컴퓨터 그래픽스 분야에서는 해양파(ocean waves)를 표현하기 위한 여러가지 방법들이 있지만, 완전한 해결책은 아직까지 제시되지 못하고 있다. 해양파는 여러가지 원인에 의해 생성되지만, 가장 지배적인 요소는 바람과 중력에 의한 표면 중력파(surface gravity waves)이다. 본 논문에서는 해앙학 분야의 정밀한 해양파 모델에 기초하여, 실시간에 표면 중력파를 시뮬레이션하는 방법을 제시한다. 기존 연구들은 수심이 무한대라고 가정하는 Pierson-Moskowitz(PM) 모델[1]을 사용하여, 얕은 바다를 시뮬레이션하기에는 무리가 따랐다. 본 논문에서는 좀더 정밀한 Texel-Marsen-Arsloe(TMA) 모델[2]을 사용하여 더욱 사실적인 해양파를 표현할 수 있다. TMA 모델을 분석한 후, 3차원 컴퓨터 그래픽스 프로그램들에서 사용할 수 있는 실제적인 구현 모델(implementation model)을 정립하였고, 이를 구현한 프로토타입 시스템은 펜티엄-4 1.6GHz PC들에서 초당 30프레임 이상을 표시할 수 있음을 보였다. 본 논문에서 제안하는 방법은 기존 연구들에 비해, (1) 사용자가 제어할 수 있는 매개변수들이 더욱 다양해짐으로써, 사용자 요구에 적합한 파형(wave shape)들을 다양하게 생성할 수 있고, (2) 정밀한 해양파 모델을 사용하여, 얕은 바다에서도 더욱 사실적인 파도를 표현할 수 있다.
컴퓨터 그래픽스 분야에서는 해양파(ocean waves)를 표현하기 위한 여러가지 방법들이 있지만, 완전한 해결책은 아직까지 제시되지 못하고 있다. 해양파는 여러가지 원인에 의해 생성되지만, 가장 지배적인 요소는 바람과 중력에 의한 표면 중력파(surface gravity waves)이다. 본 논문에서는 해앙학 분야의 정밀한 해양파 모델에 기초하여, 실시간에 표면 중력파를 시뮬레이션하는 방법을 제시한다. 기존 연구들은 수심이 무한대라고 가정하는 Pierson-Moskowitz(PM) 모델[1]을 사용하여, 얕은 바다를 시뮬레이션하기에는 무리가 따랐다. 본 논문에서는 좀더 정밀한 Texel-Marsen-Arsloe(TMA) 모델[2]을 사용하여 더욱 사실적인 해양파를 표현할 수 있다. TMA 모델을 분석한 후, 3차원 컴퓨터 그래픽스 프로그램들에서 사용할 수 있는 실제적인 구현 모델(implementation model)을 정립하였고, 이를 구현한 프로토타입 시스템은 펜티엄-4 1.6GHz PC들에서 초당 30프레임 이상을 표시할 수 있음을 보였다. 본 논문에서 제안하는 방법은 기존 연구들에 비해, (1) 사용자가 제어할 수 있는 매개변수들이 더욱 다양해짐으로써, 사용자 요구에 적합한 파형(wave shape)들을 다양하게 생성할 수 있고, (2) 정밀한 해양파 모델을 사용하여, 얕은 바다에서도 더욱 사실적인 파도를 표현할 수 있다.
In the field of computer graphics, we have several research results to display the ocean waves on the screen, while we still not have a complete solution yet. Though ocean waves are constructed from a variety of sources, the dominant one is the surface gravity wave, which is generated by the gravity...
In the field of computer graphics, we have several research results to display the ocean waves on the screen, while we still not have a complete solution yet. Though ocean waves are constructed from a variety of sources, the dominant one is the surface gravity wave, which is generated by the gravity and the wind. In this Paper, we Present a real-time surface gravity wave simulation method, derived from a precise ocean wave model in the oceanography. There are research results based on the Pierson-Moskowitz(PM) model[1], which assumes infinite depth of water and thus shows some mismatches in the case of shallow seas. In this paper, we started from the Texel, Marsen and Arsloe(TMA) model[2], which is a more precise wave model and thus can be used to display more realistic ocean waves. We derived its implementation model for the graphics applications and our prototype implementation shows about 30 frames per second on the Intel Pentium 4 1.6GHz-based personal computer. Our major contributions to the computer graphics area ill be (1) providing more user-controllable parameters to finally generate various wave shapes and (2) the improvement on the expression power of waves even in the shallow seas.
In the field of computer graphics, we have several research results to display the ocean waves on the screen, while we still not have a complete solution yet. Though ocean waves are constructed from a variety of sources, the dominant one is the surface gravity wave, which is generated by the gravity and the wind. In this Paper, we Present a real-time surface gravity wave simulation method, derived from a precise ocean wave model in the oceanography. There are research results based on the Pierson-Moskowitz(PM) model[1], which assumes infinite depth of water and thus shows some mismatches in the case of shallow seas. In this paper, we started from the Texel, Marsen and Arsloe(TMA) model[2], which is a more precise wave model and thus can be used to display more realistic ocean waves. We derived its implementation model for the graphics applications and our prototype implementation shows about 30 frames per second on the Intel Pentium 4 1.6GHz-based personal computer. Our major contributions to the computer graphics area ill be (1) providing more user-controllable parameters to finally generate various wave shapes and (2) the improvement on the expression power of waves even in the shallow seas.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 그래픽스 분야에서 아직 사용되지 않았던, 해양학의 연구 결과들을 이용하여, 실시간으로 해양파를 시뮬레이션하는 방법을 제시하였다. 우리는 이전 연구에 비해 더 많은 매개변수를 제공하는 TMA 스펙트럼 모델을 이용하였고, 그 계산 과정을 빠르게 처리하기 위한 구현 모델을 제시하였다.
본 논문에서는 앞 절들에서 설명한 TMA 스펙트럼 모델과 이에 기초한 구현 모델을 이용하여 해양파를 생성하는 프로토타입 시스템을 구현하였다. 이 프로토타입 시스템은 모델의 안정성과 표현력을 검증하기 위한 초기 구현으로, 계산 과정이나 렌더링 시에 하드웨어를 이용한 가속기법이나 소프트웨어적인 가속기법을 배제하고, 그래픽스 출력을 위한 OpenGL 라이브러리 만을 사용하였다.
본 논문에서는 이러한 하이브리드 방법들 중의 하나를 제안하고자 한다. 기존의 하이브리드 방법들에서는 비교적 단순한 해양파 스펙트럼 모델들을 사용하였지만, 좀더 정밀한 해양파 스펙트럼 모델을 사용함으로써, 하이브리드 방법의 장점을 유지하면서도 더 좋은 품질의 영상을 생성할 수 있다.
본 논문에서는 해양학 분야에서 제시되었지만, 컴퓨터 그래픽스 분야에서는 아직 사용되지 않은 새로운 표면 중력파 모델을 사용하여, 기존에 제시되었던 하이브리드 접근 방법들에서의 문제점을 개선한 해양파 표현 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 특히 다음과 같은 특성을 가진다.
예를 들어, 3D컴퓨터 게임의 경우, 게임 속 환경이 현실 세계의 현상들과 매우 유사하다면 사용자는 더욱 사실감을 느끼게 되고 게임에 몰입하게 될 것이다. 본 연구는 이러한 자연 현상들 중에서도 해양파(ocean wave)를 다루고자 한다. 이 분야는 그래픽스 분야에서 기존의 연구 결과들이 나와 있지만, 아직까지는 완전한 해결책이 제시되지 못하고 있다.
또, 스펙트럼에 대한 수식을 그대로 사용하면, 퓨리어 변환과 그 역변환을 위해서 과다한 계산량이 필요한 문제점도 있다. 본 절에서는 이러한 문제점들을 개선하여 그래픽스 분야에서 직접 사용할 수 있는 구현 모델을 보이겠다.
가설 설정
높이 필드는 (그림 1)에서와 같이, 해수면의 각 좌표(X, y)에 대한 높이 z를 저장해 둔 2차원 배열이다. 계산의 편의를 위해, 각각의 좌표는 2차원 격자의 교차점들에 위치한다고 가정한다. 중력 해양파의 모델링에서는 하나의 좌표에서 높이값 하나만이 필요하기 때문에, 이 자료 구조가 효과적이고, 이 구조를 그대로 메쉬 구조로 바꾸면, 튀어오른 파도와 같은 경우도 처리가 가능하다.
제안 방법
두번째 범주의 연구자들은 해양학에서의 연구 결과들을 이용하여 해수면을 모델링한다. 이 범주의 연구들은 다시 세 가지 형태로 나눌 수 있다.
본 논문에서는 해양파에 의한 해수면을 표현하고자 하므로, 이를위한 자료 구조로 높이 필드를 사용한다. 높이 필드는 (그림 1)에서와 같이, 해수면의 각 좌표(X, y)에 대한 높이 z를 저장해 둔 2차원 배열이다.
방법을 제시하였다. 우리는 이전 연구에 비해 더 많은 매개변수를 제공하는 TMA 스펙트럼 모델을 이용하였고, 그 계산 과정을 빠르게 처리하기 위한 구현 모델을 제시하였다. 구현된 프로토타입 시스템은 이러한 방법에 따라 다양한 환경 설정에서의 해양파들을 생성할 수 있음을 검증하였다.
제안하는 방법은 풍속, 취송 거리, 수심 등의 다양한 매개변수를 사용자가 직접 제어할 수 있고, 해수면의 초기 상태도 높이 필드에서 직접 제어할 수 있으므로, 기존의 연구결과들에 비해, 사용자가 원하는 화면을 얻기 위한 다양한 조건들을 설정할 수 있다.
해양학의 연구 결과들을 사용하는 두번째 행태는 실제 바다에서 관측한 자료들을 정리하여 수학적으로 모델링한 해양파 스펙트럼 모델을 이용하는 것이다. MastinHO]은 고속 퓨리어 변환(Fast Fourier Transform)과 높이 필드(height field)를 이용하여 빠르고도 간단한 모델링을 제안하였다.
이론/모형
또한JONSWAP 모델을 내포하고 있으므로, 취송 거리 F를 설정하여 해역에 따른 특성을 반영하는 것도 가능하다. TMA모델은 그래픽스 분야의 기존 연구들이 사용했던 PM 모델에 비해서 표현력이 대폭 증대되었으므로, 본 연구에서는 다양한 해수면들을 더욱 사실적으로 표현하기위해, TMA모델을 사용한다.
찾을 수 있음을 보였다. 그들이 사용한 스펙트럼 모델은 Pierson-Moskowitz(PM) 모델로, 해양파의 스펙트럼을 다음과 같은 식으로 표현한다.
성능/효과
우리는 이전 연구에 비해 더 많은 매개변수를 제공하는 TMA 스펙트럼 모델을 이용하였고, 그 계산 과정을 빠르게 처리하기 위한 구현 모델을 제시하였다. 구현된 프로토타입 시스템은 이러한 방법에 따라 다양한 환경 설정에서의 해양파들을 생성할 수 있음을 검증하였다.
(그림 2) (a)와 (그림 2) (b)는 각각 수심 50m와 수심 10m에서의 해수면이다. 기존의 PM 모델을 사용하는 해양파 시뮬레이션에서는 두 경우를 구별할 수 없었던 데에 비하여, 본 논문에서 제안하는 방법은 그림에서 보는 바와 같이, 같은 풍속에 대해서도 얕은 바다에서는 낮은 높이의 파도가 더 빈번하게 보이고, 깊은 바다에서는 높은 파도가 보이게 되는 차이점을 보였다.
개발된 프로토타입 시스템은 최적화와 하드웨어 가속기법들을 도입하여, 최종적으로는 실시간 게임이나 항해 훈련 시뮬레이션 등의 응용 프로그램에 적용할 예정이다. 본 연구에서는 단순한 메쉬 구조를 사용하였으므로, 다른 연구들에서 제안된, 표면 중력파에 대한 변형 기법들도 적용 가능하다. 최종적으로는 이러한 기법들의 통합을 통하여, 더욱 사실적인 해양파를 생성할 수 있을 것으로 기대된다.
이 프로토타입 시스템은 모델의 안정성과 표현력을 검증하기 위한 초기 구현으로, 계산 과정이나 렌더링 시에 하드웨어를 이용한 가속기법이나 소프트웨어적인 가속기법을 배제하고, 그래픽스 출력을 위한 OpenGL 라이브러리 만을 사용하였다. 실제 수행 시에는 인텔 펜티엄 4 1.6 GHz 프로세서와 GeForce 4 그래픽카드를 장착한 개인용 컴퓨터에서 평균 초당 30 프레임 이상의 렌더링 속도를 보였다. 향후에 하드웨어를 이용한 가속기법을 도입하고, 전체 계산 과정에 최적화 기법들을 적용하면, 더 빠른 실행 속도를 보일 것으로 기대된다.
제안하는 방법은 프로토타입 시스템으로 구현되었고, 다양한 형태의 해양파를 실시간 애니메이션할 수 있음을 보였다. 개발된 프로토타입 시스템은 최적화와 하드웨어 가속기법들을 도입하여, 최종적으로는 실시간 게임이나 항해 훈련 시뮬레이션 등의 응용 프로그램에 적용할 예정이다.
후속연구
개발된 프로토타입 시스템은 최적화와 하드웨어 가속기법들을 도입하여, 최종적으로는 실시간 게임이나 항해 훈련 시뮬레이션 등의 응용 프로그램에 적용할 예정이다. 본 연구에서는 단순한 메쉬 구조를 사용하였으므로, 다른 연구들에서 제안된, 표면 중력파에 대한 변형 기법들도 적용 가능하다.
본 연구에서는 단순한 메쉬 구조를 사용하였으므로, 다른 연구들에서 제안된, 표면 중력파에 대한 변형 기법들도 적용 가능하다. 최종적으로는 이러한 기법들의 통합을 통하여, 더욱 사실적인 해양파를 생성할 수 있을 것으로 기대된다.
6 GHz 프로세서와 GeForce 4 그래픽카드를 장착한 개인용 컴퓨터에서 평균 초당 30 프레임 이상의 렌더링 속도를 보였다. 향후에 하드웨어를 이용한 가속기법을 도입하고, 전체 계산 과정에 최적화 기법들을 적용하면, 더 빠른 실행 속도를 보일 것으로 기대된다.
참고문헌 (18)
W. J. Pierson and L. Moskowitz, 'A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S.A. Kilaigorodskii.,' J. Geophysical Research, pp.5181-5190, 1964.
E. Bouws, H. Gunther, W. Rorenthal, and C.L. Vimcent, 'Similarity of the wind wave spectrum in finite depth water, part I: Spectral form,' J. Geophysical Research, Vol.90, No.C1, pp.975-986, 1984
J. Tessendorf, 'Simulating ocean water,' SIGGRAPH Course Notes, 1999
D. Hinsinger, F. Neyret, and M P. Cani, 'Interactive animation of ocean waves,' Proc. of ACM SIGGRAPH/ Eurographics symp. on Computer Animation, pp.161-166, 2002
S. Thon, J. M. Dischler, and D. Ghazanfarpour, 'Ocean waves synthesis using a spectrum-based turbulence function,' CGI'00, 2000
D. E. Hasselmann, M. Dunckel, and J. A. Ewing, 'Directional wave spectra observed during JONSWAP 1973,' J. Phys. Oceanogr., Vol.10, pp.1264-1280, 1980
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.