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문제 정의
- 본 논문에서는 기존의 사진 모델에 Draping 하는 단순 기능과 달리 사진 모델의 굴곡, 음영 등을 고려해 원단을 Mapping 함으로써 자연스럽고 사실적인 표현에 많은 연구를 하였으며 이를 2D 피스로 변환하는 제작시스템을 개발하였다. 또한 옷감이 인체에 침투하는 현상이나 인체로부터 분리되지 않고 인체에 옷이 입혀질 수 있도록 실시간에 상호 작용이 가능한 옷감 시뮬레이션을 구현하였다.
- 또한 착의 시뮬레이션을 통해 의복을 인체 모델에 입혀 봄으로써 눈으로 직접 확인해 볼 수 있으며, 다양한 각도에서 착의 된 의복을 확인해 볼 수 있다. 본 논문의 시스템은 의 상 샘플에 소요되는 시간과 비용을 줄이고자 의상 디자인에서 완성된. 모델사진을 활용해 디자이너가 사진 모델에 외곽선 영역을 생성하고 원하는 원단(소재)을 Mapping 하도록 한다.
- 본 연구에서는 인체를 뚫고 지나가는 현상을 막을 뿐만 아니라 사실성을 더해주고 있다. (그림 11)은 긴 치마를 시뮬레이션하기 위해 치마의 허리 부분에 설정된 제약점들을 보여준다.
제안 방법
- 2D 피스 제작은 2.5D Mapping 모듈을 이용하여 격자 위에서 연속적으로 격자점을 선택해 가면서 옷감 조각의 외곽선을 그리고, 그 외곽선을 이용하여 재봉할 수 있도록 2D 패턴 디자인 시스템을 개발하였고, 여러가지 디자인 패턴을 인체 모델에 적용시켜 다양한 시뮬레이션 결과를 볼 수 있었다.
- 이는 실시간성에 가장 적합한 Provot의 질량-스프링 모델을 옷감 모델로 선택하였고, 자연적인 힘에 의해 변화되는 옷의 움직임을 계산하는 방법으로 Explicit Euler integration과 길이 보정 방법을 선택하였다. 그리고 3D Max에서 사용하는 인체 모델 파일과 짧은 치마, 소매가 없는 셔츠, 원피스 등의 샘 플 패턴에 필요한 데이터 정보를 저장한 의복 샘플 파일을 C++ 프로그램에 적용시켜 인체 모델과 옷감 샘플 패턴을 함께 '불러들여 옷감 패턴을 인체 모델에 재봉하는 과정을 시뮬레이션하였다.
- 이는 원단이 가지고 있는 다양한 질감과 패턴에 따른 원본의 이미지를 그대로 살려 원단 디자인과 최종 제품의 상태를 정확하게 예측할 수 있는 기능을 제공함으로써, 새로운 디자인을 창출할 수 있고 직접 샘플이나 시제품을 제 작하지 않고도 시뮬레이션만으로 의상 작품을 확인할 수 있다. 또한 모델 사진을 활용한 3차원 의상 시뮬레이션을 하기 위한 전 과정으로, 3차원 인체 모델이 주어진 상태에서 2D 디자인 패턴을 이용하여 의복이 모델에 입혀지는 과정을 보여주는 시스템을 제안한다. 향후에는 의상 사진을 이용하여 Mapping 된 디자인 패턴 결과물을 가지고 3차원 인체 모델에 직접 시뮬레이션 할 수 있도록 하여 사용자가 원하는 다양한 디자인과 소재를 선택하여 시뮬레이션 할 수 있도록 하고자 한다.
- 원단 데이터와 모델 데이터는 래스터(Bitmap) 형식이며, Mesh Point 생성, 맵핑 영역 (Path) 생성 등의 데이터는 벡터(Vector)형식으로 이루어진다. 또한 벡터형식은 XML언어를 사용하여 표현 하였으며, 문서 파일의 저장 포맷으로 사용하여 문서 호환성과 확장성을 고려해 설계되었다[11, 12],
- 본 논문에서는 기존의 사진 모델에 Draping 하는 단순 기능과 달리 사진 모델의 굴곡, 음영 등을 고려해 원단을 Mapping 함으로써 자연스럽고 사실적인 표현에 많은 연구를 하였으며 이를 2D 피스로 변환하는 제작시스템을 개발하였다. 또한 옷감이 인체에 침투하는 현상이나 인체로부터 분리되지 않고 인체에 옷이 입혀질 수 있도록 실시간에 상호 작용이 가능한 옷감 시뮬레이션을 구현하였다. 이는 실시간성에 가장 적합한 Provot의 질량-스프링 모델을 옷감 모델로 선택하였고, 자연적인 힘에 의해 변화되는 옷의 움직임을 계산하는 방법으로 Explicit Euler integration과 길이 보정 방법을 선택하였다.
- 의복 특성을 고려해 데이터 저장 구조를 설계하였으며, 하나의 데이터 파일에 여러 개의 의복 정보를 담을 수 있다. 또한 하나의 의복 정보에 여러 개의 피스정보를 함께 저장 할 수 있도록 설계하였다.
- 본 논문의 시스템은 의 상 샘플에 소요되는 시간과 비용을 줄이고자 의상 디자인에서 완성된. 모델사진을 활용해 디자이너가 사진 모델에 외곽선 영역을 생성하고 원하는 원단(소재)을 Mapping 하도록 한다. 이는 원단이 가지고 있는 다양한 질감과 패턴에 따른 원본의 이미지를 그대로 살려 원단 디자인과 최종 제품의 상태를 정확하게 예측할 수 있는 기능을 제공함으로써, 새로운 디자인을 창출할 수 있고 직접 샘플이나 시제품을 제 작하지 않고도 시뮬레이션만으로 의상 작품을 확인할 수 있다.
- 본 논문에서는 (그림 6)처럼 2차원 격자 위에서 연속적으로 격자점을 선택해 가면서 옷감 조각의 외곽선을 그릴 수 있는 2D 디자인 제작 시스템에서 직접 2D 피스를 제작하는 방법과 사진상에서 외곽선을 그려 이를 2D 디자인 제작 시스템으로 가져오는 방법을 사용하고 있다. 외곽선이 모두 그려지면 옷감을 구성하는 스프링과 질량 점들을 계산하고, 외곽선 안의 격자점들이 질량 점들에 해당하며, 질량 점들 사이에 스프링이 연결된다.
- 본 논문에서는 2.5D Mapping 모듈은 Pentium IV 1.7GHz, 448MB RAM을 가진 PC에서 C#과 SVG 프로그램을 이용하여 구현하였으며, 3D 시뮬레이션은 C++ 와 OpenGL을 이용하여 구현된 시스템을 가지고 실험하였다. 2.
- 이를 통해 충돌한 평면의 수직 방향에 해당하는 속도가 결정되는데, 이는 운동량 보존의 법칙에 의해 좌우되며 완전 비탄성 충돌인 경우 수직 방향 속도는 없어진다. 본 논문에서는 충돌 평면에 수직 방향으로 더 이상 진행이 불가능하므로 수직 방향의 속도 성분을 제거하고 충돌 평면에 수평 방향 성분의 속도만을 유지하여 다음 위치를 계산한다. 다음 위치는 충돌이 발생한 경우와 충돌이 발생하지 않은 경우로 나누어진다.
- 5D 의복 디자인은 3D 의복 디자인으로 가기 이전 단계로 원단을 워프(Warp) 기법을 사용해 맵핑함으로서 조금 더 사실적인 표현이 가능해졌다. 본 시스템에서는 3D 의복 디자인 모듈을 설계하고 구현하였으며, 디자인된 3D 의복을 직접 착의 시뮬레이션 해 볼 수 있는 모듈까지 구현하였다.
- 위에서 설명한 바와 같이 본 논문에서는 2.5D Mapping 시스템을 설계하여 영역 추출과 Mesh를 생성하는 방법을 적용시켜 기존의 사진에서 의상 패턴만 가져올 수 있는 방법을 적용시켜 누구나 손쉽게 Mapping 될 외곽선 영역을 생성하고, 이를 2D 피스 디자인으로 바꿔준 후, 옷감의 움직임에 필요한 mass-spring 구조[6]를 생성을 하여 3D 모델에 적용하였다.
- 3D 의복 데이터 구성은 [표 1]과 같다. 의복 특성을 고려해 데이터 저장 구조를 설계하였으며, 하나의 데이터 파일에 여러 개의 의복 정보를 담을 수 있다. 또한 하나의 의복 정보에 여러 개의 피스정보를 함께 저장 할 수 있도록 설계하였다.
- 원단이 가지고 있는 속성을 활용해 사실적인 Draping을 구현 하기 위해 모델 사진의 굴곡, 음영, 주름 등을 분석해 Mapping 시킬 원단에 적용하고 있다. 이를 구현하기 위해 모델 사진에서 음영 추출과 추출된 음영의 정보를 원단에 적용하는 기법을 사용하였으며, 이미지 워 핑 기법을 사용해 원단의 주름과 굴곡을 표현하였다. 원단 데이터와 모델 데이터는 래스터(Bitmap) 형식이며, Mesh Point 생성, 맵핑 영역 (Path) 생성 등의 데이터는 벡터(Vector)형식으로 이루어진다.
대상 데이터
- 5D Mapping 모듈에서는 (그림 19)와 같이 기존의 의상 사진을 이용하여 다른 패턴으로 Mapping 과정을 보여주고 있으며, 이는 2D 디자인 시스템을 이용하여 3D 시뮬레이션이 가능하도록 변환해 주는 작업을 하였다. 3D 시뮬레이션 시스템에서 이용한 의상은 짧은 치마, 긴 치마, T-Shirt, 원피스 등을 제작하여 사용하였고, 인체 모델을 각 공간 분할 방법을 사용했을 경우와 사용하지 않을 경우로 나누어 실험하였다.
이론/모형
- 5D Mapping 모듈은 원단, 모델, 영역, 명암 데이터를 사용해 Mapping을 수행한다. Mapping 처리 과정을 보면 원단 이미지와 Mesh 생성 및 변형 모듈에 의해 생성된 제어 포인터를 이용해 워 핑 알고리즘을 수행한다. 모델 사진에서 추출된 명암데이터와 워 핑 알고리즘이 적용된 원단을 영역 (Path) 추출 모듈에 의해 생성된 외곽선 영역에 Mapping을 수행함으로써 그림 5와 같은 최종 결과물을 얻을 수 있다.
- 워 핑 알고리즘은 제어점, 제어 선, 그물망, 다각형 등 다양한 방법으로 구현이 가능하다. 본 논문에서는 메쉬(Mesh) 워프 알고리즘을 사용하였으며, 메쉬 워프 알고리즘은 두 단계 알고리즘으로 이루어져 있다. 첫 번째 단계에서 이미지의 매 행(Row)을 따라 처리하며, 두 번째 단계에서 이미지의 매 열(Col)을 따라 처리함으로서 결과를 얻을 수 있다.
- 보간법은 간단한 선형 보간법에서부터 복잡한 스플라인 함수까지 다양하다. 본 시스템에서는 양 선형 보간법을 사용하였으며, (그림 3)은 양 선형 보간법을 이용한 좌표 결정을 설명하고 있다.
- 외곽선이 모두 그려지면 옷감을 구성하는 스프링과 질량 점들을 계산하고, 외곽선 안의 격자점들이 질량 점들에 해당하며, 질량 점들 사이에 스프링이 연결된다. 외곽선 안의 질량 점들을 계산하기 위해서 다각형의 안과 밖을 격정해 주는 조단 곡선이 론(Jordan Curve Theorem)을 사용한다. 실제로 질량 점은 외곽선 내부뿐만 아니라 외곽선과 격자 선의 교차점도 포함한다.
- 또한 옷감이 인체에 침투하는 현상이나 인체로부터 분리되지 않고 인체에 옷이 입혀질 수 있도록 실시간에 상호 작용이 가능한 옷감 시뮬레이션을 구현하였다. 이는 실시간성에 가장 적합한 Provot의 질량-스프링 모델을 옷감 모델로 선택하였고, 자연적인 힘에 의해 변화되는 옷의 움직임을 계산하는 방법으로 Explicit Euler integration과 길이 보정 방법을 선택하였다. 그리고 3D Max에서 사용하는 인체 모델 파일과 짧은 치마, 소매가 없는 셔츠, 원피스 등의 샘 플 패턴에 필요한 데이터 정보를 저장한 의복 샘플 파일을 C++ 프로그램에 적용시켜 인체 모델과 옷감 샘플 패턴을 함께 '불러들여 옷감 패턴을 인체 모델에 재봉하는 과정을 시뮬레이션하였다.
성능/효과
- 5D, 3D로 나누어 질수 있으며, 2D 의복 디자인은 평면에 단순한 도형을 사용해 디자인하며 의복을 쉽게 표현 할 수 있지만 사실감이 많이 떨어진다. 2.5D 의복 디자인은 3D 의복 디자인으로 가기 이전 단계로 원단을 워프(Warp) 기법을 사용해 맵핑함으로서 조금 더 사실적인 표현이 가능해졌다. 본 시스템에서는 3D 의복 디자인 모듈을 설계하고 구현하였으며, 디자인된 3D 의복을 직접 착의 시뮬레이션 해 볼 수 있는 모듈까지 구현하였다.
- 같은 조건상에서 시뮬레이션했을 때, 공간 분할 방법을 사용할 경우의 시뮬레이션 결과가 공간 분할 방법을 사용하지 않은 경우에 비해 약 10배 가까이 빨라지는 것을 보여주고 있었다. 또한 기존 논문(3)에서는 움직이지 않는 인체 모델에 짧은 치마를 입히는 경우 본 연구보다 빠른 시뮬레이션 결과를 보여주었지만 이는 선분과 선분 사이의 충돌과 다각형 모델의 점과 옷감의 삼각형 사이의 충돌을 고려하지 않았기 때문이다.
후속연구
- (그림 18)은 (그림 17)에서 보여주는 두 장의 2D 패턴을 주어진 패턴 라인에 따라 옷감 조각이 함께 꿰매어지는 시뮬레이션 결과이다. 이 방법은 향후 앞에서 설명한 2.5D Mapping 방법을 이용하여 다양한 디자인과 옷감 패턴을 좀 더 쉽고 빠르게 사용할 수 있도록 적용할 예정이다.
- 향후 연구 과제로는 좀 더 다양한 디자인을 적용시킬 수 있는 방법을 연구하고, 또한 2.5D Mapping에서 3D Mapping으로의 전환과 웹 기반의 실시간 Mapping을 처리할 수 있는 시스템의 연구와 사용하기 쉽고 조금 더 자연스러운 Mapping 처리를 위한 알고리즘 연구와 시뮬레이션 속도를 향상 시키고, 의상을 착용한 상태에서 인체 모델이 움직임일 때 발생하는 자체 충돌을 처리하여 보다 빠르고 자연스러운 시뮬레이션 결과를 얻고자 한다.
- 또한 모델 사진을 활용한 3차원 의상 시뮬레이션을 하기 위한 전 과정으로, 3차원 인체 모델이 주어진 상태에서 2D 디자인 패턴을 이용하여 의복이 모델에 입혀지는 과정을 보여주는 시스템을 제안한다. 향후에는 의상 사진을 이용하여 Mapping 된 디자인 패턴 결과물을 가지고 3차원 인체 모델에 직접 시뮬레이션 할 수 있도록 하여 사용자가 원하는 다양한 디자인과 소재를 선택하여 시뮬레이션 할 수 있도록 하고자 한다.
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