KR20110071769A - 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법에 관한 것으로, 레이 마칭하는 단계에서 장면 범위 내의 마칭 위치에서 밀도 정보를 검출하는 단계, 검출된 밀도 정보에 따라 쉐이딩 값을 계산하는 단계, 및 광원과 각각의 마칭 위치에서 밀도가 있는 부분에 대하여 쉐이딩 값에 소실되는 값을 적용하여 누적된 밀도 정보에 근거하여 그림자 값을 계산하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 파티클의 밀도 정보를 이용한 구름 렌더링 과정에서 쉐이딩 값을 계산할 때 광원과 쉐이딩 위치까지의 누적 밀도율에 의한 그림자 정보를 함께 계산함으로써 그림자 정보를 계산하지 않는 방식에 비해 보다 사실적인 구름 렌더링이 가능한 이점이 있다.

Description

밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법{Method for generating shadow using particle density information}

본 발명은 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법에 관한 것으로, 특히 구름, 연기 등의 일정한 형태가 없는 비정형 매체를 렌더링할 때 그림자 정보를 함께 고려하여 보다 사실적인 표현을 나타내기 위한 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법에 관한 것이다.

본 발명은 문화체육관광부의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-045-04, 과제명: 기능 확장형 초고속 렌더러 개발].

일반적으로, 렌더링(Rendering)은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 모델로부터 영상을 만들어내는 과정을 말한다. 이때, 모델은 자료 구조나 정의된 언어로 만든 3차원 물체를 말한다. 컴퓨터 그래픽스 파리프라인에서 렌더링은 모델과 애니메이션에 최종 모습을 제공하는 마지막 단계로 컴퓨터 그래픽스가 점차 복잡하게 바뀌어감에 따라 사실적인 장면을 렌더링하기 위한 요구가 계속 강해지고 있으며, 이를 처리하는 것은 많은 계산시간을 필요로 하고 있다

한편, 비정형 매체란 물이나 불, 구름, 연기처럼 일정한 형태가 없는 물체를 의미한다. 비정형 매체의 경우, 각 매체 내의 각 세부 매체별로 전달 및 스캐터링이 발생하는 특성에 따라 일반 강체를 렌더링하는 것에 비해 복잡한 계산 과정을 거치게 된다.

게다가, 구름 렌더링의 경우, 일반 오브젝트에 대한 렌더링과 달리 구름을 구성하는 내부 파티클들이 입력으로 들어오는 빛을 전부 막는 것이 아니라 전달 및 스캐터링(scattering) 과정을 거치기 때문에 그림자 생성 과정에 많은 계산시간을 요구하게 된다.

구름에 대한 그림자를 생성하는 방법으로는 그림자 맵을 사용하는 방법이 있다. 이 경우, 카메라(그림자 카메라)를 광원에 놓고 그림자를 드리우는 오브젝트가 시야에 있도록 하여 각 픽셀이 가장 가까운 거리에 있는 표면의 깊이를 저장하는 사각형 픽셀 어레이의 그림자 맵을 만들고, 렌더링 과정에서 각 위치에서 체크된 깊이 정보가 그림자 맵의 깊이 정보와 비교되어 그림자를 생성하게 된다.

이 방식은 큰 오브젝트에 대한 그림자 렌더링은 잘 처리할 수 있으나 구름과 같은 세밀한 매체에 대한 표현은 잘 처리하지 못하고 있다.

기존의 구름 렌더링 방법에서는 광선 추적법을 사용하여 그림자를 생성하기도 하나, 광선 추적법의 경우에는 계산 시간이 너무 많이 걸린다는 단점이 있다.

상기한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 본 발명에서는 파티클들의 밀도 정보를 이용한 구름의 쉐이딩 과정에서 이미 계산되어 있는 구름의 밀도 정보를 이용하여 광원과 쉐이딩 위치까지의 누적 밀도율에 의한 그림자 정보를 계산함으로써 구름의 사실적인 그림자 표현을 빠른 시간 내에 계산할 수 있도록 하는 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법은, 파티클 데이터에서 탐색된 파티클 간 거리를 이용하여 밀도를 계산하는 단계, 포톤맵을 생성하여 스캐터링 하는 단계, 및 레이 마칭하는 단계를 포함하며, 상기 레이 마칭하는 단계는, 장면 범위 내의 마칭 위치에서 밀도 정보를 검출하는 단계, 검출된 상기 밀도 정보에 따라 쉐이딩 값을 계산하는 단계, 및 광원과 각각의 마칭 위치에서 밀도가 있는 부분에 대하여 쉐이딩 값에 소실되는 값을 적용하여 누적된 밀도 정보에 근거하여 그림자 값을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 파티클의 밀도 정보를 이용한 구름 렌더링 과정에서 쉐이 딩 값을 계산할 때 광원과 쉐이딩 위치까지의 누적 밀도율에 의한 그림자 정보를 함께 계산함으로써 그림자 정보를 계산하지 않는 방식에 비해 보다 사실적인 구름 렌더링이 가능한 이점이 있다.

또한, 본 발명은 쉐이딩 과정에서 이미 계산되어 있는 밀도 정보를 활용함으로써 그림자 생성 속도를 높일 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법에 관한 것으로서, 일정한 형태가 없는 비정형 매체를 렌더링할 때 사실적인 표현을 위해 그림자를 생성하는 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명의 실시예에서는 비정형 매체 중 구름의 그림자를 생성하는 방법에 대해 설명하도록 하나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법에 대한 전체 흐름을 설명하는데 참조되는 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법은 크게 밀도 계산 과정, 쉐이딩 계산 과정, 및 레디언스(Radiance) 계산 과정으로 이루어진다.

밀도 계산을 하기에 앞서, 구름에 대한 파티클(particle) 데이터를 수집한다(S100).

우선, 밀도 계산을 위해서는 파티클 데이터 중 일정 영역의 범위 내에 있는 파티클을 탐색한다(S200). 여기서, 일정 영역이라 함은, 파티클의 밀도를 샘플링하기 위한 샘플링 영역이다. 일 실시예로서, 도 2에 도시된 z 영역이 이에 해당될 수 있다.

도 2는 파티클들의 밀도 정보를 나타낸 것으로, 가로 및 세로 선이 교차하는 위치는 밀도를 샘플링하는 점을 나타내며, 짙은 색의 원 영역인 z 영역은 하나의 샘플링 위에서 밀도 정보가 계산되는 영역을 나타낸 것이다.

z 영역의 범위 내에 있는 파티클을 수집하면, 수집된 파티클 간 거리를 측정하고, 측정된 거리를 기반으로 하여 z 영역의 특정 위치에서 영향을 미치는 파티클들의 밀도를 계산한다(S300).

이후, 쉐이딩 및 레디언스 계산 과정으로서, 샘플링 영역에 대한 포톤맵(photon map)을 생성하고(S400), 샘플링 영역에서의 스캐터링 정보를 저장한다.

이때, 'S300' 과정에서 계산된 밀도 정보를 이용하여 멀티플 스캐터링을 계산하고(S500), 싱글 스캐터링을 계산한다(S600). 여기서, 멀티플 스캐터링의 경우 싱글 스캐터링에 비해 몇 배의 계산 시간이 소요되므로, 화질에 신경쓰지 않고 시간을 단축할 경우 'S500' 과정은 생략 가능하다.

또한, 'S300' 과정에서 계산된 밀도 정보와, 'S500' 및 'S600' 과정에서 계산된 스캐터링 정보를 이용하여 레이 마칭을 수행한다(S700).

이때, 레이 마칭을 수행하는 과정에서, 쉐이딩 값과 그림자 값을 계산하게 되는데, 그림자 값은 아이 레이(eye ray)를 따라 마칭(marching)을 하면서 밀도가 있는 부분에서 쉐이딩 값에 의해 소멸되는 값을 고려하여 계산한다.

이로써, 구름의 그림자를 포함하여 렌더링한 결과 이미지를 생성하게 된다.

도 3은 도 1의 레이 마칭 과정(S700)에 대한 세부 동작 흐름을 나타낸 것이다.

레이 마칭 과정(S700)을 수행하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 현재 레이 마칭을 수행할 마칭 위치에서 주변의 밀도 정보를 검출한다(S710). 이때의 밀도 정보는 도 1의 'S300'에서 계산된 밀도 정보를 이용한다.

이때, 'S710' 과정에서 검출된 밀도가 '0' 이하이면(S720), 레이 마칭을 수행할 마칭 위치를 샘플링 영역 내에서 다른 위치로 이동한다(S750, S760).

반편, 'S710' 과정에서 검출된 밀도가 '0'을 초과하면(S720), 해당 마칭 위치에서의 쉐이딩 값을 계산한다(S730). 또한, 쉐이딩 값을 계산함과 함께, 광원과 각각의 마칭 위치에서 누적된 밀도 정보에 근거하여 그림자 값을 계산한다(S740).

이때, 밀도가 있는 부분에 대하여 쉐이딩 값에 소실되는 값을 곱하여 계속 누적하게 된다. 해당 지점에서의 그림자 값을 얻기 위해서는 광원으로의 그림자 레이를 발생시키면서 레이상의 밀도 정보를 얻어와 이를 누적해가는 과정을 거치게 된다.

여기서, 누적 밀도를 계산하는 과정은 도 4 및 도 5를 참조하도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 누적 밀도를 계산하는 과정을 나타낸 순서도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 누적 밀도를 계산하기 위해서는 현재의 그림자 레이 위치에서 주변 밀도 정보를 검출한다(S900).

이때, 'S900' 과정에서 검출된 밀도가 '0'을 초과하면(S910), 현재 그림자 레이 위치에서의 주변 밀도값을 누적하고(S920), 도 5에 도시된 바와 같이, 그림자 레이의 위치를 광원 방향으로 일정 간격 이동시킨다(S930). 이후, 'S900' 이후의 과정을 반복하여 수행함으로써, 도 5의 'A' 내지 'N' 위치에서의 밀도값을 누적한다.

한편, 'S900' 과정에서 검출된 밀도가 '0' 이하이면(S910), 도 5에 도시된 바와 같이, 그림자 레이의 위치를 광원 방향으로 일정 간격 이동시킨 후(S930), 다시 'S900' 과정부터 다시 수행한다.

이렇게 해서, 쉐이딩 지점에서 광원 사이에 밀도 정보가 있는 모든 위치의 밀도 정보를 계속 누적하게 된다.

만일, 'S930' 과정에서 그림자 레이의 위치를 광원 방향으로 이동시킨 후의 위치가 광원의 위치인 경우, 즉 그림자 레이 위치가 광원에 도달한 경우에는(S940), 쉐이딩 지점에서 광원 사이의 최종 누적된 밀도 정보를 계산하고(S950), 종료한다.

도 5에 도시된 실시예를 적용한 그림자 레이에서 최종 누적 밀도를 계산하는 식은 [수학식 1]과 같다.

여기서, n은 'A' 내지 'N'의 개수를 의미한다.

또한, 그림자 레이에서 밀도의 중요도는 광원과 가까워질수록 감소하며, 그림자 레이상에서의 모든 밀도 정보에 중요도를 곱하여 모두 합한 후, n으로 나누어 누적 밀도율을 계산한다.

이러한 누적 밀도 정보는 이미지 합성 과정에서 반투명 표면과 앞 채널들의 부분 커버리지에 의해 빛이 감소되는 정도를 계산하는 알파채널과 유사한 역할을 하게 된다.

이때, 도 4에서 계산된 누적 밀도 정보는 도 3의 'S740' 과정에서 그림자 값을 계산하는데 이용된다.

그림자 값을 계산하는 과정(S740)은, 쉐이딩 되는 위치에서 광원까지의 여정에서 누적된 밀도 정보에 따라 광원의 세기 및 색 온도가 쉐이딩 위치까지 얼마나 도달할 수 있는지 계산한다.

또한, 광원의 세기와 색온도 정보에 더하여 그림자의 색상 및 농도가 결정되게 된다. 이때, 누적된 밀도 정보는 0과 1사이의 값을 가지게 되며 0에 가까울 수록 투명도가 높으며 옅은 그림자를 생성하고 1에 가까워질수록 투명도가 낮으며 진한 그림자를 생성하게 된다.

또한, 그림자 계산 과정에서 사용되는 누적 밀도 정보는 이미지 합성 과정에서 사용되는 알파채널과 유사한 역할을 하는데 알파 채널의 경우에도 반투명 표면과 앞 채널들의 부분 커버리지에 의해 빛이 감소되는 정도를 계산한다.

이 과정에서 새로운 레이를 계속 발생시키는 복잡한 과정을 거치지 않고 렌더링 초기 과정에서 기 계산한 밀도 정보를 활용함으로써 추가 소요시간이 크게 요구되지 않으면서 그림자 값을 계산할 수 있다.

이후, 계산된 그림자 값을 쉐이딩 정보에 더하여 최종 쉐이딩 값을 계산한다(S750).

레이 마칭 과정은 장면 범위 내에서 마칭 위치를 이동시키면서(S760), 마칭되는 위치가 장면을 벗어날 때까지 수행된다(S770).

이상에서와 같이 본 발명에 따른 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법은 상 기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법에 대한 전체 흐름을 설명하는데 참조되는 순서도이다.

도 2 는 파티클들의 밀도 정보를 나타낸 예시도이다.

도 3 은 도 1의 레이 마칭 과정에 대한 세부 동작 흐름을 나타낸 순서도이다.

도 4 는 본 발명에 따른 누적 밀도를 계산하는 과정에 대한 동작 흐름을 나타낸 순서도이다.

도 5 는 본 발명에 따른 누적 밀도를 계산하는 과정을 설명하는데 참조되는 예시도이다.

Claims (1)

1. 파티클 데이터에서 탐색된 파티클 간 거리를 이용하여 밀도를 계산하는 단계, 포톤맵을 생성하여 스캐터링 하는 단계, 및 레이 마칭하는 단계를 포함하며,

   상기 레이 마칭하는 단계는,

   장면 범위 내의 마칭 위치에서 밀도 정보를 검출하는 단계;

   검출된 상기 밀도 정보에 따라 쉐이딩 값을 계산하는 단계; 및

   광원과 각각의 마칭 위치에서 밀도가 있는 부분에 대하여 쉐이딩 값에 소실되는 값을 적용하여 누적된 밀도 정보에 근거하여 그림자 값을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀도 정보를 이용한 그림자 생성 방법.

Images