컴퓨터 그래픽스에서 그림자는 장면의 사실성을 높이기 위하여 매우 중요한 요소이다. 전경을 렌더링 할 때 그림자의 모양이나 위치를 정확하게 나타내는 것도 중요하지만, 실제 세계에서 흔히 볼 수 있는 면적을 가지는 광원에 의한 부드러운 그림자를 효과적으로 표현하는 것도 중요하다. 그러나 현존하는 대부분의 그림자 생성 기법들은 사실적인 그림자를 사실적인 실시간으로 생성해 내기에 어려움이 많다. 기존에 제안된 영상 기반 렌더링 기법을 이용하면 실시간으로 그림자를 생성해 내는데 유용하게 사용될 수가 있다. 하지만 이러한 방법에서는 일반적으로 그림자 지도의 크기가 지나치게 방대해지기 때문에, 텍스춰 메모리에 올리기에 무리가 따르게 되므로, 효율적인 압축기법이 필요하다는 단점이 있다. 이러한 그림자 지도의 크기와 압축의 부담으로 인해, 다양한 물체의 움직임을 표현하거나, 부드러운 그림자로의 확장에 어려움이 있을 수 있다. 이러한 점을 해결하고자, 본 논문에서는 영상 기반 렌더링 기법을 적용한 방법에 이미지 와핑 기법을 응용하여 그림자 지도의 크기를 대폭 줄일 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이 방법에서는 물체가 움직이는 범위와 상관없이 매우 적은 개수의 그림자 지도만으로 그림자를 만들어 낼 수 있기 때문에, 부드러운 그림자를 만들기 위한 방법으로 쉽게 적용할 수 있다. 이 논문에서 개발한 기법은 3차원 게임이나 가상 현실 등 관련 분야에서 사실적인 영상을 실시간으로 생성해 내는 데 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.
컴퓨터 그래픽스에서 그림자는 장면의 사실성을 높이기 위하여 매우 중요한 요소이다. 전경을 렌더링 할 때 그림자의 모양이나 위치를 정확하게 나타내는 것도 중요하지만, 실제 세계에서 흔히 볼 수 있는 면적을 가지는 광원에 의한 부드러운 그림자를 효과적으로 표현하는 것도 중요하다. 그러나 현존하는 대부분의 그림자 생성 기법들은 사실적인 그림자를 사실적인 실시간으로 생성해 내기에 어려움이 많다. 기존에 제안된 영상 기반 렌더링 기법을 이용하면 실시간으로 그림자를 생성해 내는데 유용하게 사용될 수가 있다. 하지만 이러한 방법에서는 일반적으로 그림자 지도의 크기가 지나치게 방대해지기 때문에, 텍스춰 메모리에 올리기에 무리가 따르게 되므로, 효율적인 압축기법이 필요하다는 단점이 있다. 이러한 그림자 지도의 크기와 압축의 부담으로 인해, 다양한 물체의 움직임을 표현하거나, 부드러운 그림자로의 확장에 어려움이 있을 수 있다. 이러한 점을 해결하고자, 본 논문에서는 영상 기반 렌더링 기법을 적용한 방법에 이미지 와핑 기법을 응용하여 그림자 지도의 크기를 대폭 줄일 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이 방법에서는 물체가 움직이는 범위와 상관없이 매우 적은 개수의 그림자 지도만으로 그림자를 만들어 낼 수 있기 때문에, 부드러운 그림자를 만들기 위한 방법으로 쉽게 적용할 수 있다. 이 논문에서 개발한 기법은 3차원 게임이나 가상 현실 등 관련 분야에서 사실적인 영상을 실시간으로 생성해 내는 데 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.
Shadows are important elements in producing a realistic image. Generation of exact shapes and positions of shadows is essential in rendering since it provides users with visual cues on the scene. It is also very important to be able to create soft shadows resulted from area light sources since they ...
Shadows are important elements in producing a realistic image. Generation of exact shapes and positions of shadows is essential in rendering since it provides users with visual cues on the scene. It is also very important to be able to create soft shadows resulted from area light sources since they increase the visual realism drastically. In spite of their importance. the existing shadow generation algorithms still have some problems in producing realistic shadows in real-time. While image-based rendering techniques can often be effective1y applied to real-time shadow generation, such techniques usually demand so large memory space for storing preprocessed shadow maps. An effective compression method can help in reducing memory requirement, only at the additional decoding costs. In this paper, we propose a new image-barred shadow generation method based on image warping. With this method, it is possible to generate realistic shadows using only small sizes of pre-generated shadow maps, and is easy to extend to soft shadow generation. Our method will be efficiently used for generating realistic scenes in many real-time applications such as 3D games and virtual reality systems.
Shadows are important elements in producing a realistic image. Generation of exact shapes and positions of shadows is essential in rendering since it provides users with visual cues on the scene. It is also very important to be able to create soft shadows resulted from area light sources since they increase the visual realism drastically. In spite of their importance. the existing shadow generation algorithms still have some problems in producing realistic shadows in real-time. While image-based rendering techniques can often be effective1y applied to real-time shadow generation, such techniques usually demand so large memory space for storing preprocessed shadow maps. An effective compression method can help in reducing memory requirement, only at the additional decoding costs. In this paper, we propose a new image-barred shadow generation method based on image warping. With this method, it is possible to generate realistic shadows using only small sizes of pre-generated shadow maps, and is easy to extend to soft shadow generation. Our method will be efficiently used for generating realistic scenes in many real-time applications such as 3D games and virtual reality systems.
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문제 정의
것이다. 각 실험은 다양한 그림자 지도의 크기에 대하여 경계가 뚜렷한 그림자를 생성하는 속도를 측정한 것이다. 기존의 방법은 그림자 텍스춰들을 압축하지 않고 사용하는 경우('기존의 방법-비압축')와 [23] 에서제시한 웨이블릿 기법으로 압축하여 사용하는 경우('기존의 방법-압축, )에 대하여 실험하였다.
본 논문에서는 이러한 단점을 해결하고자 기존의 영상 기반 렌더링을 이용한 그림자 생성 기법에 이미지와 핑 기법을 도입하여 그림자 지도의 크기를 대폭 줄일 수 있는 방법을 제안하였다. 이 방법에서는 텍스춰 매핑 기법을 이용하여 이미지 와핑을 매우 빠른 속도로 수행할 수 있었으며, 그로 인해 실제 세계에서와 같은 부드러운 그림자를 실시간에 가까운 속도로 생성해 낼 수 있었다.
이 논문에서 제안하는 방법의 궁극적인 목표는 그림자 지도를 사용하는 기존의 영상 기반 렌더링 기법보다 적은 양의 메모리를 사용하면서 대등한 속도를 얻을 수 있는 방법을 개발하는 것이다 이를 위해서 ⑼에서 설명한 메쉬 와핑 알고리즘을 이용하면 지나치게 많은 계산량을 필요로 하고 따라서 그 속도가 느려지기 때문에 적합한 방법이라 할 수 없다. 따라서 매우 빠른 속도로 이미지 와핑을 할 수 있는 방법을 필요로 하게 되었는데, 텍스춰 매핑 하드웨어를 이용한 이미지 와핑 방법이 가장 빠른 속도를 낼 수 있었다.
이 논문에서는 기존의 영상 기반 렌더링 기법이 지나치게 큰 텍스춰 메모리를 요구하는 문제점이 있었기 때문에 이미지 와핑을 이용하여 최소한의 그림자 지도만으로 모든 위치의 그림자를 빠르게 생성해 낼 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 즉, 중간 단계의 그림자를 만들어 낼 수 있는 최소한의 그림자 지도만을 미리 생성하여 텍스춰 메모리에 올리고, 그것들을 이용하여 이미지 와핑을 함으로써 그 사이의 위치에 대한 그림자들을 생성하고자 하였다.
그림자를 이미지 모핑을 이용해 구현하였다. 이 논문에서는 면적의 양 끝점에서 생성된 그림자 지도에서 이미지 모핑을 이용하여 그 중간 단계에 해당되는 그림자 지도들을 생성하고 누적하여 부드러운 그림자를 만들 수 있다고 하였다. 그러나 물체가 움직이는 경우에 대하여 매번 그림자 지도를 새로 생성해야 하고, 다시 모핑을 해야하기 때문에 3차원 게임과 같은 실시간 응용에 적용하기가 적합하지 않다.
이 장에서는 기존의 영상 기반 렌더링을 이용한 방법이 지나치게 큰 그림자 지도를 필요로 한다는 단점을 해결하기 위하여 이미지 와핑 기법을 이용한 방법을 제안하고자 한다. 이미지 와핑은 주어진 이미지를 사용자가 원하는 모양으로 변형시키는 기법으로써, 이미 수많은 영화들에 특수 효과로 사용된 바 있는 방법이다.
가설 설정
1. 전경에 투영의 방향을 맞추는 모델뷰 변환(model- view transform) 과정.
우선 설명의 편의상 물체가 평면상에서 이동한다고 가정하자. 이러한 경우 움직이는 영역에 대하여 각 모서리와 중간 지점에 대하여 3X3의 위치에 대해 미리 그림자 지도를 생성한다.
제안 방법
실제로 그림자를 생성해내는데 영향을 미치는 요소는 그림자 지도의 크기, 와핑을위한 조절점의 수, 부드러운 그림자를 만들기 위한 광원의 샘플링 횟수 둥이 있다. 그리고, 이 논문에서 제안한 방법이 기반을 둔 영상 기반 렌더링을 이용한 그림자생성 방법[4]의 성능과 비교하기 위하여 같은 조건하에서의 그림자 생성 시간을 비교하였다.
각 실험은 다양한 그림자 지도의 크기에 대하여 경계가 뚜렷한 그림자를 생성하는 속도를 측정한 것이다. 기존의 방법은 그림자 텍스춰들을 압축하지 않고 사용하는 경우('기존의 방법-비압축')와 [23] 에서제시한 웨이블릿 기법으로 압축하여 사용하는 경우('기존의 방법-압축, )에 대하여 실험하였다. 압축을 하는 경우에 실제로 텍스춰를 디코딩해야 하는 시간이 추가되므로 압축을 하지 않을 경우보다 느리게 된다.
그림 1은 전처리 과정에서 만들어진 깊이 정보로써, 이것을 그림자 지도라 한다. 두 번째 과정에서 실제 렌더링을 할 때, 각 픽셀의 깊이 값을 광원을 기준으로 하는 좌표계로 변환하여 앞의 그림자 지도의 깊이 값과 비교한다. 만약 실제 렌더링하는 물체의 깊이 값이 더 큰 경우, 지점과 광원 사이에 빛을 가로막는 물체가 있는 것이므로 그 지점에 그림자를 지게 하면 되는 것이다.
1 에서 대부분 구현할 수 있지만, 텍셀 값과 广값을 비교하는 기능은 몇몇 SGI 장비를 제외하고는 아직 일반적으로 지원되지 않고 있다. 따라서, 이 논문에서는 그림자가 지게 될 물체에만 텍스춰를 붙이게 함으로써 그림자를 지게 하였는데, 이 방법으로는 물체 자체에는 그림자가 지게 하지 못하는 단점이 있다.
비교하였다. 또한 그림자를 생성하는데 영향을 미치는 여러 가지 요소들에 대하여 실험하였다. 실제로 그림자를 생성해내는데 영향을 미치는 요소는 그림자 지도의 크기, 와핑을위한 조절점의 수, 부드러운 그림자를 만들기 위한 광원의 샘플링 횟수 둥이 있다.
그림자 생성 속도를 측정한 결과이다. 모든 그림자를 직접 렌더링하여 매번 새롭게 만드는 기존의 방법과 이미지 와핑을 이용한 새로운 방법의 그림자 생성속도를 비교하였다. 이 결과에서 나타난 부드러운 그림자를 생성하는 속도는 충분히 실시간 렌더링을 가능하게 하는 성능이며, 이미지 압축에 기반하는 기존의 방법보다 매우 적은 양의 메모리를 사용하기 때문에 더욱 복잡한 전경에 대한 적용이 가능하다고 할 수 있다.
이 논문에서 제안한 이미지 와핑을 이용한 그림자 생성 기법은 Silicon Graphics의 Visual Workstation 320 에서 구현되었다. 이 시스템은 두 개의 Intel Penti um n 450MHz 의 CPU 와 164MBytes 의 메인 메모리, 92MByte$의 그래픽 메모리를 가지고 있으며, Silicon Graphics의 Cobalt 칩셋을 사용한 그래픽스 가속기를 사용한다.
[18]에서는 두 참조 이미지간의 매핑 관계를 자동으로 설정하기 위하여 각 이미지에 해당하는 뷰잉인자로부터 두 이미지간의 차이를 나타내는 4행 4열 변환 행렬을 구하고, 이를 통하여 오프셋 벡터로 표현된 '모프 맵'을 구하였다. 이 방법에서는 중간 단계의 이미지를 구하기 위하여 '블록 압축이라는 방법으로 압축된모프 맵을 사용하여 빠르게 보간 계산을 수행하였다. 이 방법은 비교적 우수한 결과를 산출하기는 하나, 본 연 구위 목적인 현존하는 그래픽스 가속기를 사용한 부드러운 그림자 생성에 적용하기가 용이하지가 않다.
제안하고자 한다. 즉, 중간 단계의 그림자를 만들어 낼 수 있는 최소한의 그림자 지도만을 미리 생성하여 텍스춰 메모리에 올리고, 그것들을 이용하여 이미지 와핑을 함으로써 그 사이의 위치에 대한 그림자들을 생성하고자 하였다.
대상 데이터
본 살험에서는 그림자를 생성하는 시간과 물체의 복잡도 사이의 연관성을 알아보기 위해 세 가지의 다면체 모델(주전자 : 다각형 M52개, 의자 : 다각형 14钢개, 소 : 다각형 5804)로 실험하고 그 결과를 비교하였다. 또한 그림자를 생성하는데 영향을 미치는 여러 가지 요소들에 대하여 실험하였다.
성능/효과
방법이라 할 수 없다. 따라서 매우 빠른 속도로 이미지 와핑을 할 수 있는 방법을 필요로 하게 되었는데, 텍스춰 매핑 하드웨어를 이용한 이미지 와핑 방법이 가장 빠른 속도를 낼 수 있었다.
또한, 이미지 와핑을 했을 때, 실제 렌더링한 그림자 모양과 유사한 결과를 얻어낼 수 있을 만큼의 최소한의 그림자 지도만을 미리 생성하여 사용하기 때문에, 기존의 영상 기반 렌더링 기법을 이용한 방법보다 훨씬 적은 크기의 그림자 지도만으로 그와 비슷한 속도로 그림자를 생성해 낼 수 있었다. 또한 텍스춰 메모리에 대한 부담이 적고, 생성 속도가 빠르기 때문에 면적을 가지는 광원에 대한 부드러운 그림자를 생성하는 경우에도 매우 빠른 속도로 그림자를 생성할 수 있었으며, 물체의 다양한 움직임에 대하여 고차원의 그림자 지도데이타를 사용하는 기법으로 확장하기에도 용이하다.
이 결과에서 나타난 부드러운 그림자를 생성하는 속도는 충분히 실시간 렌더링을 가능하게 하는 성능이며, 이미지 압축에 기반하는 기존의 방법보다 매우 적은 양의 메모리를 사용하기 때문에 더욱 복잡한 전경에 대한 적용이 가능하다고 할 수 있다. 또한 표 5에서 보듯이 새로운 방법은 부드러운 그림자를 만드는 데 실시간 렌더링이 전혀 불가능할 정도로 느린 기존의 방법과 비H하여 최고 15배 가량 빠른 속도를 보여주었다.
이 방법에서는 텍스춰 매핑 기법을 이용하여 이미지 와핑을 매우 빠른 속도로 수행할 수 있었으며, 그로 인해 실제 세계에서와 같은 부드러운 그림자를 실시간에 가까운 속도로 생성해 낼 수 있었다. 또한, 이미지 와핑을 했을 때, 실제 렌더링한 그림자 모양과 유사한 결과를 얻어낼 수 있을 만큼의 최소한의 그림자 지도만을 미리 생성하여 사용하기 때문에, 기존의 영상 기반 렌더링 기법을 이용한 방법보다 훨씬 적은 크기의 그림자 지도만으로 그와 비슷한 속도로 그림자를 생성해 낼 수 있었다. 또한 텍스춰 메모리에 대한 부담이 적고, 생성 속도가 빠르기 때문에 면적을 가지는 광원에 대한 부드러운 그림자를 생성하는 경우에도 매우 빠른 속도로 그림자를 생성할 수 있었으며, 물체의 다양한 움직임에 대하여 고차원의 그림자 지도데이타를 사용하는 기법으로 확장하기에도 용이하다.
또한 이 메모리의 양도 프레임 메모리와 공유하는 것이기 때문에 실제 텍스춰 메모리로 사용할 수 있는 양은 매우 적은 실정이다. 실제로 이 방법에서는 텍스춰 메모리의 양보다 적은 크기의 그림자 지도를 사용할 경우 매우 빠른 속도로 그림자를 만들어 낼 수 있지만, 그림자 지도의 크기가 텍스춰 메모리의 양보다 커지는 경우 그 속도가 현저히 느려지는 단점이 있었다. 이러한 단점을 해결하기 위해서 빠른 디코딩 속도와 랜덤 액세스를 제공하는 Haar기저의 웨이블릿 압축 방법을 사용하였는데, 이 방법으로 지나치게 커진 그림자 지도의 크기를 매우 작게 압축할 수 있*으므로 위의 문제를 해결할 수 있지만, 압축을 풀기 위해 어느 정도의 시간이 필요하기 때문에 속도의 저하는 피할 수 없게 된다.
모든 그림자를 직접 렌더링하여 매번 새롭게 만드는 기존의 방법과 이미지 와핑을 이용한 새로운 방법의 그림자 생성속도를 비교하였다. 이 결과에서 나타난 부드러운 그림자를 생성하는 속도는 충분히 실시간 렌더링을 가능하게 하는 성능이며, 이미지 압축에 기반하는 기존의 방법보다 매우 적은 양의 메모리를 사용하기 때문에 더욱 복잡한 전경에 대한 적용이 가능하다고 할 수 있다. 또한 표 5에서 보듯이 새로운 방법은 부드러운 그림자를 만드는 데 실시간 렌더링이 전혀 불가능할 정도로 느린 기존의 방법과 비H하여 최고 15배 가량 빠른 속도를 보여주었다.
이 논문에서 제안한 그림자 생성 방법에서 한 개의 그림자의 생성에 시간적으로 가장 큰 영향을 미치는 요소로 그림자 텍스춰의 크기와 이미지 와핑에 걸리는 시간을 들 수가 있다. 반면, 본 방법에서는 물체의 그림자를 미리 만들어 놓기 때문어〕, 실제 렌더링 시에 그림자를 생성하는 시간은 물체의 복잡도와 관계없이 일정한 속도로 그림자를 만들어 낼 수 있다.
있는 방법을 제안하였다. 이 방법에서는 텍스춰 매핑 기법을 이용하여 이미지 와핑을 매우 빠른 속도로 수행할 수 있었으며, 그로 인해 실제 세계에서와 같은 부드러운 그림자를 실시간에 가까운 속도로 생성해 낼 수 있었다. 또한, 이미지 와핑을 했을 때, 실제 렌더링한 그림자 모양과 유사한 결과를 얻어낼 수 있을 만큼의 최소한의 그림자 지도만을 미리 생성하여 사용하기 때문에, 기존의 영상 기반 렌더링 기법을 이용한 방법보다 훨씬 적은 크기의 그림자 지도만으로 그와 비슷한 속도로 그림자를 생성해 낼 수 있었다.
이 표에서 그림자는 전체 렌더링 시간('전체') 중 와핑을 통한 그림자 생성에 걸리는 시간으로서 본 논문에서 제안하는 방법에서는 그림자 생성 속도는 물체의 복잡도보다는 그림자 지도의 크기에 더 크게 영향을 받음을 알 수가 있다. 따라서 이미지 와핑을 이용한 二■림자지도 기법에서는 전경의 복잡도와 상관없이 거의 균일한 속도로 그림자를 생성해 낼 수 있다.
압축을 하는 경우에 실제로 텍스춰를 디코딩해야 하는 시간이 추가되므로 압축을 하지 않을 경우보다 느리게 된다. 참고로 본 실험에서 512X512 해상도의 그림자 텍스춰를 사용할 경우 압축을 하지 않을 때 전체 그림자 데이타의 크기가 하드웨어에서 제공하는 텍스춰 메모리보다 많아져 메인 메모리와의 스워핑이 자주 일어나 느린 결과를 얻었다. 전체적으로 보면 [4〕의 방법에서 압축을 할 경 우본 논문에서 제안한 방법과 비슷한 그림자 생성 속도를 보여 주고 있다.
그릴 수 있다. 텍스춰 매핑을 이용한 와핑 방법은 그 수행 속도가 매우 빠르고 조절점들을 잘 설정한다면 상당히 괜찮은 수준의 결과를 얻올 수 있기 때문에, 본 논문에서 제안하는 방법에 적합하다 할 수 있다. 이미지 와핑을 이용해서 그림자를 생성하려면 다음과 같은 과정을 수행해야 한다.
후속연구
이 방법은 비교적 우수한 결과를 산출하기는 하나, 본 연 구위 목적인 현존하는 그래픽스 가속기를 사용한 부드러운 그림자 생성에 적용하기가 용이하지가 않다. 본 논문의 방법에서 사용된 그림자 텍스춰는 그림자의 모양만을 가지는 이미지이기 때문에 와핑하는 방법이 간단하기는 하지만, 모든 작업을 자동적으로 수행하기 위해서는 조절점을 자동적으로 설정해 줄 수 있는 적당한 방법이 필요하다. 실험을 통하여 조절점 개수에 따른 성능을 비교해본 바로는.
조절점의 개수가 전체적인 성능에 미치는 영향은 비교적 적기 때문어], 향후 연구 과제로써 적절한 개수의 조절점을 자동으로 지정해 줄 수 있는 방법을 개발할 수 있다면 그림자 생성의 전 과정을 자동적으로 수행하여 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 이 논문에서 제안한 방법은 앞으로 더욱 복잡하고 정교해질 실시간 그래픽스 분야에서 자연스러운 그림자를 생성해 내는 데에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
실험을 통하여 조절점 개수에 따른 성능을 비교해본 바로는. 조절점의 개수가 전체적인 성능에 미치는 영향은 비교적 적기 때문어], 향후 연구 과제로써 적절한 개수의 조절점을 자동으로 지정해 줄 수 있는 방법을 개발할 수 있다면 그림자 생성의 전 과정을 자동적으로 수행하여 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 이 논문에서 제안한 방법은 앞으로 더욱 복잡하고 정교해질 실시간 그래픽스 분야에서 자연스러운 그림자를 생성해 내는 데에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
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