생성하게 되는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
먼저, 데이터 분석부(101)에서는 영상 데이터를 분석하여 객체 데이터 및 조명 데이터를 추출하게 된다. 본 발명의 실시 예에서 반투과성 객체는 구름으로 사용되고 있다. 따라서, 데이터 분석부(101)에서 추출하는 정보는 구름 데이터 및 조명 데이터(200)가 될 것이다.
사용자는 사용자 단말기(104)를 통해 사용자 지정 산란모델(201)을 입력하게 된다. 사용자 지정 산란모델(201)은, 사용자가 직접 산란모델을 디자인하는 특정 어플리케이션을 이용하여 제작할 수 있다. 또는, 상기 언급한 바와 같이 사용자는 외부 서버에 저장된 복수개의 산란 모델들 중 하나를 선택할 수 있으며, 산란모델 분석부(100)는 외부 서버로부터 사용자가 선택한 산란모델을 수신할 수 있을 것이다.
산란모델 분석부(100)는 사용자 지정 산란모델(201)로부터 복수의 산란정보 를 생성한다. 복수의 산란정보에는 입자의 크기(202), 입자의 상(203) 및 반응색에 대한 팔레트(204)가 포함될 수 있다. 반응색에 대한 팔레트(204)에는 상기 언급한 수학식 1이 포함되어 있을 수 있다.
렌더링부(102) 및 렌더링 데이터 저장부(103)은 수신한 구름 데이터 및 조명 데이터(200), 입자의 크기(202) 입자의 상(203) 및 반응색에 대한 팔레트(204)에 근거하여 구름 이미지를 렌더링하게 되는 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 방법에 대한 플로우차트이다. 이하의 설명에서, 도 1 내지 도 2에 대한 설명과 중복되는 부분은 설명을 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 방법은, 먼저 데이터 분석부(101)가 이미지 렌더링을 위한 영상 데이터를 수신하고(S1), 수신한 영상 데이터로부터 반투과성 객체에 관한 데이터 및 조명 데이터를 추출하는 단계(S3)를 수행한다. 본 발명의 실시 예에서 반투과성 객체는 구름을 의미하므로, S3단계는 구름 데이터 및 조명 데이터를 추출하는 단계가 될 것이다.
산란모델 분석부(100)는, 사용자 단말기(104)로부터 사용자 지정 산란모델을 입력받게 된다(S2). 산란모델 분석부(100)는 수신한 사용자 지정 산란모델을 분석하여, 복수의 산란 정보를 생성하는 단계(S4)를 수행한다. 본 발명의 실시 예에서 복수의 산란 정보는, 입자의 크기, 입자의 상, 및 반응색 팔레트를 포함한다. 반응색 팔레트에는 사용자 지정 함수인 수학식 1의 함수가 포함되어 있을 수 있다.
렌더링부(102)는, 구름 데이터에 조명 데이터 및 산란모델(즉, 산란모델에 포함된 수학식 1을 포함한 복수의 산란정보들)을 적용하여 각 구름의 요소에 대해 렌더링하는 단계(S5)를 수행한다.
본 발명의 다른 실시 예에서는, 렌더링 데이터 저장부(103)가 상기 S5단계를 모든 구름 데이터의 요소에 대해서 적용하는 단계(S6)를 수행하게 된다. 만약 모든 구름 데이터에 대한 렌더링이 완료되면, 반응 데이터, 즉 생성된 모든 구름 데이터의 요소에 대한 반응색 데이터를 결합한 데이터를 생성하게 된다(S7). 즉, 반투과성 객체의 요소에 대한 반응색을 결합하여 완전한 반투과성 객체의 이미지 렌더링을 완료하게 되는 것이다. 상기의 작업은 모든 구름 데이터의 요소에 대한 반응색에 대한 데이터가 S5 단계에 의해 생성될 때 마다, 렌더링 데이터 저장부(103)가 반응색에 대한 데이터를 계속 저장 및 업데이트 하는 과정 및 전체 반응색 데이터를 결합하는 과정에 의해 이루어진다.
본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 장치 및 방법에 대한 설명은 오로지 설명적인 용도로만 사용되어야 하며, 본 발명의 특허청구범위가 본 발명의 실시 예에만 국한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리범위에 속할 것임은 당연할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 다른 반투과성 객체의 렌더링 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시 예에 따른 반투과성 객체의 렌더링 방법에 대한 플로우차트이다.

Claims (1)

  1. 사용자가 지정한 빛의 산란모델을 수신하여 분석한 복수의 산란정보를 생성하는 산란모델 분석부와,
    이미지 렌더링을 위한 영상 데이터를 수신하여 상기 영상 데이터 중 반투과성 객체 데이터 및 조명 데이터를 추출하는 데이터 분석부와,
    상기 반투과성 객체 데이터, 상기 조명 데이터, 및 상기 복수의 산란정보에 근거하여 상기 반투과성 객체를 렌더링하는 렌더링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반투과성 객체의 렌더링 장치.
KR1020090127144A 2009-12-18 2009-12-18 반투과성 객체의 렌더링 장치 및 방법 KR20110070344A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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