KR20130073523A - 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

컴퓨터 그래픽스의 주요한 목표 중 하나인 구축하고자 하는 시스템의 사실성을 높이면서 동시에 효율적인 처리를 가능하게 하는 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법에 관한 것으로, (a) 나무 가지의 재귀적 계층 구조 설계를 마련하는 단계, (b) 현재 단계에서 새로운 가지를 얼마나 생성할지를 결정하는 단계, (c) 가지 성장 방향을 계산하는 단계, (d) 부모 가지로부터 새 가지를 생성하는 단계 및 (e) 후보 싹과 성장 공간을 형성하여 가지를 생성하는 단계를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법을 이용하는 것에 의해, 사용자가 보다 쉽고 직관적으로 표현하고자 하는 나무를 다양하면서 사실적으로 생성하게 하고, 실시간 시스템에서 많은 수의 복잡한 나무를 효율적으로 처리할 수 있다.

Description

사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법{Realistic and Real-Time Modeling System and Method thereof}
본 발명은 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 컴퓨터 그래픽스의 주요한 목표 중 하나인 구축하고자 하는 시스템의 사실성을 높이면서 동시에 효율적인 처리를 가능하게 하는 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
또, 본 발명은 나무 모델링 및 표현과 관련된 다양한 접근 방법을 토대로 넓은 지형 위의 많은 수의 나무를 사실적이고 효율적으로 생성 및 표현하는 성장 환경을 활용한 나무 모델을 제안한 사실적인 실시간 모델링 기법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 실시간 모델링 방법을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
일반적으로 나무와 같은 자연물은 그래픽스 기반 3차원 콘텐츠의 사실성을 높이는 중요한 요소 중 하나인데 사실성 향상을 위해 시스템에 적합한 나무 모델을 매번 새롭게 제작하고 제작된 많은 수의 복잡한 나무 모델을 효율적으로 드로잉 처리하는 과정은 다소 어려움이 따른다. 이러한 이유로 나무를 보다 쉽게 사실적으로 제작하고 효율적으로 렌더링하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.
나무 모델을 표현하는 일반적인 방법으로 가지 증식을 비롯한 나무 성장에 관련된 규칙을 정의하여 모델링하는 규칙 기반 모델링 방법이 있다. L-system이 이에 해당하며 가지의 각도, 길이 비율과 같은 기하학적 속성으로 정의되는 가지의 재귀적 구조로부터 나무를 모델링하는 방법, 식물학적 가설을 기반으로 자기조직화를 통한 나무 모델링 방법 등이 있다.
뿐만 아니라 가지 증식을 위한 반복적이고 재귀적인 나무 생성 구조를 설계하고 여기에 규칙적인 구조를 바탕으로 가지에 영향을 미치는 매개변수의 변화나 난수의 도입함으로써 재귀적 나무 모델링의 사실적 표현을 향상시키는 연구들도 진행되어 왔다. 하지만 대부분의 연구들은 정확하고 사실적인 나무 모델링에 초점이 맞추어져 있어 게임과 같은 실시간 시스템에서 많은 수의 나무를 동시에 제어하고 생성시키는 것은 물론 효율적으로 렌더링하기에는 규칙이나 처리과정이 복잡하다. 최근에는 Unreal이나 Unity와 같은 엔진에서 식물의 사실적 표현을 효율적으로 처리 가능하도록 하는 기술들이 개발되고 있지만 이는 주로 사전에 제작된 나무 모델을 활용하는 것으로 다양한 나무를 동시에 생성하고 제어하기 위한 처리는 고려하지 않고 있다.
나무 모델링은 구조가 복잡하고 형태가 다양하여 일반적인 모델링 방법으로는 표현이 불가능하다. 이러한 자연물을 표현하기 위한 방법으로 Lindermayer는 L-system을 제안하였고 이를 활용한 다양한 나무 모델링 방법이 연구되었다. L-system은 3차원 나무 성장 형태를 가지의 길이, 각도, 폭 등으로 나누어 각각을 상징 문자로 지정하고 하나의 상태에서 문자들을 치환 규칙에 의해 다른 문자열로 치환함으로서 다음 단계의 나무 형태를 결정하였다.
이러한 지역적인 규칙으로 단순한 개체를 계속적으로 바꾸어 나감으로써 결과적으로 복잡한 객체를 만들어 나가는데 이는 지역적인 현상들을 분석하여 하나의 큰 현상을 만들어 내는 것이 식물을 표현하는 방법과 잘 맞아 떨어진다. 따라서 내부적인 파라미터와 규칙을 이용하여 식물의 형태를 생성해내는 L-system을 활용한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
McCormak와 Mech는 L-system의 장점을 부각시키는 연구로 식물의 모양과 함께 적합한 행동을 생성하는 연구 및 성장 과정을 분석하는 연구를 진행하기도 하였으며 주어진 환경과 상호작용하며 성장하는 나무 모델 등도 연구하였다.
이러한 규칙 기반 모델링을 토대로 나무 모델링에 대한 다양한 시도가 이루어졌다. 예를 들어 명시된 가지 생성의 재귀적 구조나 가지 회전각, 나무 구조의 재귀적 단계 내 비율과 같은 매개변수의 특징으로 나무를 구성하고, 이러한 관점은 정의한 규칙을 바탕으로 재귀적으로 생성시킴으로써 자연스럽게 전체적인 모습을 만들어 나간다는 기술이 알려져 있다. 또, 이와는 대조적으로 가지가 생존하는 공간 내 각각의 기본 단위의 경쟁으로부터 가지 패턴을 구성하는 자기 조직화 과정을 수행함으로써 나무를 구성하는 기술도 개시되어 있다.
또한, 가지말단에 존재하는 싹에 각기 다른 운명을 부여하여 매번 새로운 가지를 생성하게끔 하고, 반복적, 재귀적 처리 결과가 아닌 오직 가지 증식을 위한 주어진 공간 내의 경쟁 결과에만 의존하도록 하고, 이를 바탕으로 가지 기하학의 지역적인 제어와 공간 내에서 싹과 가지의 경쟁 그리고 내부적 경쟁에서의 규칙 정의와 자기 조직화를 통해 모델링하는 방법도 개시되었다.
이 밖에도 원하는 형태의 나무를 영상으로 입력받아 분석하여 제작하는 스케치나 영상 기반의 나무 모델링 방법들이 개발되었다. 이는 사용자가 정의한 2차원 드로잉 영상이나 혹은 한 장 또는 여러 장의 나무 영상으로부터 3차원 모델을 구성하는 방법으로 최근 입력 영상을 레이저 스캐너로 입력받아 나무 정점들을 계산하고 이들로부터 나무 구조 그래프를 생성한 후 가지 볼륨을 자동으로 생성하는 연구들도 진행되고 있다.
또한 하기 비특허문헌 1 및 2에는 나무 모델링과 관련된 연구 이외에 많은 수의 나무를 효율적으로 렌더링하기 위한 연구들로 나무를 구성하는 정점의 수를 줄이고 이를 나뭇잎 빌보드로 대신함으로써 효율을 높이면서 동시에 사실성을 유지하기 위하여 나뭇잎 빌보드의 조명 및 그림자를 셰이더를 활용하여 처리하는 기술, 실시간 시스템에서 많은 나무를 사실적 표현을 높이면서 효율적 처리가 가능하도록 나무 구조에 적합한 조명 처리에 관한 기술이 개시되어 있다.
한편, 하기 특허문헌 1에는 지리공간 모델링 시스템으로서, 복수의 수관 식물점 그룹을 구비하는 지리공간 모델 데이터를 가지는 지리공간 모델 데이터 저장 장치와 표시부를 포함하며, 수관 식물점 그룹 아래의 시뮬레이트된 나무 줄기를 표시하고, 상기 시뮬레이트된 나무 줄기에 대해 시뮬레이트된 나무 가지들의 적어도 한 레벨을 표시하기 위해 지리공간 모델 데이터 저장 장치와 상기 표시부와 협력하는 프로세서를 포함하고, 각각의 나무 가지는 상기 수관 식물점 그룹의 가운데서 수관 식물점 클러스터 아래의 가지 말단 기준점을 측정함에 기반하여 배치되는 구조에 대해 개시되어 있다.
대한민국 특허공개공보 제2010-0111729호(2010.10.15 공개)
A. Candussi, N. Candussi and T. H, "Rendering realistic trees and forests in real time," Proceeding of Eurographics 2005, 2005. K. Boulanger, K. Bouatouch and S. Pattanaik, "Rendering trees with indirect lighting in real time," Eurographic Symposium on Rendering, vol.27, no.4, pp. 1189-1198, 2008.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 기술에서는 적은 수의 나무를 사실적으로 모델링하는데 집중하거나 제작된 나무가 존재할 때 이를 효율적으로 처리하기 위한 기술들이 주로 개시되어 있어 많은 수의 나무를 적은 조작으로 모델링하고 이를 효율적으로 처리하기 곤란하다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 사실성을 유지하면서 동시에 나무 모델 정보를 효율적으로 관리할 수 있는 성장 구조를 설계함은 물론 여러 나무를 적은 조작으로 손쉽게 모델링할 수 있는 성장 환경과 이를 실시간 시스템에 적용할 수 있도록 효율적인 렌더링 과정을 설계할 수 있는 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 성장 규칙과 환경 적응형 모델을 통한 성장 환경을 설계함으로써 사실적인 많은 수의 나무를 손쉽게 제작할 수 있는 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 방법은 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 방법으로서, (a) 나무 가지의 재귀적 계층 구조 설계를 마련하는 단계, (b) 현재 단계에서 새로운 가지를 얼마나 생성할지를 결정하는 단계, (c) 가지 성장 방향을 계산하는 단계, (d) 부모 가지로부터 새 가지를 생성하는 단계 및 (e) 후보 싹과 성장 공간을 형성하여 가지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 방법에 있어서, 상기 (c) 단계는 우성 부모 가지로부터 자식 가지가 생성되는 구조로 현재 싹으로부터 성장 공간과 성장점을 형성하고 이로부터 다음 가지의 성장 방향을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 방법에 있어서, 상기 성장 공간에는 나무 각각이 주어진 환경에 적응하며 자연스럽게 성장할 수 있도록 성장 요소와 대응되는 환경 요소를 정의하여 규정되고, 상기 환경 요소는 빛, 토양, 외부의 힘, 나무 고유의 내부의 힘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 방법에 있어서, 상기 (d) 단계에서 시작점의 위치는 부모 가지의 싹, 성장 방향 및 성장과 관련된 나무 고유의 내부 힘을 조합하여 결정하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 방법에 있어서, 상기 새 가지의 성장 방향은 시작점을 기준으로 외부 힘의 영향과 내부 힘을 고려하여 설정되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 방법에 있어서, 상기 빛은 가지의 방향과 길이, 토양은 가지의 길이와 두께, 내부 힘은 가지의 방향과 길이, 외부 힘은 가지의 방향에 영향을 미치는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 방법에 있어서, 상기 성장 공간에는 나무의 영양 상태와 성장 가능성을 나타내는 성장에너지를 더 구비하고, 상기 성장에너지는 토양 상태, 내부 힘, 빛의 양의 조합으로 결정되며, 가지의 범위 각과 범위 길이를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 방법에 있어서, (f) 상기 빛, 토양, 외부 힘의 양적 수치의 값을 0∼1로 정규화하고, 이를 3채널의 컬러 이미지의 성장 환경 값으로 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 방법에 있어서, (g) 현재 싹으로부터 유도된 성장 정보를 통해 가지 곡선을 생성하고 표면 정점 수를 바탕으로 가지 볼륨을 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템은 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 시스템으로서, 나무 성장의 실시간 모델링을 위한 설정 값을 입력하는 입력부, 상기 입력부에서 입력된 설정 값에 따라 나무 성장의 모델링을 처리하는 제1 처리부, 상기 입력부에서 입력된 설정 값에 따라 가지 표면 모델과 가지 표면의 세분화 단계 설정을 처리하는 제2 처리부, 상기 나무 성장 모델링을 위한 환경요소와 성장 환경 값을 저장하는 저장부, 상기 제1 처리부 또는 제2 처리부에서 처리된 모델을 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템에 있어서, 상기 제2 처리부는 현재 싹으로부터 유도된 성장 정보를 통해 가지 곡선을 생성하고 표면 정점 수를 바탕으로 가지 볼륨을 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상술한 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 방법을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법에 의하면, 사용자가 보다 쉽고 직관적으로 표현하고자 하는 나무를 다양하면서 사실적으로 생성하게 하고, 실시간 시스템에서 많은 수의 복잡한 나무를 효율적으로 처리할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법에 의하면, 간단한 성장 규칙과 환경 적응형 모델을 통한 성장 환경을 설계함으로써 사실적인 많은 수의 나무를 손쉽게 제작하며 동시에 효율적인 처리가 가능하다는 효과도 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법에 의하면, 제안한 나무 성장 모델은 간단한 나무 구조와 성장 규칙으로 쉽게 나무 구조를 모델링할 수 있고, 이를 바탕으로 실시간으로 변화하는 주변 환경에 반응하며 넓은 지형에 분포하는 다양한 나무를 적은 조작으로 생성할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템의 블록도,
도 2는 도 1에 도시된 사실적인 실시간 모델링 방법을 성명하기 위한 흐름도,
도 3은 성장 규칙을 위한 나무 모델 구조를 나타내는 도면,
도 4는 가지 생성 규칙을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 나무 성장 모델을 통한 성장 렌더링 결과를 나타내는 도면,
도 6은 범위 길이 결정 과정을 설명하기 위한 그래프,
도 7은 주변 환경 인지를 통한 후보 싹 위치 결정 과정을 설명하기 위한 도면,
도 8은 환경 적응형 모델을 통한 다양한 나무 생성 결과를 나타내는 도면,
도 9는 환경 요소를 바탕으로 성장 환경 생성을 나타내는 도면,
도 10은 카메라와 나무 사이에 따른 세분화 단계 조절을 나타낸 그래프,
도 11은 곡선 분할 단계와 표면 정점 수를 조절하여 가지를 렌더링한 결과를 나타내는 도면,
도 12는 실제 세분화 단계를 적용하여 렌더링한 결과를 나타내는 도면,
도 13은 환경 적응형 모델을 통해 다양하게 성장시킨 나무 생성 결과를 나타내는 도면,
도 14는 성장 환경을 통해 넓은 지형을 구성하는 나무 모델의 자동 생성 결과를 나타내는 도면,
도 15는 셰이더 인스턴싱과 가지 표면의 세분화 단계를 활용한 렌더링 비교 실험을 나타내는 그래프,
도 16은 본 발명에 따른 모델링 방법과 Unity 3D 엔진을 활용한 가상 지형의 생성 결과를 나타내는 도면.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
먼저 본 발명의 개요에 대해 설명한다.
본 발명에서는 넓은 지형에 분포하는 많은 수의 나무를 사실적이면서 효율적으로 표현하는 나무 모델 방법을 제안한다. 나무 가지의 재귀적 계층 구조와 싹으로부터 자기조직화를 통한 가지 생성 과정을 결합하여 단순화시킴으로써 보다 직관적이고 효율적으로 나무를 생성한다. 이러한 생성 과정은 사용자가 단계별 구조와 가지 길이, 분포, 방향과 같은 외형 조절을 인터랙티브하게 제어할 수 있도록 한다. 또한 많은 수의 나무를 동시에 제어하여 다양하게 성장시킬 수 있도록 하는 환경 적응형 모델을 설계하고, 이를 효과적으로 처리하는 성장 환경 적용 방법을 제안한다. 여기에 넓은 지형 위에 분포하는 복잡한 나무 모델의 실시간 시뮬레이션을 위해 GPU(Graphics Processing Unit)를 통한 렌더링 과정과 가지 표면의 연속적 세분화단계, 그리고 인스턴싱(instancing) 기법을 도입한다.
즉, 본 발명은 다양한 3차원 그래픽스 시스템에서 사실성을 높이기 위한 중요한 요소 중 하나인 나무를 다양하고 사실적으로 표현하면서 더불어 실시간 시스템에서 효율적으로 처리하기 위한 방법을 제안하였다. 단순한 형태의 재귀적 계층 구조를 바탕으로 가지 증식에서의 자기조직화 처리를 통한 성장 규칙을 설계하였고 인터랙티브 제어를 위한 파라미터 설정과 이에 대응하는 환경 요소를 정의함으로써 변화하는 환경에 반응하며 성장하는 자연스러운 나무 모델을 설계하였다. 그리고 실시간 시스템에서 많은 수의 정점으로 구성되는 나무를 표현하는데 발생하는 계산 부하를 최소화하기 위해 GPU(Graphic Processing Unit)기반 가지 표면 모델과 가지 표면의 세분화 단계 설정 방법을 설계하였다. 또한 넓은 지형의 복잡한 숲을 표현하기 위해 인스턴싱 처리 방법을 추가로 고려함으로써 나무 모델의 자연스러움을 유지함과 동시에 실시간 시스템에서 효율을 높일 수 있도록 하여 연산 양과 속도의 문제를 보완하면서 나무 모델의 자연스러운 표현이 가능함을 실험을 통해 확인하였다.
또 본 발명에 따른 나무 모델을 통해 넓은 지형에 다양한 나무를 사실적이고 효율적으로 표현할 수 있는지 여부를 시뮬레이션과 성능 실험을 통해 확인하였다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템의 블록도 이고, 도 2는 도 1에 도시된 사실적인 실시간 모델링 방법을 성명하기 위한 흐름도이다.
본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 나무 성장의 실시간 모델링을 위한 설정 값을 입력하는 입력부(1), 상기 입력부(1)에서 입력된 설정 값에 따라 모델링을 처리하는 제1 처리부(2), 상기 입력부(1)에서 입력된 설정 값에 따라 가지 표면 모델과 가지 표면의 세분화 단계 설정을 처리하는 제2 처리부(3), 나무 성장 모델링을 위한 환경요소와 성장 환경 값을 저장하는 저장부(4) 및 상기 제1 처리부(3) 또는 제2 처리부(4)에서 처리된 모델을 표시하는 표시부(5)를 구비한다.
상기 입력부는 통상의 키보드, 마우스, 전자펜 등으로 이루어지며, 상기 제1 처리부(2)는 CPU(Central Processing Unit)로 이루어지며, 상기 제2 처리부(3)는 GPU(Graphic Processing Unit)로 이루어진다. 또 상기 저장부(4)는 메모리 소자인 RAM(random access memory) 등으로 이루어지며, 상기 표시부(5)는 통상의 액정소자로 이루어진 디스플레이이다.
다음에, 도 1에 도시된 사실적인 실시간 모델링 시스템과 이 시스템에 의해 구현되는 사실적인 실시간 모델링 방법에 대해 설명한다.
본 발명에서는 나무 가지의 간단한 재귀적 계층 구조 설계를 통해 나무의 전체적인 균형을 유지함과 동시에 가지 정보 관리를 용이하게 하고 자기조직화를 통한 가지 증식 규칙을 결합함으로써 보다 직관적으로 나무를 모델링할 수 있도록 설계하였다.
먼저, 나무 가지의 재귀적 계층 구조 설계에 대해 도 2 및 도 3에 따라 설명한다.
도 3은 성장 규칙을 위한 나무 모델 구조를 나타내는 도면으로서, 도 3(a)는 재귀적 과정을 통한 나무 생성을 나타내고, 도 3(b)는 계층적 가지 구조를 나타낸다.
많은 수의 가지로 구성된 복잡한 나무 모델의 전체적 균형을 유지하면서 가지 정보를 효율적으로 관리하기 위해 우선 재귀적 계층 구조를 설정한다(S10). 즉 입력부(1)를 통해 재귀적 계층 구조를 위한 설정값을 입력하고, 이를 제1 처리부(2)에서 처리한다. 이는 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 프랙탈(fractal)을 통한 나무 생성과 유사한 방식으로 이전 부모 가지 정보로부터 새로운 가지를 생성해 나가는 과정에서 가지들 사이의 관계를 효율적으로 관리하기 위한 처리 단계이다. 또한 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 제1 처리부(2)는 현재 단계에서 새로운 가지를 얼마나 생성할지를 결정한다(S20). 이 구조는 현재 가지의 부모가 누구인지 쉽게 판별하고 이로부터 자식 가지와의 상호 관계만을 연결시켜줄 뿐 가지 생성에 직접적인 영향을 미치는 것은 아니다. 이러한 구조는 제2 처리부(3)인 GPU기반 실시간 가지 렌더링 처리에서 현재 정점의 정확한 성장단계 인지로 정점 정보를 보다 쉽게 처리할 수 있게 한다.
다음에, 도 4 및 도 5에 따라 주변 인지를 통한 가지 생성을 설명한다.
도 4는 가지 생성 규칙을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4(a)는 가지 성장 방향 계산을 나타내고, 도 4(b)는 부모 가지로부터 새 가지 생성을 나타내며, 도 5는 본 발명에 따른 나무 성장 모델을 통한 성장 렌더링 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명에서 가지 증식을 통한 나무 생성 과정은 인터랙티브 나무 모델링(ITM, Interactive Tree Modeling) 방법의 성장 규칙을 활용한다. 이는 크게 두 가지로 나누어 진행되는 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 제1 처리부(2)는 우성 부모 가지로부터 자식 가지가 생성되는 구조로 현재 싹으로부터 성장 공간과 성장점(
Figure pat00001
)을 형성하고, 이로부터 다음 가지의 성장 방향(
Figure pat00002
)이 결정된다(S30). 성장 공간과 성장점의 결정이 나무 형성에 중요한 요인이며 이들의 결정을 환경 요소와 인터랙티브하게 반응시킴으로써 다양하면서 사실적인 나무의 생성을 가능하게 한다.
다음은 새 가지가 시작되는 경우로 새 가지의 시작점 결정 과정 또한 ITM 방법을 통해 결정한다. 여기서 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 제1 처리부(2)에서 시작점의 위치(
Figure pat00003
)는 부모가지의 싹(
Figure pat00004
)과 성장 방향(
Figure pat00005
) 그리고 여기에 성장과 관련된 나무 고유의 내부 힘(
Figure pat00006
)을 조합하여 결정한다(S40). 이때
Figure pat00007
의 개수는 가지 계층 구조를 바탕으로 현재 성장 단계에서 선택적으로 결정한다. 다음 새 가지의 성장 방향(
Figure pat00008
)은 시작점을 기준으로
Figure pat00009
을 통해 결정한다.
Figure pat00010
는 외부 힘의 영향을 일부 고려하여 임의로 설정하고
Figure pat00011
는 내부 힘(
Figure pat00012
)을 고려하여 설정한다. 시작점과 성장 방향이 결정되면 도 5에 도시된 바와 같이, 같은 방법으로 후보 싹과 성장 공간을 형성하여 가지를 생성한다.
다음에 성장 환경을 활용한 환경 적응형 모델에 대해 기술한다.
나무 성장 과정에서 인터랙티브 제어의 필수 요소는 가지 생성의 성장 공간이다. 기본적인 나무 성장 모델에서 성장 공간이 어떻게 형성되느냐에 따라 성장점 생존 범위의 차이가 발생하고 이것이 나무의 전체적인 차이를 유도한다. 따라서 성장 공간 요소인 범위각(θ)과 범위 길이(ℓ)를 효율적으로 제어할 수 있는 방법을 제시한다면 다양한 나무 모델 생성이 가능하다.
우선 가상공간 내부의 토양, 빛, 바람 등 환경이 정해지면 나무 각각이 주어진 환경에 적응하며 자연스럽게 성장할 수 있도록 성장 요소와 대응되는 환경 요소를 정의한다. 본 발명에서는 환경 요소를 빛(
Figure pat00013
), 토양(
Figure pat00014
), 외부 힘(
Figure pat00015
) 3가지로 정의하고 나무 고유의 내부 힘까지 포함시킨 4가지 속성을 고려하여 나무 성장을 정의한다. 이를 바탕으로 빛은 가지 방향과 길이, 토양은 길이와 두께, 내부 힘은 방향과 길이 그리고 외부 힘은 가지 방향에 영향을 미친다고 가정한다. 또한 환경 요소와 성장 구조와의 효율적 처리를 위해 제1 처리부(2)는 성장에너지(
Figure pat00016
)를 설정한다(S60).
성장에너지는 나무의 영양 상태와 성장 가능성을 나타내는 값으로 아래와 같다. 이는 토양 상태, 내부 힘, 빛의 양의 조합으로 결정되며 궁극적으로 성장 에너지는 범위 각과 범위 길이를 결정하여 환경 적응형 나무 모델을 완성한다.
Figure pat00017
우선 범위각(θ)은 외부 힘에 비례하고 성장에너지에 반비례한 관계로 정의한다. 이는 성장에너지가 커질수록 가지가 곧게 뻗으려는 특성을 고려한 것이다.
Figure pat00018
여기서
Figure pat00019
는 범위각을 조절하는 변수이며 토양의 상태가 유독 좋을 경우 가지가 주변으로 고르게 뻗어나갈 수 있도록
Figure pat00020
값을 추가로 더해준다.
다음에 범위 길이 결정 과정 및 후보 싹 위치 결정 과정에 대해 도 6 및 도 7를 참조하여 설명한다.
도 6은 범위 길이 결정 과정을 설명하기 위한 그래프로서, 도 6(a)는 성장에너지에 따른 범위 길이 변화를 나타내고, 도 6(b)는 성장 단계에 따른 변화 간격 설정을 나타내며, 도 7은 주변 환경 인지를 통한 후보 싹 위치 결정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
범위 길이(ℓ)는 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 성장에너지에 따라 일정 비율의 길이 변화가 발생하고, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 성장 단계가 증가함에 따라 길이의 변화폭인 최대, 최소 범위가 다르게 설정된다. 결론적으로 성장에너지가 클수록 가지의 길이가 길어지고 단계가 증가할수록 성장 길이의 범위가 작아지는 것이다.
마지막으로 가지의 방향은 도 7에 도시된 바와 같이, 후보 싹의 위치가 결정적 역할을 하기 때문에 이를 빛의 방향, 내부 힘과 외부 힘을 조합하여 결정한다.
Figure pat00021
여기서 내부 힘의 방향은 부모 가지의 성장 방향이고
Figure pat00022
는 내, 외부 힘의 양이며
Figure pat00023
은
Figure pat00024
로 가지에서 빛이 멀어질수록 작을 값을 갖는다. 그리고 각 요소별 가중치를 다르게 설정하기 위해 μ값을 설정한다.
이와 같이 간단한 대응관계와 수식으로 정해진 환경 안에서 많은 수의 나무를 자동으로 성장시킴으로써 시스템의 효율과 사실적 표현을 높이고(도 8), 사용자의 번거로움을 최소화시킬 수 있다. 도 8은 환경 적응형 모델을 통한 다양한 나무 생성 결과를 나타내는 도면이다.
다음에, 도 9에 따라 성장 환경 설정에 대해 기술한다.
설계한 모델을 통해 환경 요소의 변화에 따른 다양한 나무 성장 제어가 가능해지면 다음은 많은 수의 나무를 효율적으로 모델링하는 과정이 필요하다. 이를 위해 본 발명에서는 제1 처리부(2)가 성장 환경을 설계하였다(S60).
이는 다양한 환경 요소에 대응되는 값들을 텍스쳐로 저장하여 각 나무의 성장 요소를 설정하는 방법으로 그래픽스 분야에서 자주 사용되는 높이 맵, 노말 맵과 유사한 개념이다. 정의한 3가지 환경 요소(빛, 토양, 외부 힘)의 양적 수치(
Figure pat00025
)의 값을 0∼1로 정규화하고 이를 3 채널의 컬러 이미지의 성장 환경 값으로 저장부(4)에 저장함으로써 넓은 지형의 환경 상태를 효과적으로 관리한다(도 9). 도 9는 환경 요소를 바탕으로 성장 환경 생성을 나타내며, 도 9(a)는 QG 맵, 도 9(b)는 QL 맵, 도 9(c)는 FE 맵, 도 9(d)는 성장 환경 맵을 나타낸다. 성장 환경을 생성하고 나면 넓은 지형에 분포하는 각 나무들은 현재 위치에 해당되는 성장 환경의 값에 따라 환경 적응형 모델에 맞게 자동으로 성장시킴으로써 보다 쉽게 사실적인 나무의 성장 표현이 가능해진다.
이하, 상술한 2차원의 화상을 3차원의 화상으로 실시간 렌더링(rendering) 처리하는 과정을 도 10 내지 도 12에 따라 설명한다.
도 10은 카메라와 나무 사이에 따른 세분화 단계 조절을 나타낸 그래프이고, 도 11은 곡선 분할 단계와 표면 정점 수를 조절하여 가지를 렌더링한 결과이며, 도 12는 실제 세분화 단계를 적용하여 렌더링한 결과를 나타내는 도면이다.
상술한 과정은 나무 모델의 대략적인 형태만을 나타내는 것으로 나무 전체 모습을 모델링하고 드로잉하는 것은 아니다. 이하, 가지의 방향, 분포, 길이 등이 결정되면 이로부터 효율적으로 가지 표면을 생성하면서 실시간 시스템에 적합한 렌더링 방법을 제시한다.
환경 요소를 고려한 나무 성장 모델을 통해 연속적인 가지의 성장 방향과 성장점이 결정되면 이를 통해 가지 표면을 구성한다. 이 과정 역시 ITM의 가지 표면 구성을 활용하여 자연스러운 가지를 생성한다.
현재 싹으로부터 유도된 성장 정보를 통해 곡선 분할 단계(c)를 설정하여 가지 곡선을 생성하고 표면 정점 수(s)를 바탕으로 가지 볼륨을 구성한다(S70). 이때 가지의 두께를 적절한 비율로 설정(
Figure pat00026
)하고 이전 가지의 두께를 고려하여 성장 단계(
Figure pat00027
)가 증가함에 따라 일정 비율로 감소시켜 나간다. 그리고 가지 표면 구성과 관련된 볼륨 구성은 나무의 3 차원 렌더링과 직접적인 관련이 있는 처리과정으로 제1 처리부(2)가 아닌 제2 처리부(3)에서 처리함으로써 효율을 높인다. 마지막으로 실시간 시스템에서 많은 정점으로 구성된 나무의 효율적 렌더링을 위하여 세분화 단계를 설정한다. 이는 가지 볼륨 구성에서 설정하였던 곡선 분할 단계와 표면 정점 수를 카메라와 나무의 거리에 따라 조절시킴으로써 자연스러움은 최대로 유지하면서 효율을 높이는 방법이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 실제 세분화 단계를 적용하여 렌더링한 결과 자연스러움이 유지됨을 알 수 있다.
또 전체적인 외형은 다르지만 나무를 구성하고 있는 정점의 수가 동일한 나무가 한 화면에 여러 개가 존재한다면 이를 좀 더 효율적으로 처리할 수 있는 방법으로서 본 발명에서는 셰이더(shader)를 통한 인스턴싱(Instancing) 기법을 적용한다. 동일한 객체를 여러 번 반복적으로 화면에 렌더링할 경우 드로우 호출을 줄이고 메모리를 효율적으로 사용하는 방법으로 렌더링 시, 나무의 정점과 인덱스 등의 정보를 메모리에 넘겨주고 저장해 놓은 나무의 정점 정보를 복사해서 사용함으로써 실시간 시스템에서의 효율을 높인다. 실제 같은 정점을 가지는 나무를 화면에 렌더링 할 경우 효율이 얼마나 좋을 수 있는지 6장의 실험을 통해 확인한다.
본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템에서 나무 모델의 시뮬레이션 프로그램은 'Visual Studio 2005'와 'DirectX SDK 9.0'을 사용하여 개발하였으며 성능 실험에 사용된 PC는 Inter Core i5-650 CPU, 4GB RAM, Geforece GT320 GPU를 탑재하고 있다. 실험은 다양하면서 사실적 나무의 성장 가능성을 확인하는 시뮬레이션 과정, 효율성을 확인하는 성능 실험 그리고 응용 분야에서의 활용 가능성 확인 과정의 세 단계로 나누어 진행된다.
먼저 정의한 4개의 환경 요소를 각각 부각시켜 각 환경 요소가 나무의 성장에 어떻게 영향을 미치는지를 실험하였다. 도 13은 환경 적응형 모델을 통해 다양하게 성장시킨 나무 생성 결과를 나타내는 도면으로서, 도 13에서 전반적인 성장에너지의 역할과 내부 힘의 나무의 두께와 시작점에 미치는 영향, 토양의 상태로 인한 나무의 가지 분포, 빛의 양을 통해 높게 뻗어나가는 가지 표현 그리고 외부 힘이 성장방향에 미치는 것들을 다양하게 보인 것이다. 이처럼 간단한 조작으로 다양하고 자연스러운 나무 모델 생성이 가능하며 이를 인터랙티브(interactive)하게 제어할 수 있음을 확인하였다.
여기에 성장 환경을 적용하여 넓은 지형을 구성하는 나무를 손쉽게 생성가능한지를 실험을 통해 확인하였다. 도 14는 성장 환경을 통해 넓은 지형을 구성하는 나무 모델의 자동 생성 결과를 나타내는 도면이다.
도 14에서는 3가지의 환경 요소 값을 저장부(4)에 성장 환경 맵으로 저장하고 이로부터 임의의 실외 지형에 분포하는 나무들을 성장 환경을 바탕으로 표시부(5)에 자동 생성시킨 결과로 효율적으로 다양하고 사실적인 나무를 손쉽게 제작할 수 있음을 확인할 수 있다.
다음에 본 발명에 따른 나무 모델의 실시간 처리에 관한 성능 실험으로 가지의 세분화 단계 설정과 인스턴싱 기법을 적용하여 많은 수의 나무가 효율적으로 처리되는지 여부를 확인하였다. 도 15는 셰이더 인스턴싱과 가지 표면의 세분화 단계를 활용한 렌더링 비교 실험을 나타내는 그래프이다.
도 15의 그래프는 중복되는 나무를 표현하는 방법으로 본 논문에서 제안한 인스턴싱 기반의 렌더링을 실험한 것으로 총 100여 그루의 나무에 대해 1초당 처리할 수 있는 프레임 수가 20 이상으로 실시간 시스템에 적용하기에 크게 무리가 없음을 확인할 수 있다. 앞에서 보인 도 8은 성장 단계가 8단계이고, 도 13은 9단계일 때의 실험 결과로 8∼9 단계 정도면 사실적인 나무 표현에 무리가 없다.
마지막으로, 도 16은 사전에 제작된 나무 모델을 활용하여 가상 환경을 구축하는 Unity 3D 엔진에 본 발명을 통해 생성된 다양한 나무를 입력시켜 적용한 결과로, 수동으로 많은 수의 다양한 나무들을 제작해야하는 수고 없이 많은 수의 나무로 구성된 복잡한 실외 지형을 쉽고 효율적이며 자연스럽게 구성할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 모델링 방법을 기반으로 성장 환경만을 정의하여 자동으로 나무를 모델링함으로 인해 도 15에서처럼 다양한 나무를 생성하는데 3∼4분여 정도의 시간 밖에 소요되지 않는다.
또한 본 발명은 상술한 바와 같은 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되고, 이를 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 마련하는 것이다.
이러한 기록매체는 통상의 휴대가능한 저장 수단뿐만 아니라, 서버와 데이터베이스에 저장된 것을 포함한다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
즉, 상기 실시 예의 설명에서는 나뭇잎의 생성과 표현은 고려하지 않았지만, 나뭇잎의 표현 방법을 추가적으로 구현함으로써 보다 사실적인 나무 표현이 가능하다.
또한 카메라와의 거리에 따른 세분화 단계에서 불연속적 세분화 단계를 추가로 고려하여 조명이 고려된 빌보드 기법 중 하나인 BTFs(Bidirectional Texture Functions)과 같은 알고리즘을 적용한다면 나무 모델의 품질을 높이면서 동시에 효율성을 높일 수 있을 것이다.
또한 나무의 종에 따른 성장 패턴을 다양하게 할 수 있는 방법을 추가적으로 고려한다면 침엽수, 활엽수와 같은 다양한 종류의 나무를 손쉽게 제작할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 나무 모델링 방법을 사용자가 편리하게 활용하여 응용 어플리케이션에 바로 적용시킬 수 있도록 라이브러리 형태로 제작한다면 다양한 분야에서 활용 가능하다.
본 발명에 따른 사실적인 실시간 모델링 시스템 및 방법을 사용하는 것에 의해 따라서 가상 지형을 필요로 하는 여러 응용 분야에서 쉽게 활용 가능하다.

Claims (12)

  1. 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 방법으로서,
    (a) 나무 가지의 재귀적 계층 구조 설계를 마련하는 단계,
    (b) 현재 단계에서 새로운 가지를 얼마나 생성할지를 결정하는 단계,
    (c) 가지 성장 방향을 계산하는 단계,
    (d) 부모 가지로부터 새 가지를 생성하는 단계 및
    (e) 후보 싹과 성장 공간을 형성하여 가지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사실적인 실시간 모델링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 우성 부모 가지로부터 자식 가지가 생성되는 구조로 현재 싹으로부터 성장 공간과 성장점을 형성하고 이로부터 다음 가지의 성장 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 사실적인 실시간 모델링 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 성장 공간에는 나무 각각이 주어진 환경에 적응하며 자연스럽게 성장할 수 있도록 성장 요소와 대응되는 환경 요소를 정의하여 규정되고,
    상기 환경 요소는 빛, 토양, 외부의 힘, 나무 고유의 내부의 힘을 포함하는 것을 특징으로 하는 사실적인 실시간 모델링 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 시작점의 위치는 부모 가지의 싹, 성장 방향 및 성장과 관련된 나무 고유의 내부 힘을 조합하여 결정하는 것을 특징으로 하는 사실적인 실시간 모델링 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 새 가지의 성장 방향은 시작점을 기준으로 외부 힘의 영향과 내부 힘을 고려하여 설정되는 것을 특징으로 하는 사실적인 실시간 모델링 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 빛은 가지의 방향과 길이, 토양은 가지의 길이와 두께, 내부 힘은 가지의 방향과 길이, 외부 힘은 가지의 방향에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 사실적인 실시간 모델링 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 성장 공간에는 나무의 영양 상태와 성장 가능성을 나타내는 성장에너지를 더 구비하고,
    상기 성장에너지는 토양 상태, 내부 힘, 빛의 양의 조합으로 결정되며, 가지의 범위 각과 범위 길이를 결정하는 것을 특징으로 하는 사실적인 실시간 모델링 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    (f) 상기 빛, 토양, 외부 힘의 양적 수치의 값을 0∼1로 정규화하고, 이를 3채널의 컬러 이미지의 성장 환경 값으로 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사실적인 실시간 모델링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    (g) 현재 싹으로부터 유도된 성장 정보를 통해 가지 곡선을 생성하고 표면 정점 수를 바탕으로 가지 볼륨을 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사실적인 실시간 모델링 방법.
  10. 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 시스템으로서,
    나무 성장의 실시간 모델링을 위한 설정 값을 입력하는 입력부,
    상기 입력부에서 입력된 설정 값에 따라 나무 성장의 모델링을 처리하는 제1 처리부,
    상기 입력부에서 입력된 설정 값에 따라 가지 표면 모델과 가지 표면의 세분화 단계 설정을 처리하는 제2 처리부,
    상기 나무 성장 모델링을 위한 환경요소와 성장 환경 값을 저장하는 저장부,
    상기 제1 처리부 또는 제2 처리부에서 처리된 모델을 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 모델링 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 처리부는 현재 싹으로부터 유도된 성장 정보를 통해 가지 곡선을 생성하고 표면 정점 수를 바탕으로 가지 볼륨을 구성하는 것을 특징으로 하는 실시간 모델링 시스템.
  12. 특허청구의 범위 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 성장 환경을 활용한 다수의 나무에 대한 사실적인 실시간 모델링 방법을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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