KR20120070824A - Method for constructing a kd-tree based on polygon importance - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 렌더링 기법 중 광선 추적법에서 사용되는 교차 검사 가속화 자료 구조의 구성 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 연속되는 다수 개의 프레임들로 구성되는 동적인 장면들에 대하여 실시간으로 광선 추적법을 적용하는 경우 구축해야 될 교차 검사 가속화 자료 구조의 구성 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of constructing a cross-check acceleration data structure used in ray tracing among rendering techniques, and more particularly, to apply ray tracing in real time to dynamic scenes composed of a plurality of consecutive frames. How to construct a cross-check acceleration data structure that needs to be built.
렌더링 기술은 컴퓨터 그래픽스 장면의 3차원 디스크립션(description)을 2차원 영상으로 생성하면서 사실감을 부여하는 그래픽스 파이프라인의 최종 과정을 말한다. 이와 같이 가상의 3차원 장면을 사실적인 영상으로 생성하는 렌더링 기술은 실제 영화나 3차원 애니메이션 제작을 위해 반드시 필요한 기술이며 최근 하드웨어의 급속한 발전으로 인하여 게임 등의 실시간 응용에서도 적용되고 있다. Rendering technology refers to the final process of the graphics pipeline that gives reality while generating a three-dimensional description of a computer graphics scene as a two-dimensional image. As such, a rendering technology for generating a virtual 3D scene as a realistic image is a necessary technology for producing a real movie or 3D animation, and is recently applied to real-time applications such as games due to rapid development of hardware.
특히, 표면 렌더링은 각 픽셀에 채워질 색상을 결정하게 되는데, 빛과 반사되는 면 사이에 발생하는 여러 종류의 상호 작용에 의하여 픽셀의 색상이 결정된다. 이러한 표면 렌더링의 기법으로는 지역적 렌더링 및 전역적 렌더링이 있으며, 전역적 렌더링 기법에는 광선 추적법(ray tracing) 및 레이디오시티(radiosity) 가 있다. In particular, surface rendering determines the color to be filled in each pixel. The color of the pixel is determined by various kinds of interactions between the light and the reflective surface. Such surface rendering techniques include local rendering and global rendering, and global rendering techniques include ray tracing and radiosity.
광선 추적법은 광선과 다른 사물들과의 반사, 굴절, 투과 등의 결과를 추적하여 이미지를 생성하는 기법으로서, 이 과정에서 광선이 어떤 사물과 교차하는지 검사하는 것이 렌더링 속도에 많은 영향을 미치게 된다. 하나의 장면(scene)은 매우 많은 삼각형들로 이루어져 있는데, 광선 추적법은 먼저 장면을 구성하는 많은 삼각형들 중에서 주어진 광선과 가장 먼저 교차하는 삼각형을 찾아내야 한다. 이와 같이, 실시간 광선 추적법을 구현함에 있어서, 성능에 가장 큰 저하를 초래하는 부분은 임의의 광선에 대하여 가장 처음 교차하는 다각형을 찾아내는 연산이다. 이러한 교차 검사 연산을 빨리 처리하기 위하여 여러 가지 가속화 방법이 사용되고 있다. 일반적으로 해당 장면의 기하 특성을 파악하여 그에 맞게 교차 검사 가속화 자료 구조를 구성하고, 이를 이용함으로써 광선-다각형의 교차 계산을 최소화시키게 된다. 교차 검사를 가속화시키기 위한 가속화 자료 구조들로는 Kd-tree, Octree, BVH(Bounding Volume Hierarchies) 등이 있다. Ray tracing is a technique for generating an image by tracking the reflection, refraction, and transmission of a ray and other objects. In this process, checking which ray intersects a lot affects rendering speed. . A scene is made up of many triangles, and ray tracing must first find the triangle that intersects a given ray first among the many triangles that make up the scene. As such, in implementing the real-time ray tracing method, the portion that causes the greatest degradation in performance is the operation of finding the polygon that intersects the first ray for any ray. Various acceleration methods are used to quickly process such cross-checking operations. In general, the geometric characteristics of the scene are identified and cross-check acceleration data structures are constructed accordingly, thereby minimizing the calculation of ray-polygon intersection. Acceleration data structures to accelerate cross-checking include Kd-tree, Octree, and Bounding Volume Hierarchies (BVH).
한편, 연속되는 다수 개의 프레임들로 구성되는 동적인 장면에 대해 광선 추적하는 경우, 동적인 장면들은 장면의 특성이 지속적으로 변하게 되므로, 교차 검사 가속화 자료 구조를 매 프레임마다 다시 구성해야 된다. 종래의 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법들은 렌더링할 수 있는 시간의 한계로 인하여, 교차 계산을 최소화시킬 수 있는 최적의 교차 검사 가속화 자료 구조를 구성하지 못하고, 각 구현 환경에 맞도록 근사화된 교차 검사 가속화 자료 구조를 구성한다. 그 결과, 교차 계산의 효율은 떨어지지만 자료의 구성 시간을 최소화시킬 수 있는 근사화된 교차 검사 가속화 자료 구조를 생성하여 실시간 광선 추적법에 사용하게 된다. On the other hand, when ray tracing a dynamic scene composed of a plurality of consecutive frames, the dynamic scenes are constantly changing the characteristics of the scene, the cross-check acceleration data structure must be reconstructed every frame. Conventional cross-check acceleration data structure construction methods do not construct an optimal cross-check acceleration data structure to minimize cross calculation due to the limitation of time to render, and cross check acceleration approximated for each implementation environment. Construct a data structure. As a result, an approximate cross-check acceleration data structure can be generated and used for real-time ray tracing to reduce cross-computing efficiency but to minimize data construction time.
전술한 바와 같이 종래의 방법과 같이 근사화된 교차 검사 가속화 자료 구조를 사용하는 경우, 최적화된 교차 검사 가속화 자료 구조에 비해 상당히 좋지 않은 성능을 보여주게 된다. 특히, 장면의 복잡도가 증가할수록 성능 저하가 두드러지게 나타나게 되는 문제점이 있다. As described above, when using the approximated cross-check acceleration data structure as in the conventional method, the performance is significantly lower than that of the optimized cross-check acceleration data structure. In particular, as the complexity of the scene increases, there is a problem in that the performance deterioration is noticeable.
따라서, 실질적으로 동적인 장면에 대한 실시간 광선 추적법의 구현을 위하여, 제한된 시간내에 교차 검사 가속화 자료 구조를 구성하여야 될 뿐만 아니라 이를 이용한 광선 추적 비용을 최적화시킬 수 있는 교차 검사 가속화 자료 구조의 구성 방법이 절실히 요구되고 있다.
Therefore, in order to implement a real-time ray tracing method for a substantially dynamic scene, a cross inspection acceleration data structure must be constructed within a limited time as well as a construction method of the cross inspection acceleration data structure that can optimize the ray tracing cost using the same. This is urgently needed.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 동적인 장면들에 대하여 최적화된 교차 검사 가속화 자료 구조를 구성하는 방법을 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention to solve the above-mentioned problem is to provide a method of constructing an cross inspection acceleration data structure optimized for dynamic scenes.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은 연속되는 다수 개의 프레임으로 구성되는 동적인 장면에 대하여 광선 추적법을 적용함에 있어서 광선-다각형의 교차 계산을 최소화시키기 위한 교차 검사 가속화 자료 구조를 구성하는 방법에 관한 것으로서, (a) 렌더링할 장면을 구성하는 다각형 정보를 추출하고, 다각형들을 포함하는 바운딩 박스에 대한 표면적을 이용하여 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 설정하는 단계; (b) 상기 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 이용하여 첫번째 프레임에 대하여 광선-다각형 교차 검사하여 광선 추적을 수행함과 동시에 상기 수행된 광선 추적에 근거하여 상기 첫번째 프레임을 구성하는 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 저장하는 단계; (c) 상기 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 이용하여 상기 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 변형하여 교차 검사 가속화 자료 구조를 생성하는 단계; (d) 상기 교차 검사 가속화 자료 구조를 이용하여 다음 프레임에 대하여 광선-다각형 교차 검사를 수행하여 광선 추적을 수행함과 동시에 상기 수행된 광선 추적에 근거하여 해당 프레임을 구성하는 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 갱신하는 단계; (e) 상기 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 이용하여 상기 교차 검사 가속화 자료 구조를 갱신하는 단계; (f) 마지막 프레임에 도달할 때까지 상기 (d) 및 (e) 단계를 반복적으로 수행하는 단계;를 구비한다. A feature of the present invention for achieving the above technical problem is to construct a cross-check acceleration data structure for minimizing the calculation of the ray-polygon cross in the ray tracing method for a dynamic scene consisting of a plurality of consecutive frames A method comprising: (a) extracting polygon information constituting a scene to render and setting an initial cross check acceleration data structure using a surface area for a bounding box containing polygons; (b) ray-polygonal cross-checking of the first frame using the initial cross-check acceleration data structure to perform ray tracing and at the same time the importance measurement information for each polygon constituting the first frame based on the performed ray tracing; Storing the; (c) transforming the initial cross-check acceleration data structure using the importance measurement information for each polygon to generate a cross-check acceleration data structure; (d) Importance measurement information for each polygon constituting the frame based on the ray tracing while performing ray tracing by performing the ray-polygon intersection inspection on the next frame using the cross check acceleration data structure. Updating; (e) updating the cross check acceleration data structure using importance measurement information for each polygon; (f) repeatedly performing steps (d) and (e) until the last frame is reached.
본 발명의 다른 특징에 따른 교차 검사 가속화 자료 구조를 구성하는 방법은, (a) 렌더링할 장면을 구성하는 다각형 정보를 추출하고, 다각형들을 포함하는 바운딩 박스에 대한 표면적을 이용하여 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 설정하는 단계; (b) 상기 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 이용하여 첫번째 프레임에 대하여 광선-다각형 교차 검사하여 광선 추적을 수행함과 동시에 상기 수행된 광선 추적에 근거하여 상기 첫번째 프레임을 구성하는 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 저장하는 단계; (c) 상기 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보 및 다각형을 포함하는 바운딩 박스의 표면적 정보를 이용하여 상기 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 변형하여 교차 검사 가속화 자료 구조를 생성하는 단계; (d) 상기 교차 검사 가속화 자료 구조를 이용하여 다음 프레임에 대하여 광선-다각형 교차 검사를 수행하여 광선 추적을 수행함과 동시에 상기 수행된 광선 추적에 근거하여 해당 프레임을 구성하는 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 갱신하는 단계; (e) 상기 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보 및 다각형을 포함하는 바운딩 박스의 표면적 정보를 이용하여 상기 교차 검사 가속화 자료 구조를 갱신하는 단계; (f) 마지막 프레임에 도달할 때까지 상기 (d) 및 (e) 단계를 반복적으로 수행하는 단계; 를 구비한다. According to another aspect of the present invention, a method for constructing a cross-check acceleration data structure includes: (a) extracting polygon information constituting a scene to be rendered, and using the surface area of a bounding box including polygons to initialize the cross-check acceleration data. Establishing a structure; (b) ray-polygonal cross-checking of the first frame using the initial cross-check acceleration data structure to perform ray tracing and at the same time the importance measurement information for each polygon constituting the first frame based on the performed ray tracing; Storing the; (c) generating a cross-check acceleration data structure by modifying the initial cross-check acceleration data structure by using the importance measurement information for each polygon and the surface area information of the bounding box including the polygons; (d) Importance measurement information for each polygon constituting the frame based on the ray tracing while performing ray tracing by performing the ray-polygon intersection inspection on the next frame using the cross check acceleration data structure. Updating; (e) updating the cross-check acceleration data structure using importance measurement information for each polygon and surface area information of the bounding box including the polygon; (f) repeating steps (d) and (e) until the last frame is reached; Respectively.
전술한 특징들에 따른 구성 방법에 있어서, 상기 중요도 측정 정보는 광선 추적을 수행할 때 각 다각형이 광선과 교차한 빈도수를 포함하거나, 광선 추적을 수행할 때 각 다각형이 광선과 교차되는지를 검사한 교차 검사 빈도수를 포함하는 것이 바람직하다. In the configuration method according to the above-mentioned features, the importance measurement information includes checking the frequency at which each polygon intersects the ray when performing ray tracing, or checking whether each polygon intersects the ray when ray tracing is performed. It is desirable to include cross-check frequencies.
전술한 특징들에 따른 구성 방법에 있어서, 상기 교차 검사 가속화 자료 구조는 Kd-tree로 구성되고, Kd-tree의 각 노드에서, 그 노드에 해당하는 바운딩 박스 V를 2개의 바운딩 박스 VL과 VR로 나누어 자식 노드로 분할할 때, 상기 바운딩 박스 VL과 VR의 표면적 정보 및 각 다각형들에 대한 중요도 측정 정보들을 이용하여, 비용 함수 C(V,P)를 최소화시킬 수 있도록 하는 분할 평면 P를 찾는 것이 바람직하다. In the construction method according to the above-mentioned features, the cross-check acceleration data structure is composed of Kd-trees, and at each node of the Kd-tree, two bounding boxes V L and V corresponding to the node are bounding boxes. When dividing into R and dividing into child nodes, using the surface area information of the bounding boxes V L and V R and the importance measurement information for each polygon, the division plane to minimize the cost function C (V, P) It is desirable to find P.
본 발명에 따른 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법은 동적인 장면들이 유사한 프레임들이 연속되는 특성을 갖는 점을 이용하여, 이전 프레임에서의 교차 검사에 관여한 다각형들에 대한 광선 빈도수 또는 교차 검사 빈도수 등을 파악하고, 이들에 따라 각 다각형의 중요도 가중치를 제공하여 다음 프레임의 교차 검사 가속화 자료 구조를 갱신한다. The method for constructing the cross-check acceleration data structure according to the present invention uses the point that dynamic frames have similar characteristics of continuous frames, so that the ray frequency or the cross-check frequency of polygons involved in the cross-check in the previous frame can be determined. Updates the cross-check acceleration data structure of the next frame by identifying and providing the weight of importance for each polygon accordingly.
그 결과, 본 발명에 따른 구성 방법은 이전 프레임의 교차 검사 가속화 자료 구조를 갱신하여 사용함으로써, 광선 추적 속도를 향상시킬 수 있게 된다. As a result, the construction method according to the present invention updates the cross-check acceleration data structure of the previous frame to use the ray tracing. You can improve speed.
또한, 본 발명에 의해 구성된 교차 검사 가속화 자료 구조는 동적인 장면의 광선 추적에 최적화된 구조로서, 광선 추적의 비용을 최소화시킬 수 있다. In addition, the cross-check acceleration data structure constructed by the present invention is a structure optimized for ray tracing of dynamic scenes, and can minimize the cost of ray tracing.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법을 순차적으로 설명하는 흐름도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초기 Kd-tree 및 광선 추적법을 통한 각 리프 노드(leaf node)의 중요도에 따라 새롭게 구성한 Kd-tree를 예시적으로 도시한 것이다. 1 is a flowchart sequentially illustrating a method of constructing a cross-check acceleration data structure according to a preferred embodiment of the present invention.
(A) and (b) of FIG. 2 exemplarily show a newly constructed Kd-tree according to the importance of each leaf node through an initial Kd-tree and a ray tracing method according to a preferred embodiment of the present invention. It is shown.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법은 연속되는 다수 개의 프레임들로 이루어지는 동적인 장면들에 대하여 광선 추적법을 적용함에 있어서, 이전 프레임에서 발생한 각 다각형의 광선 빈도수 또는 광선 교차 검사 빈도수에 따라 각 다각형의 중요도 가중치를 설정하고, 연속되는 다음 프레임의 교차 검사 가속화 자료 구조는 상기 각 다각형의 중요도 가중치를 적용하여 이전 프레임의 교차 검사 가속화자료 구조를 갱신하여 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 이와 같이 이전 프레임의 교차 검사 가속화 자료 구조를 각 다각형의 중요도 가중치를 이용하여 갱신하여 사용함으로써, 교차 검사 가속화 자료 구조를 구성하는 속도를 향상시킬 수 있으며, 교차 검사 가속화 자료 구조를 이용한 광선 추적 비용을 최적화시킬 수 있게 된다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법을 구체적으로 설명한다. In the method of constructing the cross-check acceleration data structure according to the preferred embodiment of the present invention, in applying ray tracing to dynamic scenes composed of a plurality of consecutive frames, the ray frequency or ray intersection of each polygon generated in the previous frame is used. The importance weight of each polygon is set according to the inspection frequency, and the cross-check acceleration data structure of the subsequent frame is applied by updating the cross-check acceleration data structure of the previous frame by applying the importance weight of each polygon. . The present invention can improve the speed of constructing the cross-check acceleration data structure by updating and using the cross-check acceleration data structure of the previous frame using the importance weight of each polygon. Tracking costs can be optimized. Hereinafter, a method of constructing a cross-check acceleration data structure according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법을 순차적으로 설명하는 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 먼저, 광선 추적법을 수행할 전체 장면을 구성하는 다각형들에 대한 정보를 추출한다(단계 100).1 is a flowchart sequentially illustrating a method of constructing a cross-check acceleration data structure according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, first, information about polygons constituting an entire scene to perform ray tracing is extracted (step 100).
다음, 상기 다각형들에 대한 정보들을 이용하여, 다각형들을 포함하는 바운딩 박스에 대한 표면적에 기반을 둔 광선-다각형 교차 확률을 사용하는 표면적 분할(Surface Area Heuristic; 'SAH') 알고리즘을 적용하여 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 생성한다(단계 110). 본 발명에 따른 교차 검사 가속화 자료 구조는 Kd-tree, Octree, BVH(Bounding Volume Hierarchies) 등이 다양하게 사용될 수 있으나, 본 실시예에서는 가장 널리 사용되는 Kd-tree를 예를 들어 설명한다. 따라서, 상기 초기 교차 검사 가속화 자료 구조인 초기 Kd-tree를 구성한다. 초기 Kd-tree를 구성하기 위하여, 초기 Kd-tree의 주어진 노드에 대해 2개의 자식 노드(child-node)를 생성할 때, 즉 상기 노드에 해당하는 바운딩 박스(bounding box) V 를 2개의 자식 노드에 해당하는 VL과 VR로 분할할 때, 상기 바운딩 박스 VL과 VR의 표면적 정보들을 이용하여 수학식 1의 비용 함수 C(V,P)를 최소화시킬 수 있는 분할 평면(Partitioning Plane) P 를 찾게 된다. Next, using the information about the polygons, an initial intersection is applied by applying a Surface Area Heuristic (SAH) algorithm using a ray-polygon intersection probability based on the surface area of the bounding box containing the polygons. Create an inspection acceleration data structure (step 110). As the cross-check acceleration data structure according to the present invention, Kd-tree, Octree, Bounding Volume Hierarchies (BVH), etc. can be used in various ways. In this embodiment, the most widely used Kd-tree will be described as an example. Therefore, an initial Kd-tree which is the initial cross-check acceleration data structure is constructed. To construct an initial Kd-tree, when creating two child-nodes for a given node of the initial Kd-tree, i.e., bounding box V corresponding to the node, two child nodes. that when divided into V L and V R to a, the bounding box of V L and the cost function of equation (1) using the surface information of the V R C (V, P) separation plane (partitioning plane) to minimize the We find P.
여기서, C(V,P)는 바운딩 박스 V를 축에 수직인 분할 평면 P를 사용하여 두 개의 바운딩 박스 VR 과 VL로 분할할 때의 비용이며, Pr(V)는 임의의 광선이 해당 바운딩 박스 V와 교차할 확률에 대한 예측치로서, 수학식 2와 같이 전체 장면을 포함하는 바운딩 박스 VBB의 표면적에 대한 바운딩 박스 V 의 표면적(Surface Area)의 비율로 가정한다. CT는 Kd-tree 에 대한 한번 탐색 비용이며, CI는 한번의 광선-다각형 교차 검사 비용이며, TL과 TR은 각각 VL과 VR 의 내부에 존재하거나 교차하는 다각형의 개수를 나타낸다. VBB는 렌더링하고자 하는 전체 장면에 대한 바운딩 박스를 나타내며, SA(V)는 바운딩 박스 V의 표면적이며, RF(V)는 바운딩 박스 V의 총 광선 빈도(ray frequency)로서 바운딩 박스 V의 내부에 속하는 다각형에 대해 교차 검사를 수행한 회수의 총합이다. Where C (V, P) is the cost of dividing the bounding box V into two bounding boxes V R and V L using a split plane P perpendicular to the axis, where Pr (V) is an arbitrary ray As a prediction for the probability of crossing the bounding box V, it is assumed as a ratio of the surface area of the bounding box V to the surface area of the bounding box V BB including the entire scene as in Equation 2. C T is the cost of one search for Kd-tree, C I is the cost of one ray-polygonal intersection test, and T L and T R are the number of polygons that exist or intersect inside V L and V R , respectively. . V BB represents the bounding box for the entire scene to be rendered, SA (V) is the surface area of the bounding box V, and RF (V) is the total ray frequency of the bounding box V, which is inside the bounding box V. The total number of times the cross check was performed on a polygon to which it belongs.
수학식 1 및 2를 통해, 초기 Kd-tree를 구성할 때 사용되는 교차 확률 Pr(V)는 바운딩 박스의 표면적의 비율에 따라 결정되는 것임을 알 수 있다.
Through Equations 1 and 2, it can be seen that the crossing probability Pr (V) used when constructing the initial Kd-tree is determined according to the ratio of the surface area of the bounding box.
다음, 렌더링하고자 하는 동적인 장면들의 첫번째 프레임에 대하여 초기 Kd-tree를 이용하여 광선-다각형 교차 검사를 수행하여 광선 추적한다(단계 120). 광선 추적함과 동시에, 각 다각형과 광선의 교차 검사 관련 정보들을 저장하고, 이들을 이용하여 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 설정하여 저장한다(단계 130). 여기서, 상기 각 다각형과 광선의 교차 검사 관련 정보들은 광선 추적을 수행할 때 각 다각형이 광선과 교차한 광선 빈도수를 포함하거나, 광선 추적을 수행할 때 각 다각형이 광선과 교차되는지를 검사한 광선 교차 검사 빈도수를 포함할 수 있다. Next, ray tracing is performed by performing ray-polygonal intersection inspection on the first frame of the dynamic scenes to be rendered using an initial Kd-tree (step 120). Simultaneously with ray tracing, information related to the intersection inspection of each polygon and the ray is stored, and the importance measurement information for each polygon is set using these (step 130). Here, the information related to the intersection inspection of each polygon and the ray includes the ray frequency at which each polygon intersects the ray when performing ray tracing, or the ray intersection in which each polygon crosses the ray when ray tracing is performed. It may include the frequency of testing.
상기 중요도 측정 정보는 주어진 바운딩 박스 V에 대한 광선 빈도수 및 광선 교차 검사 빈도수 중 하나 또는 둘을 포함할 수 있다. 상기 바운딩 박스 V에 대한 광선 빈도수(ray frequency)는 바운딩 박스 V의 내부에 존재하는 각 다각형들과 교차하는 광선 빈도수의 합(合)으로 정의되며, 상기 바운딩 박스 V에 대한 광선 교차 검사 빈도수는 바운딩 박스 V의 내부에 존재하는 각 다각형들이 광선과 교차되는지를 검사한 광선 교차 검사 빈도수의 합(合)으로 정의된다. 상기 중요도 측정 정보들은 다음 프레임의 렌더링 성능에 직접적으로 영향을 미칠 다각형들에 대해 해당 광선 교차 검사 회수 또는 광선 교차 회수를 토대로 하여 다각형의 중요도를 설정하기 위하여 사용될 것이다. The importance measurement information may include one or both of the light frequency and the light cross inspection frequency for a given bounding box V. The ray frequency for the bounding box V is defined as the sum of the ray frequencies intersecting each polygon existing inside the bounding box V, and the ray cross-check frequency for the bounding box V is bounding. It is defined as the sum of the ray intersection inspection frequencies that check whether each polygon existing inside the box V intersects the ray. The importance measurement information will be used to set the importance of the polygon based on the number of ray intersection check times or the ray intersection times for polygons that will directly affect the rendering performance of the next frame.
다음, 상기 중요도 측정 정보들을 이용하여 초기 Kd-tree를 변형하여 새로운 Kd-tree를 생성한다(단계 140). 새로이 생성된 Kd-tree를 이용하여 다음 프레임을 광선 추적한다(단계 150). 광선 추적함과 동시에, 각 다각형과 광선의 교차 검사 관련 정보들을 다시 저장하고, 이들을 이용하여 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 재설정하고 저장한다(단계 160). Next, the new Kd-tree is generated by modifying the initial Kd-tree using the importance measurement information (step 140). Ray trace the next frame using the newly generated Kd-tree (step 150). Simultaneously with ray tracing, the intersection inspection information of each polygon and the ray is again stored and used to reset and store the importance measurement information for each polygon (step 160).
다음, 재설정된 중요도 측정 정보들을 이용하여 Kd-tree를 갱신한다(단계 170). 단계 150으로 되돌아가서 갱신된 Kd-tree를 이용하여 다음 프레임을 광선 추적(ray tracing)하고, 광선 추적함과 동시에, 각 다각형과 광선의 교차 검사 관련 정보들을 다시 저장하고, 이들을 이용하여 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 재설정하고 저장한다. 이러한 과정을 마지막 프레임까지 반복적으로 수행한다. 전술한 과정을 통해 광선 추적이 완료되면 완료된 이미지들을 버퍼에 저장시킨 후 종료한다. Next, the Kd-tree is updated using the reset importance measurement information (step 170). Returning to step 150, ray tracing the next frame using the updated Kd-tree, ray tracing, and at the same time re-save the information related to the intersection inspection of each polygon and the ray, and use them for each polygon. Reset and save the importance measurement information. This process is repeated until the last frame. When ray tracing is completed through the above-described process, the completed images are stored in the buffer and then terminated.
이하, 본 발명에 따른 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법에 있어서, 상기 중요도 측정 정보들을 이용하여 Kd-tree를 갱신하는 과정을 비용함수를 통해 설명한다. 먼저, 수학식 3 및 4와 같이, 바운딩 박스 V 의 표면적의 비율 및 광선 빈도수의 비율을 정의한다. Hereinafter, in the method for constructing a cross-check acceleration data structure according to the present invention, a process of updating a Kd-tree using the importance measurement information will be described through a cost function. First, as in Equations 3 and 4, the ratio of the surface area of the bounding box V and the ratio of the light frequency are defined.
다음, 상기 표면적의 적용 비율 및 광선 빈도수의 적용 비율을 결정하기 위한 가중치(α)를 사전에 미리 설정하고, 이를 이용하여 임의의 광선이 바운딩 박스 V와 교차할 확률 Pr(V)를 수학식 5와 같이 재설정한다. Next, the weight α for determining the application rate of the surface area and the application rate of the light frequency is preset in advance, and the probability Pr (V) at which an arbitrary ray intersects the bounding box V is calculated using Equation 5 Reset as
여기서, 상기 가중치(α)는 0<α≤1의 범위에서 결정되는 것이 바람직하며, α=1 인 경우 Pr(V)는 광선 빈도수만을 적용하여 결정될 것이며, α=0 인 경우 Pr(V)는 광선 빈도수가 적용되지 않고 표면적만을 적용하여 결정될 것이다. 따라서, α값에 따라 본 발명에 따른 광선 교차 빈도를 사용하는 방법과 종래의 SAH 방법에 대한 Kd-tree 구성 방법을 적절하게 혼합하여 사용하게 된다. 실험 결과, Kd-tree의 효율성은 하위 노드로 향할수록 SAH 위주의 형태로 구성하여야 좋은 결과를 보여주기 때문에, α값은 하위 노드로 갈수록 SAH의 비중이 더 크게 적용되도록 하는 것이 바람직할 것이다. Here, the weight α is preferably determined in a range of 0 <α ≦ 1, and when α = 1, Pr (V) may be determined by applying only the light frequency, and when α = 0, Pr (V) is The light frequency will not be applied and will be determined by applying only the surface area. Therefore, according to the α value, the method of using the ray crossing frequency according to the present invention and the Kd-tree construction method for the conventional SAH method may be appropriately mixed. As a result of the experiment, the efficiency of Kd-tree should be configured to be SAH-oriented toward the lower node. Therefore, it is desirable that the α value be applied to the lower portion of the SAH.
재설정된 교차 확률을 이용하여 비용함수 C(V,P)를 다시 정리하면 수학식 6로 표현할 수 있다. The cost function C (V, P) can be rearranged using the reset intersection probabilities.
상기 중요도 측정 정보인 광선 빈도수 또는 교차 검사 빈도수를 이용하여, 수학식 6으로 표현된 비용 함수 C(V,P)가 최소가 되도록 하는 분할 평면 P를 찾고, 그에 따라 교차 검사 가속화 자료 구조인 Kd-tree를 갱신한다. 이러한 과정을 통해, 광선 교차 계산에 관여하는 중요도가 높은 다각형은 Kd-tree의 상위 노드에 위치하도록 구축하게 된다. 도 2의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초기 Kd-tree 및 광선 추적법을 통한 각 리프 노드(leaf node)의 중요도에 따라 새롭게 구성한 Kd-tree를 예시적으로 도시한 것이다. Using the beam frequency or the cross-check frequency, which is the importance measurement information, a split plane P is found to minimize the cost function C (V, P) represented by Equation 6, and accordingly, Kd- Update the tree Through this process, the polygon of high importance involved in ray intersection calculation is constructed to be located at the upper node of Kd-tree. (A) and (b) of FIG. 2 exemplarily show a newly constructed Kd-tree according to the importance of each leaf node through an initial Kd-tree and a ray tracing method according to a preferred embodiment of the present invention. It is shown.
도 2의 (a)에 도시된 초기 Kd-tree는 모든 Leaf 노드들의 중요도와 무관하게 구성되므로, 광선 추적 비용이 증가하게 된다. 하지만, 도 2의 (b)에 도시된 본 발명에 따른 Kd-tree는 각 leaf 노드들의 중요도에 따라 서로 다른 깊이로 구성되므로, 광선 추적 비용을 최소화시킬 수 있게 된다. Since the initial Kd-tree shown in (a) of FIG. 2 is configured regardless of the importance of all the leaf nodes, the ray tracing cost is increased. However, since the Kd-tree according to the present invention shown in FIG. 2 (b) is composed of different depths according to the importance of each leaf node, the ray tracing cost can be minimized.
본 발명에 따른 방법은 광선 추적법에 사용되는 대부분의 광선-다각형 교차 검사 가속화 자료 구조에 적용되는 SAH 방법을 변형하여 사용하는 것이므로, Kd-tree 뿐만 아니라 BVH 방법을 사용하는 자료 구조에도 적용 가능할 것이다. 또한, 본 발명에 따른 구성 방법은 컴퓨터 그래픽 처리가 가능한 컴퓨터 그래픽 처리 시스템의 CPU에서 수행될 것이며, GPU(Graphics Processing Unit)에서도 수행가능할 것이다. Since the method according to the present invention is used by modifying the SAH method applied to most ray-polygon cross-check acceleration data structures used in ray tracing, it is applicable to data structures using BVH method as well as Kd-tree. . In addition, the configuration method according to the present invention may be performed in a CPU of a computer graphics processing system capable of computer graphics processing, and may also be performed in a graphics processing unit (GPU).
전술한 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Although the above-described present invention has been described with reference to the preferred embodiments, these are only examples and are not intended to limit the present invention, and those skilled in the art do not depart from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications are not possible. And differences relating to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the invention as defined in the appended claims.
본 발명에 따른 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법은 전역 렌더링에 있어서, 다수 개의 프레임들이 연속적으로 구성되는 동적인 장면들에 대하여 실시간으로 광선 추적법을 적용하는 경우 사용될 수 있다. The method for constructing a cross-check acceleration data structure according to the present invention can be used in global rendering when applying ray tracing in real time to dynamic scenes composed of a plurality of frames in succession.
Claims (10)
(a) 렌더링할 장면을 구성하는 다각형 정보를 추출하고, 다각형들을 포함하는 바운딩 박스에 대한 표면적을 이용하여 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 설정하는 단계;
(b) 상기 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 이용하여 첫번째 프레임에 대하여 광선-다각형 교차 검사하여 광선 추적을 수행함과 동시에 상기 수행된 광선 추적에 근거하여 상기 첫번째 프레임을 구성하는 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 저장하는 단계;
(c) 상기 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 이용하여 상기 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 변형하여 교차 검사 가속화 자료 구조를 생성하는 단계;
(d) 상기 교차 검사 가속화 자료 구조를 이용하여 다음 프레임에 대하여 광선-다각형 교차 검사를 수행하여 광선 추적을 수행함과 동시에 상기 수행된 광선 추적에 근거하여 해당 프레임을 구성하는 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 갱신하는 단계;
(e) 상기 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 이용하여 상기 교차 검사 가속화 자료 구조를 갱신하는 단계;
(f) 마지막 프레임에 도달할 때까지 상기 (d) 및 (e) 단계를 반복적으로 수행하는 단계;
를 구비하여 광선-다각형의 교차 계산을 최소화시키는 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법.
A method of constructing a cross-check acceleration data structure for minimizing ray-polygonal crossover calculation in applying ray tracing to a dynamic scene composed of a plurality of consecutive frames,
(a) extracting polygonal information constituting the scene to render and setting an initial cross-check acceleration data structure using the surface area for the bounding box containing the polygons;
(b) ray-polygonal cross-checking of the first frame using the initial cross-check acceleration data structure to perform ray tracing and at the same time the importance measurement information for each polygon constituting the first frame based on the performed ray tracing; Storing the;
(c) transforming the initial cross-check acceleration data structure using the importance measurement information for each polygon to generate a cross-check acceleration data structure;
(d) Importance measurement information for each polygon constituting the frame based on the ray tracing while performing ray tracing by performing the ray-polygon intersection inspection on the next frame using the cross check acceleration data structure. Updating;
(e) updating the cross check acceleration data structure using importance measurement information for each polygon;
(f) repeating steps (d) and (e) until the last frame is reached;
A method of constructing a cross-check acceleration data structure comprising: minimizing cross-computation of light-polygons.
(a) 렌더링할 장면을 구성하는 다각형 정보를 추출하고, 다각형들을 포함하는 바운딩 박스에 대한 표면적을 이용하여 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 설정하는 단계;
(b) 상기 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 이용하여 첫번째 프레임에 대하여 광선-다각형 교차 검사하여 광선 추적을 수행함과 동시에 상기 수행된 광선 추적에 근거하여 상기 첫번째 프레임을 구성하는 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 저장하는 단계;
(c) 상기 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보 및 다각형을 포함하는 바운딩 박스에 대한 표면적 정보를 이용하여 상기 초기 교차 검사 가속화 자료 구조를 변형하여 교차 검사 가속화 자료 구조를 생성하는 단계;
(d) 상기 교차 검사 가속화 자료 구조를 이용하여 다음 프레임에 대하여 광선-다각형 교차 검사를 수행하여 광선 추적을 수행함과 동시에 상기 수행된 광선 추적에 근거하여 해당 프레임을 구성하는 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보를 갱신하는 단계;
(e) 상기 각 다각형에 대한 중요도 측정 정보 및 다각형을 포함하는 바운딩 박스에 대한 표면적 정보를 이용하여 상기 교차 검사 가속화 자료 구조를 갱신하는 단계;
(f) 마지막 프레임에 도달할 때까지 상기 (d) 및 (e) 단계를 반복적으로 수행하는 단계;
를 구비하여 광선-다각형의 교차 계산을 최소화시키는 교차 검사 가속화 자료 구조 구성 방법.A method of constructing a cross-check acceleration data structure for minimizing ray-polygonal crossover calculation in applying ray tracing to a dynamic scene composed of a plurality of consecutive frames,
(a) extracting polygonal information constituting the scene to render and setting an initial cross-check acceleration data structure using the surface area for the bounding box containing the polygons;
(b) ray-polygonal cross-checking of the first frame using the initial cross-check acceleration data structure to perform ray tracing and at the same time the importance measurement information for each polygon constituting the first frame based on the performed ray tracing; Storing the;
(c) modifying the initial cross-check acceleration data structure by using the importance measurement information for each polygon and the surface area information of the bounding box including the polygon to generate a cross-check acceleration data structure;
(d) Importance measurement information for each polygon constituting the frame based on the ray tracing while performing ray tracing by performing the ray-polygon intersection inspection on the next frame using the cross check acceleration data structure. Updating;
(e) updating the cross-check acceleration data structure using importance measurement information for each polygon and surface area information for the bounding box containing the polygon;
(f) repeating steps (d) and (e) until the last frame is reached;
A method of constructing a cross-check acceleration data structure comprising: minimizing cross-computation of light-polygons.
3. The cross check acceleration data structure of claim 1 or 2, wherein the cross-check acceleration data structure consists of a Kd-tree, and at each node of the Kd-tree, a given bounding box V is divided into two child nodes, V L and V R. When dividing, using the surface area information of the bounding boxes V L and V R and the importance measurement information for each polygon, the dividing plane P can be found to minimize the cost function C (V, P). A method of constructing cross-check acceleration data structures that minimizes cross-computation of light-polygons.
여기서, C(V,P)는 바운딩 박스 V를 축에 수직인 분할 평면 P를 사용하여 두 개의 바운딩 박스 VR 과 VL로 분할할 때의 비용이며, Pr(V)는 임의의 광선이 해당 바운딩 박스 V와 교차할 확률에 대한 예측치이며, CT는 한번 탐색 비용이며, CI는 한번의 광선-다각형 교차 검사 비용이며, TL과 TR은 각각 VL과 VR 의 내부에 존재하거나 교차하는 다각형의 개수를 나타내며, VBB는 렌더링하고자 하는 전체 장면에 대한 바운딩 박스를 나타내며, SA(V)는 바운딩 박스 V의 표면적이며, RF(V)는 바운딩 박스 V의 총 광선 빈도(ray frequency)임. 7. The method of claim 6, wherein the cost function C (V, P) is calculated by the following equation.
Where C (V, P) is the cost of dividing the bounding box V into two bounding boxes V R and V L using a split plane P perpendicular to the axis, where Pr (V) is an arbitrary ray Is an estimate of the probability of intersection with the bounding box V, C T is the search cost once, C I is the cost of one ray-polygonal cross-check, and T L and T R are inside V L and V R , respectively, represents the number of intersecting polygons, V BB represents the bounding box of the entire scene to be rendered, SA (V) is the surface area of the bounding box V, RF (V) has a total light beam frequency of the bounding box V (ray frequency )being.
여기서, C(V,P)는 바운딩 박스 V를 축에 수직인 분할 평면 P를 사용하여 두 개의 바운딩 박스 VR 과 VL로 분할할 때의 비용이며, Pr(V)는 임의의 광선이 해당 바운딩 박스 V와 교차할 확률에 대한 예측치이며, CT는 한번 탐색 비용이며, CI는 한번의 광선-다각형 교차 검사 비용이며, TL과 TR은 각각 VL과 VR 의 내부에 존재하거나 교차하는 다각형의 개수를 나타냄.3. The method according to any one of claims 1 and 2, wherein the initial cross-check acceleration data structure consists of a Kd-tree, and at each node of the Kd-tree, a given bounding box V is assigned to two child nodes, V L and V. When dividing by R , the division plane P is found to minimize the cost function C (V, P) by using the surface area information of the bounding boxes V L and V R , and the cost function C (V). , P) is a method of constructing a cross-check acceleration data structure to minimize the cross-calculation of the light-polygon, characterized in that calculated by the following equation.
Where C (V, P) is the cost of dividing the bounding box V into two bounding boxes V R and V L using a split plane P perpendicular to the axis, where Pr (V) is an arbitrary ray Is an estimate of the probability of intersection with the bounding box V, C T is the search cost once, C I is the cost of one ray-polygonal cross-check, and T L and T R are inside V L and V R , respectively, Indicates the number of intersecting polygons.
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