KR20150054650A - 3차원 영상 렌더링 방법 및 이를 적용한 영상 출력 장치 - Google Patents

3차원 영상 렌더링 방법 및 이를 적용한 영상 출력 장치 Download PDF

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KR20150054650A
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Abstract

3차원 영상 렌더링 방법 및 이를 적용한 영상 출력 장치가 제공된다. 본 3차원 영상 렌더링 방법은 3차원 화면을 로딩하고, 로딩된 3차원 화면의 각 영역에 대한 광 밀도를 계산하여 렌더링 맵을 생성하며, 렌더링 맵을 이용하여 3차원 화면을 렌더링하고, 렌더링된 3차원 화면을 출력한다.

Description

3차원 영상 렌더링 방법 및 이를 적용한 영상 출력 장치{Method for rendering image and Image outputting device thereof}
본 발명은 3차원 영상 렌더링 방법 및 이를 적용한 영상 출력 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 영상을 분석하여 복수의 렌더링 방식으로 렌더링을 수행하는 3차원 영상 렌더링 방법 및 이를 적용한 영상 출력 장치에 관한 것이다.
3차원 영상을 생성하기 위한 기존의 렌더링 방식으로 기본적인 레스터라이제이션(Rasterization) 렌더링 방식이 존재하였다. 그리고, 렌더링 속도를 향상시키기 위해 GPU(Graphic processing unit)의 전용 연산을 통한 성능 향상 기법이 사용되고 있다. 3차원 영상을 생성하기 위한 기존의 또 다른 렌더링 방식으로, 전역 조명(Global Illumination) 렌더링을 위하여 광선 추적(Ray Tracing) 렌더링 방식이 존재하였다. 3차원 영상을 생성하기 위한 또 다른 방법으로, 렌더링 프로세스 이후 이미지 영역 상에서 별도의 후처리를 가하는 방식으로 3차원 영상을 생성하는 방식이 존재하였다.
그러나, 레스터라이제이션 렌더링 방식으로 3차원 영상을 렌더링할 경우, 계단 효과가 발생하고, 사실적인 3차원 영상을 제공하지 못하는 문제점이 존재하였다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 광선 추적 렌더링 방식으로 3차원 영상을 렌더링할 경우, 더욱 사실적이고 생동감 있는 영상을 얻게 될 수 있다.
다만, 광선 추적 렌더링 방식은 광선(ray)의 개수에 따라 렌더링을 위한 연산 처리량이 결정된다. 따라서, 모든 영역에 동일한 광선을 발사하여 렌더링을 수행할 경우, 영상 출력 장치는 렌더링을 위한 상당한 연산량을 처리해야 하는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 3차원 영상의 각 영역에 대한 광 밀도를 계산하여 렌더링을 수행할 수 있는 3차원 영상 렌더링 방법 및 이를 적용한 영상 출력 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 3차원 영상 렌더링 방법은 3차원 화면을 로딩하는 단계; 상기 로딩된 3차원 화면의 각 영역에 대한 광 밀도를 계산하여 렌더링 맵을 생성하는 단계; 상기 렌더링 맵을 이용하여 상기 3차원 화면을 렌더링하는 단계; 및 상기 렌더링된 3차원 화면을 출력하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 생성하는 단계는, 상기 로딩된 3차원 화면의 영역 중 굴절 영역 및 반사 영역을 판단하는 단계; 상기 굴절 영역 및 반사 영역인 경우, 상기 광선 추적의 중요도를 계산하는 단계; 및 상기 산출된 광선 추적의 중요도에 따라 광 밀도를 계산하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 광선 추적의 중요도를 계산하는 단계는, 사용자 시점과 가까운 영역이거나 상기 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 수직에 가까울수록 상기 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 상기 사용자 시점과 먼 영역이거나 상기 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 평행에 가까울수록 상기 광선 추적의 중요도를 낮게 계산할 수 있다.
그리고, 상기 광선 추적의 중요도를 계산하는 단계는, 상기 3차원 화면에 포함된 오브젝트의 속도 및 가속도 중 하나를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도가 기설정된 값 이하인 경우, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도의 값이 증가할수록 상기 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도가 기설정된 값 초과인 경우, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도의 값이 증가할수록 상기 광선 추적의 중요도를 낮게 계산할 수 있다.
그리고, 상기 광 밀도를 계산하는 단계는, 상기 산출된 광선 추적의 중요도에 따라 영역에 입사되는 광의 양을 조절하며, 상기 광 밀도는 영역의 픽셀 사이즈를 상기 영역에 입사되는 광의 양에 나누어 계산할 수 있다.
또한, 상기 계산된 광 밀도가 기설정된 값을 미만인지 여부를 판단하는 단계; 상기 제1 영역의 광 밀도가 기설정된 값 미만인 경우, 상기 기설정된 값을 상기 제1 영역 광 밀도로 지정하고, 상기 제2 영역의 광 밀도가 기설정된 값 이상인 경우, 상기 계산된 광 밀도를 상기 제2 영역의 광 밀도로 지정하는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 제3 영역이 상기 굴절 영역 및 반사 영역이 아닌 경우, 상기 광 밀도를 0으로 지정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 렌더링 맵을 생성하는 단계는, 상기 지정된 광 밀도에 따른 그레이스케일을 가지는 렌더링 맵을 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 렌더링하는 단계는, 상기 광 밀도가 0인 영역은 레스터라이제이션 렌더링 방식으로 렌더링을 수행하고, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상인 영역은 광선 추적(ray tracing) 렌더링 방식으로 렌더링을 수행할 수 있다.
또한, 상기 렌더링하는 단계는, 상기 광 밀도가 1인 영역은 상기 광 밀도가 1인 영역의 전체 픽셀 모두에 광을 발사하여 렌더링을 수행하며, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역은 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역 중 일부 픽셀에 광을 발사하여 렌더링을 수행할 수 있다.
그리고, 상기 렌더링하는 단계는, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역 중 광이 발사되지 않은 픽셀은 광이 발사된 영역을 이용하여 보간하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 영상 출력 장치는, 3차원 화면을 로딩하는 로딩부; 상기 로딩된 3차원 화면의 각 영역에 대한 광 밀도를 계산하여 렌더링 맵을 생성하는 렌더링 맵 생성부; 상기 렌더링 맵을 이용하여 상기 3차원 화면을 렌더링하는 렌더링부; 및 상기 렌더링된 3차원 화면을 출력하는 출력부;를 포함한다.
그리고, 상기 렌더링 맵 생성부는, 상기 로딩된 3차원 화면의 영역 중 굴절 영역 및 반사 영역을 판단하고, 상기 굴절 영역 및 반사 영역인 경우, 상기 광선 추적의 중요도를 계산하며, 상기 산출된 광선 추적의 중요도에 따라 광 밀도를 계산할 수 있다.
또한, 상기 렌더링 맵 생성부는, 사용자 시점과 가까운 영역이거나 상기 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 수직에 가까울수록 상기 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 상기 사용자 시점과 먼 영역이거나 상기 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 평행에 가까울수록 상기 광선 추적의 중요도를 낮게 계산할 수 있다.
그리고, 상기 렌더링 맵 생성부는, 상기 3차원 화면에 포함된 오브젝트의 속도 및 가속도 중 하나를 계산하고, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도가 기설정된 값 이하인 경우, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도의 값이 증가할수록 상기 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도가 기설정된 값 초과인 경우, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도의 값이 증가할수록 상기 광선 추적의 중요도를 낮게 계산할 수 있다.
그리고, 상기 렌더링 맵 생성부는, 상기 산출된 광선 추적의 중요도에 따라 영역에 입사되는 광의 양을 조절하며, 상기 광 밀도는 영역의 픽셀 사이즈를 상기 영역에 입사되는 광의 양에 나누어 계산할 수 있다.
또한, 상기 렌더링 맵 생성부는, 상기 계산된 광 밀도가 기설정된 값을 미만인지 여부를 판단하고, 상기 제1 영역의 광 밀도가 기설정된 값 미만인 경우, 상기 기설정된 값을 상기 제1 영역 광 밀도로 지정하고, 상기 제2 영역의 광 밀도가 기설정된 값 이상인 경우, 상기 계산된 광 밀도를 상기 제2 영역의 광 밀도로 지정할 수 있다.
그리고, 상기 렌더링 맵 생성부는, 제3 영역이 상기 굴절 영역 및 반사 영역이 아닌 경우, 상기 광 밀도를 0으로 지정할 수 있다.
또한, 상기 렌더링 맵 생성부는, 상기 지정된 광 밀도에 따른 그레이스케일을 가지는 렌더링 맵을 생성할 수 있다.
그리고, 상기 렌더링부는, 상기 광 밀도가 0인 영역은 레스터라이제이션 렌더링 방식으로 렌더링을 수행하고, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상인 영역은 광선 추적(ray tracing) 렌더링 방식으로 렌더링을 수행할 수 있다.
또한, 상기 렌더링부는, 상기 광 밀도가 1인 영역은 상기 광 밀도가 1인 영역의 전체 픽셀 모두에 광을 발사하여 렌더링을 수행하며, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역은 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역 중 일부 픽셀에 광을 발사하여 렌더링을 수행할 수 있다.
그리고, 상기 렌더링부는, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역 중 광이 발사되지 않은 픽셀은 광이 발사된 영역을 이용하여 보간할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 의해, 기존의 광선 추적 렌더링 방식과 큰 차이 없는 화질의 3차원 화면을 출력하면서, 동시에 연산량을 감소시켜 더욱 빠른 처리속도로 3차원 영상을 출력할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 영상 출력 장치의 구성을 나타내는 블럭도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 렌더링 방식을 표현하는 렌더링 맵을 표시한 도면,
도 3a는 기존의 광선 추적 렌더링 방식으로 3차원 영상을 렌더링한 결과를 나타내는 도면,
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 렌더링 방식으로 3차원 영상을 렌더링한 결과를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 3차원 영상 렌더링 방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 광 밀도에 따라 렌더링 맵을 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 속도 또는 가속도에 따른 광선 추적의 중요도를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 영상 출력 장치(100)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 영상 출력 장치(100)는 로딩부, 렌더링 맵 생성부(120), 렌더링부(130) 및 출력부(150)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른, 영상 출력 장치(100)는 스마트 폰일 수 있으나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 태블릿 PC, 노트북 PC, 데스크탑 PC, PDA, 스마트 TV 등과 같은 다양한 영상 출력 장치로 구현될 수 있다.
로딩부(110)는 입력된 3차원 화면에 대한 데이터를 로딩한다. 이때, 3차원 화면은 기저장된 배경 화면일 수 있으나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 다른 3차원 화면일 수 있다. 예를 들어, 3차원 화면은 서버 등과 같이, 외부 기기로부터 수신된 3차원 영상일 수 있다.
렌더링 맵 생성부(120)는 로딩된 3차원 화면의 각 영역에 대한 광 밀도(Ray Density)를 계산하여 렌더링 맵을 생성한다. 이때, 광 밀도라 함은 광선 추적 렌더링 방식(ray tracing rendering method)을 이용하여 렌더링을 수행할 경우, 특정 영역에 발사되는 광(ray)의 량을 의미할 수 있다.
구체적으로, 렌더링 맵 생성부(120)는 로딩된 3차원 화면을 레스터라이즈(rasterize)한다. 레스터라이즈 작업을 통해 3차원 화면을 구성하는 오브젝트는 출력 프레임 버퍼(frame buffer)의 각 영역으로 매핑될 수 있다.
이때, 렌더링 맵 생성부(120)는 3차원 화면의 각 영역이 반사 영역 또는 굴절 영역인지 여부를 판단할 수 있다. 이때, 렌더링 맵 생성부(120)는 로딩된 3차원 화면의 데이터를 통해 반사 영역 또는 굴절 영역인지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 3차원 화면의 반사 영역 또는 굴절 영역은 3차원 화면의 제작자에 의해 지정될 수 있으며, 3차원 화면의 데이터에 저장될 수 있다.
3차원 화면 중 반사 영역 또는 굴절 영역의 경우, 렌더링 맵 생성부(120)는 해당 영역의 광선 추적의 중요도(importance)를 계산한다. 이때, 렌더링 맵 생성부(120)는 아래와 같은 수학식을 이용하여 광선 추적의 중요도를 계산할 수 있다.
Figure pat00001
이때, c는 계수(coefficient)이며, d는 사용자 시점(camera)과 해당 영역과의 거리, θ는 사용자 시점의 방향(camera direction)과 해당 영역의 법선 벡터(normal vector)의 각도일 수 있다.
즉, 렌더링 맵 생성부(120)는 사용자 시점과 가까운 영역이거나 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 수직에 가까울수록 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 사용자 시점과 먼 영역이거나 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 평행에 가까울수록 광선 추적의 중요도를 낮게 계산할 수 있다.
한편, 입력된 3차원 영상이 오브젝트가 이동하는 다이내믹 영상인 경우, 렌더링 맵 생성부(120)는 입력된 3차 영상에 포함된 오브젝트의 속도 및 가속도 중 하나를 이용하여 광선 추적의 중요도를 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 렌더링 맵 생성부(120)는 도 6에 도시된 바와 같은 그래프를 이용하여 속도 또는 가속도에 따른 광선 추적의 중요도를 계산할 수 있다. 구체적으로, 렌더링 맵 생성부(120)는 3차원 영상에 포함된 연속된 프레임에 포함된 오브젝트의 이동량을 판단하여 속도를 계산하거나, 연속된 프레임 간의 속도의 변화량을 판단하여 가속도를 계산할 수 있다. 그리고, 오브젝트의 속도 또는 가속도가 기설정된 값(T) 이하인 경우, 렌더링 맵 생성부(120)는 계산된 속도 또는 가속도가 증가할수록 오브젝트가 디스플레이된 영역의 광선 추적의 중요도를 높게 계산할 수 있다. 그러나, 오브젝트의 속도 또는 가속도가 기설정된 값 초과인 경우, 렌더링 맵 생성부(120)는 속도 또는 가속도가 증가할수록 오브젝트가 디스플레이되는 영역의 광선 추적의 중요도를 낮게 계산할 수 있다. 이는 움직임이 존재하는 오브젝트가 중요하게 판단될 수 있으나, 오브젝트의 속도가 너무 빠른 경우, 사람이 오브젝트를 식별하기 어려워 오브젝트의 중요도가 낮아지기 때문이다. 그리고, 렌더링 맵 생성부(120)는 속도 또는 가속도에 따라 수학식 1의 c값에 조절하여 오브젝트가 디스플레이되는 영역의 광선 추적의 중요도를 계산할 수 있다.
그리고, 렌더링 맵 생성부(120)는 반사 영역 또는 굴절 영역의 광선 추적의 중요도에 따라 광 밀도를 계산할 수 있다. 이때, 광선 추적의 중요도는 영역에 입사되는 광의 양을 의미할 수 있으며, 렌더링 맵 생성부(120)는 광 밀도를 아래의 수학식 2와 같이, 영역의 픽셀 사이즈를 광선 추적의 중요도에 대응되는 영역에 입사되는 광의 양에 나누어 계산할 수 있다.
Figure pat00002
이때, 계산된 광 밀도가 너무 낮은 경우, 사용자가 렌더링 품질 저하를 인식할 수 있으므로, 렌더링 맵 생성부(120)는 계산된 광 밀도가 기설정된 경계값 미만인지 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 제1 영역의 계산된 광 밀도가 기설정된 경계값 미만인 경우, 렌더링 맵 생성부(120)는 제1 영역의 광 밀도를 기설정된 경계값으로 지정할 수 있다. 또한, 제2 영역의 계산된 광 밀도가 기설정된 경계값 이상인 경우, 렌더링 맵 생성부(120)는 제2 영역의 광 밀도를 계산된 광 밀도로 지정할 수 있다.
예를 들어, 기설정된 경계값이 0.5인 경우, 제1 영역의 계산된 광 밀도가 0.3이면, 렌더링 맵 생성부(120)는 제1 영역의 광 밀도를 0.5로 지정하고, 제2 영역의 계산된 광 밀도가 0.7이면, 렌더링 맵 생성부(120)는 제2 영역의 광 밀도를 0.7로 지정할 수 있다.
또한, 렌더링 맵 생성부(120)는 반사 영역 및 굴절 영역이 아닌 경우, 광 밀도를 0으로 지정할 수 있다. 구체적으로, 반사 영역 및 굴절 영역이 아닌 경우, 광선 추적 렌더링 방식으로 렌더링하지 않고, 레스터라이제이션 렌더링 방식을 이용하더라도 영상의 화질에 큰 차이가 없기 때문이다.
그리고, 렌더링 맵 생성부(120)는 상술한 바와 같이 산출된 각 영역의 광 밀도를 바탕으로 렌더링 맵을 생성할 수 있다. 이때, 렌더링 맵 생성부(120)는 지정된 광 밀도에 따른 그레이스케일을 가지는 렌더링 맵을 생성할 수 있다. 구체적으로, 렌더링 맵 생성부(120)는 해당 영역의 광 밀도가 0에 가까울수록 해당 영역의 그레이스케일을 255에 가깝도록 설정하며, 해당 영역의 광 밀도가 1에 가까울수록 해당 영역의 그레이스케일을 0에 가깝도록 설정할 수 있다. 예를 들어, 렌더링 맵 생성부(120)는 도 2에 도시된 바와 같은 렌더링 맵을 생성할 수 있다.
렌더링부(130)는 렌더링 맵을 이용하여 3차원 화면에 대한 렌더링 작업을 수행할 수 있다. 특히, 렌더링부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 렌더링부(131) 및 제2 렌더링부(133)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 렌더링부(131)는 그래픽 처리 유닛(Graphic processing unit) 또는 광선 추적 렌더링 전용 하드웨어로서 광선 추적 렌더링 방식으로 렌더링 작업을 수행할 수 있으며, 제2 렌더링부(133)는 중앙 처리 유닛(Central processing unit), 다른 그래픽 처리 유닛으로 레스터라이제이션 렌더링 방식으로 렌더링 작업을 수행할 수 있다. 여기서, 광선 추적 렌더링 방식은 화면의 픽셀마다 빛의 경로를 계산하고, 픽셀의 광도가 색채를 정하여 화면을 생성하는 방식이다. 광선 추적 렌더링 방식의 장점은 깨끗하고 자연스러운 화면을 생성할 수 있으며, 단점은 방대한 계산이 필요하다는 것이다. 레스터라이제이션 렌더링 방식은 벡터 또는 윤곽선 데이터를 그에 대응하는 픽셀 패턴 이미지로 변환하여 화면을 생성하는 방식이다. 레스터라이제이션 렌더링 방식의 장점은 빠른 렌더링 작업이 가능할 수 있으며, 단점은 사실적인 빛 표현이 불가능하며, 계단 효과 등과 같이 부자연스러운 렌더링 결과가 출력될 수 있다는 것이다.
구체적으로, 렌더링부(130)는 렌더링 맵에 따라 상이한 방식으로 3차원 화면을 렌더링할 수 있다. 특히, 렌더링부(130)는 렌더링 맵의 각 영역 중 광 밀도가 기설정된 값 이상인 영역을 제1 렌더링부(131)를 이용하여 광선 추적 렌더링 방식에 따라 렌더링을 수행하며, 렌더링 맵의 각 영역 중 광 밀도가 0인 영역을 제2 렌더링부(133)를 이용하여 레스터라이제이션 렌더링 방식에 따라 렌더링을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 광 밀도가 0인 영역, 즉, 반사 영역 및 굴절 영역이 아닌 영역의 경우, 레스터라이제이션 렌더링 방식을 이용하더라도 품질면에서 큰 차이가 없으므로, 렌더링부(130)는 광 밀도가 0인 영역의 경우 제2 렌더링부(133)를 이용하여 렌더링 작업을 수행할 수 있다.
또한, 광 밀도가 1인 영역의 경우, 렌더링부(130)는 광 밀도가 1인 영역의 전체 픽셀 모두에 광을 발사하여 렌더링을 수행할 수 있다. 광 밀도가 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역의 경우, 렌더링부(130)는 광 밀도에 따라 발사될 광의 량을 결정하고, 결정된 광의 양에 따라 광 밀도가 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역 중 일부 픽셀에 광을 발사하여 렌더링을 수행할 수 있다. 예를 들어, 해당 영역의 크기가 10 픽셀이고, 광 밀도가 0.7인 경우, 렌더링부(130)는 10 픽셀 중 7 픽셀에 광을 발사할 수 있다. 이때, 렌더링부(130)는 적정 분배 방식(evenly distributed method)에 따라 전체 픽셀 중 광이 발사될 픽셀을 선택할 수 있다.
한편, 광 밀도가 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역의 경우, 광이 발사되지 않는 픽셀이 존재할 수 있게 된다. 이때, 렌더링부(130)는 광 발사되지 않은 픽셀을 주변에 광이 발사된 픽셀을 이용하여 보간 작업을 수행할 수 있다. v예를 들어, 해당 영역의 크기가 10 픽셀이고, 광 밀도가 0.7인 경우. 렌더링부(130)는 광이 발사된 7 픽셀을 이용하여 광이 발사되지 않은 3 픽셀을 보간할 수 있다.
한편, 렌더링부(130)는 제1 렌더링부(131) 및 제2 렌더링부(133)를 이용하여 병렬적으로 렌더링 작업을 수행할 수 있다. 이로 인해, 렌더링부(130)는 더욱 빠른 속도로 3차원 영상의 렌더링 작업을 수행할 수 있게 된다.
그리고, 렌더링부(130)는 합성부(135)를 이용하여 제1 렌더링부(131)에 의해 렌더링된 결과와 제2 렌더링부(133)에 의해 렌더링된 결과를 합성할 수 있다. 구체적으로, 제1 렌더링부(131)에 의해 렌더링된 렌더링 결과가 프레임 버퍼(framebuffer) 상의 메모리에 출력되고, 제2 렌더링부(133)에 의해 렌더링된 렌더링 결과가 프레임 버퍼(framebuffer) 상의 메모리에 출력되면, 합성부(135)는 광선 추적 렌더링 방식에 의한 렌더링 결과와 레스터라이제이션 렌더링 방식에 의한 렌더링 결과를 합성하여 3차원 영상을 생성할 수 있다.
합성부(135)는 효율적인 합성을 위해 프레임 버퍼에 특화된 연산을 이용할 수 있으며, 필요한 경우 최종 생성된 3차원 화면에 후처리 연산을 수행할 수 있다.
출력부(150)는 합성된 3차원 화면을 출력한다. 이때, 출력부(150)는 디스플레이와 같은 출력 장치로 구현될 수 있으나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 프린터 등과 같은 인쇄 장치로 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 광 밀도에 따라 광선 추적 렌더링 방식 또는 레스터라이제이션 렌더링 방식을 이용하여 렌더링 작업을 수행함으로써, 영상 출력 장치(100)는 기존의 광선 추적 렌더링 방식에 비해 품질이 떨어지지 않는 3차원 영상을 더욱 이른 시간에 렌더링할 수 있게 된다.
특히, 도 3a는 기존의 광선 추적 렌더링 방식으로 3차원 화면을 렌더링한 결과를 나타내는 도면이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 렌더링 방식으로 3차원 화면을 렌더링한 결과를 나타내는 도면이다. 도 3a 및 도 3b를 살펴보면, 본 발명과 같이 복수의 렌더링 방식을 이용하여 3차원 화면을 출력하더라도, 광선 추적 렌더링 방식만을 이용하여 3차원 화면을 렌더링한 결과와 거의 유사한 품질을 제공할 수 있으며, 광선 추적 렌더링 방식만을 이용하여 3차원 화면을 렌더링한 것보다 더욱 빠른 렌더링 작업을 수행할 수 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여, 영상 출력 장치(100)의 3차원 영상 렌더링 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 3차원 영상 렌더링 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
우선, 영상 출력 장치(100)는 3차원 화면을 로딩한다(S410). 이때, 영상 출력 장치(100)는 배경화면으로서 기저장된 3차원 화면에 대한 데이터를 로딩할 수 있으나, 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 외부로부터 수신되는 3차원 화면을 로딩할 수 있다.
영상 출력 장치(100)는 광 밀도를 계산하여 렌더링 맵을 생성한다(S420). 영상 출력 장치가 렌더링 맵을 생성하는 방법에 대해서는 도 5를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
우선, 영상 출력 장치(100)는 로딩된 3차원 화면을 레스터라이즈한다(S510). 레스터라이즈 작업을 통해 3차원 화면을 구성하는 오브젝트는 출력 프레임 버퍼(frame buffer)의 각 영역으로 매핑될 수 있다.
그리고, 영상 출력 장치(100)는 3차원 화면의 각 영역이 반사 영역 또는 굴절 영역인지 여부를 판단한다(S520).
반사 영역 또는 굴절 영역인 경우(S520-Y), 영상 출력 장치(100)는 광선 추적의 중요도를 계산한다(S530). 이때, 영상 출력 장치(100)는 상술한 수학식 1과 같은 방법으로 광선 추적의 중요도를 계산할 수 있다. 즉, 영상 출력 장치(100)는 사용자 시점과 가까운 영역이거나 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 수직에 가까울수록 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 사용자 시점과 먼 영역이거나 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 평행에 가까울수록 광선 추적의 중요도를 낮게 계산할 수 있다. 또한, 영상 출력 장치(100)는 오브젝트의 속도 또는 가속도를 이용하여 광선 추적의 중요도를 계산할 수 있다. 구체적으로, 오브젝트의 속도 또는 가속도가 기설정된 값(T) 이하인 경우, 영상 출력 장치(100)는 계산된 속도 또는 가속도가 증가할수록 오브젝트가 디스플레이된 영역의 광선 추적의 중요도를 높게 계산할 수 있다. 그러나, 오브젝트의 속도 또는 가속도가 기설정된 값 초과인 경우, 영상 출력 장치(100)는 속도 또는 가속도가 증가할수록 오브젝트가 디스플레이되는 영역의 광선 추적의 중요도를 낮게 계산할 수 있다.
그리고, 영상 출력 장치(100)는 광선 추적의 중요도에 따라 광 밀도를 계산한다(S540). 이때, 광선 추적의 중요도는 영역에 입사되는 광의 양을 의미할 수 있으며, 영상 출력 장치(100)는 광 밀도를 상술한 수학식 2와 같이, 영역의 픽셀 사이즈를 광선 추적의 중요도에 대응되는 영역에 입사되는 광의 양에 나누어 계산할 수 있다.
그리고, 영상 출력 장치(100)는 계산된 광 밀도가 기 설정된 값 미만인지 여부를 판단한다(S550).
계산된 광 밀도가 기설정된 값 미만인 경우(S550-Y), 영상 출력 장치(100)는 기설정된 값을 해당 영역의 광 밀도로 지정하며(S560), 계산된 광 밀도가 기설정된 값 이상인 경우(S550-N), 영상 출력 장치(100)는 계산된 광 밀도를 해당 영역의 광 밀도로 지정한다(S570).
한편, 해당 영역이 반사 영역 및 굴절 영역이 아닌 경우(S520-N), 영상 출력 장치(100)는 해당 영역의 광 밀도를 0으로 지정한다(S580).
그리고, 영상 출력 장치(100)는 지정된 광 밀도에 따라 렌더링 맵을 생성한다(S590). 이때, 영상 출력 장치(100)는 지정된 광 밀도에 따른 그레이스케일을 가지는 렌더링 맵을 생성할 수 있다.
다시 도 4에 대해 설명하면, 영상 출력 장치(100)는 생성된 렌더링 맵을 이용하여 렌더링을 수행한다(S430). 이때, 영상 출력 장치(100)는 광 밀도가 0인 영역을 레스터라이제이션 렌더링 방식으로 렌더링을 수행하고, 광 밀도가 기설정된 값 이상인 영역을 광선 추적(ray tracing) 렌더링 방식으로 렌더링을 수행할 수 있다. 또한, 영상 출력 장치(100)는 광 밀도가 1인 영역의 경우, 영역의 전체 픽셀 모두에 광을 발사하여 렌더링을 수행할 수 있다. 또한, 영상 출력 장치(100)는 광 밀도가 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역의 경우, 영역의 전체 픽셀 중 일부 픽셀에 광을 발사하여 렌더링을 수행할 수 있다.
한편, 영상 출력 장치(100)는 레스터라이제이션 렌더링 방식으로 렌더링을 수행할 수 있는 하드웨어 및 광선 추적 렌더링 방식으로 렌더링을 수행할 수 있는 하드웨어를 각각 구비할 수 있으며, 각각의 하드웨어는 병렬적으로 렌더링 작업을 수행할 수 있다.
그리고, 영상 출력 장치(100)는 렌더링된 3차원 화면을 출력한다(S440). 이때, 영상 출력 장치(100)는 디스플레이와 같은 영상 표시 장치를 이용하여 3차원 화면을 출력할 수 있으며, 프린터 등과 같은 영상 인쇄 장치를 이용하여 3차원 화면을 출력할 수 있다.
상술한 바와 같은 3차원 영상 렌더링 방법에 의해, 기존의 광선 추적 렌더링 방식과 큰 차이 없는 화질의 3차원 화면을 출력하면서, 동시에 연산량을 감소시켜 더욱 빠른 처리속도로 3차원 영상을 출력할 수 있다.
또한, 상술한 다양한 실시 예에 따른 3차원 영상 렌더링 방법은 프로그램으로 구현되어 디스플레이 장치에 제공될 수 있다.
구체적으로는, 3차원 화면을 로딩하는 단계; 상기 로딩된 3차원 화면의 각 영역에 대한 광 밀도를 계산하여 렌더링 맵을 생성하는 단계; 상기 렌더링 맵을 이용하여 상기 3차원 화면을 렌더링하는 단계; 및 상기 렌더링된 3차원 화면을 출력하는 단계;를 포함하는 프로그램이 저장된 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)가 제공될 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110: 로딩부 120: 맵 생성부
130: 렌더링부 140: 출력부

Claims (22)

  1. 3차원 화면을 로딩하는 단계;
    상기 로딩된 3차원 화면의 각 영역에 대한 광 밀도를 계산하여 렌더링 맵을 생성하는 단계;
    상기 렌더링 맵을 이용하여 상기 3차원 화면을 렌더링하는 단계; 및
    상기 렌더링된 3차원 화면을 출력하는 단계;를 포함하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는,
    상기 로딩된 3차원 화면의 영역 중 굴절 영역 및 반사 영역을 판단하는 단계;
    상기 굴절 영역 및 반사 영역인 경우, 상기 광선 추적의 중요도를 계산하는 단계; 및
    상기 산출된 광선 추적의 중요도에 따라 광 밀도를 계산하는 단계;를 포함하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광선 추적의 중요도를 계산하는 단계는,
    사용자 시점과 가까운 영역이거나 상기 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 수직에 가까울수록 상기 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 상기 사용자 시점과 먼 영역이거나 상기 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 평행에 가까울수록 상기 광선 추적의 중요도를 낮게 계산하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광선 추적의 중요도를 계산하는 단계는,
    상기 3차원 화면에 포함된 오브젝트의 속도 및 가속도 중 하나를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도가 기설정된 값 이하인 경우, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도의 값이 증가할수록 상기 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도가 기설정된 값 초과인 경우, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도의 값이 증가할수록 상기 광선 추적의 중요도를 낮게 계산하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광 밀도를 계산하는 단계는,
    상기 산출된 광선 추적의 중요도에 따라 영역에 입사되는 광의 양을 조절하며, 상기 광 밀도는 영역의 픽셀 사이즈를 상기 영역에 입사되는 광의 양에 나누어 계산하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 계산된 광 밀도가 기설정된 값을 미만인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 제1 영역의 광 밀도가 기설정된 값 미만인 경우, 상기 기설정된 값을 상기 제1 영역 광 밀도로 지정하고, 상기 제2 영역의 광 밀도가 기설정된 값 이상인 경우, 상기 계산된 광 밀도를 상기 제2 영역의 광 밀도로 지정하는 단계;를 포함하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    제3 영역이 상기 굴절 영역 및 반사 영역이 아닌 경우, 상기 광 밀도를 0으로 지정하는 단계;를 더 포함하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 렌더링 맵을 생성하는 단계는,
    상기 지정된 광 밀도에 따른 그레이스케일을 가지는 렌더링 맵을 생성하는 단계;를 더 포함하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 렌더링하는 단계는,
    상기 광 밀도가 0인 영역은 레스터라이제이션 렌더링 방식으로 렌더링을 수행하고, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상인 영역은 광선 추적(ray tracing) 렌더링 방식으로 렌더링을 수행하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 렌더링하는 단계는,
    상기 광 밀도가 1인 영역은 상기 광 밀도가 1인 영역의 전체 픽셀 모두에 광을 발사하여 렌더링을 수행하며, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역은 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역 중 일부 픽셀에 광을 발사하여 렌더링을 수행하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 렌더링하는 단계는,
    상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역 중 광이 발사되지 않은 픽셀은 광이 발사된 영역을 이용하여 보간하는 단계;를 더 포함하는 3차원 영상 렌더링 방법.
  12. 3차원 화면을 로딩하는 로딩부;
    상기 로딩된 3차원 화면의 각 영역에 대한 광 밀도를 계산하여 렌더링 맵을 생성하는 렌더링 맵 생성부;
    상기 렌더링 맵을 이용하여 상기 3차원 화면을 렌더링하는 렌더링부; 및
    상기 렌더링된 3차원 화면을 출력하는 출력부;를 포함하는 영상 출력 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 렌더링 맵 생성부는,
    상기 로딩된 3차원 화면의 영역 중 굴절 영역 및 반사 영역을 판단하고, 상기 굴절 영역 및 반사 영역인 경우, 상기 광선 추적의 중요도를 계산하며, 상기 산출된 광선 추적의 중요도에 따라 광 밀도를 계산하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 렌더링 맵 생성부는,
    사용자 시점과 가까운 영역이거나 상기 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 수직에 가까울수록 상기 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 상기 사용자 시점과 먼 영역이거나 상기 사용자 시점 방향과 영역의 법선 벡터가 평행에 가까울수록 상기 광선 추적의 중요도를 낮게 계산하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 렌더링 맵 생성부는,
    상기 3차원 화면에 포함된 오브젝트의 속도 및 가속도 중 하나를 계산하고, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도가 기설정된 값 이하인 경우, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도의 값이 증가할수록 상기 광선 추적의 중요도를 높게 계산하며, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도가 기설정된 값 초과인 경우, 상기 계산된 오브젝트의 속도 및 가속도의 값이 증가할수록 상기 광선 추적의 중요도를 낮게 계산하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 렌더링 맵 생성부는,
    상기 산출된 광선 추적의 중요도에 따라 영역에 입사되는 광의 양을 조절하며, 상기 광 밀도는 영역의 픽셀 사이즈를 상기 영역에 입사되는 광의 양에 나누어 계산하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 렌더링 맵 생성부는,
    상기 계산된 광 밀도가 기설정된 값을 미만인지 여부를 판단하고, 상기 제1 영역의 광 밀도가 기설정된 값 미만인 경우, 상기 기설정된 값을 상기 제1 영역 광 밀도로 지정하고, 상기 제2 영역의 광 밀도가 기설정된 값 이상인 경우, 상기 계산된 광 밀도를 상기 제2 영역의 광 밀도로 지정하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 렌더링 맵 생성부는,
    제3 영역이 상기 굴절 영역 및 반사 영역이 아닌 경우, 상기 광 밀도를 0으로 지정하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 렌더링 맵 생성부는,
    상기 지정된 광 밀도에 따른 그레이스케일을 가지는 렌더링 맵을 생성하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 렌더링부는,
    상기 광 밀도가 0인 영역은 레스터라이제이션 렌더링 방식으로 렌더링을 수행하고, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상인 영역은 광선 추적(ray tracing) 렌더링 방식으로 렌더링을 수행하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 렌더링부는,
    상기 광 밀도가 1인 영역은 상기 광 밀도가 1인 영역의 전체 픽셀 모두에 광을 발사하여 렌더링을 수행하며, 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역은 상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역 중 일부 픽셀에 광을 발사하여 렌더링을 수행하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 렌더링부는,
    상기 광 밀도가 상기 기설정된 값 이상이고 1 미만인 영역 중 광이 발사되지 않은 픽셀은 광이 발사된 영역을 이용하여 보간하는 것을 특징으로 하는 영상 출력 장치.
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