[논문]2D 이미지를 이용한 3D 공간상의 자연현상 라이브러리 구축

김종찬; 김종성; 김응곤; 김치용

2D 이미지를 이용한 3D 공간상의 자연현상 라이브러리 구축
Construction of Library for 3D Natural Phenomena Using 2D Images 원문보기

디지털콘텐츠학회 논문지 = Journal of Digital Contents Society, v.9 no.3, 2008년, pp.461 - 470

김종찬 (순천대학교) , 김종성 (순천대학교) , 김응곤 (순천대학교) , 김치용 (동의대학교 영상정보공학과)

초록
AI-Helper

영상기술을 이용하여 자연현상을 표현하는 방법에는 컴퓨터를 이용한 자연현상 시뮬레이션과 스크립트 기반으로 원하는 영상을 출력하는 방법이 있다. 대다수의 전문가들은 많은 데이터와 고도의 수식 등을 가지고 출력을 영상으로 획득한다. 이런 방법을 이용하여 출력영상을 취득하면 시간과 비용이 많이 소요된다는 문제점이 있다. 그래서 본 논문에서는 자연현상을 3차원 공간상에 구현함에 있어서 복잡한 수식이나 프로그래밍, 촬영 등을 배제하고 단지 2차원 이미지를 이용하여 유체의 자연현상 중 안개를 쉽게 표현함으로써 3차원 공간상에서 동양화 제작 시 배경처리를 효율적으로 표현할 수 있는 자연현상 라이브러리를 구축한다.

Abstract ▼ AI-Helper

There are two methods to express natural phenomena using image processing techniques. One is the presentation of simulations for natural phenomena and the other is the display of images based on script. A lot of people used to get the display using vast data and complicated math formulas. When we get the output images in this way, we will have some problems in time and cost. In this paper, we use fluid images excluding using the complicated math formulas, programming, and taking pictures to present the natural phenomena. We construct the library to express the natural phenomena effectively using 2D images and simulation of fog for the background of oriental painting in 3D space.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

상술한 방법 모두 별도의 전문 인력이나 고가의 시스템 또는 소프트웨어를 필요하며 팀을 구성하고, 프로덕션을 설립하여 장시간에 걸쳐 제작을 해야 하는 어려움이 있다. 본 연구는 프랙탈로 제작한 2D이미지를 필요로 하며 3차원 공간에서 자연현상 중 안개를 구현했다.
온도 등에 따라 민감하게 반응하므로 여기에 따른 색감과 느낌을 강조해야 한다. 본 연구에서는 다소 이른 아침 자연현상을 표현하기 위해 온화한 느낌보다는 다소 차가운 검푸른 색조를 조금 강조하여 표현했다. 이는 안개의 특성을 시각적으로 특성화하는 작업으로 각각 레이어에 서로 다른 값으로 제어하여 검정과 흰색의 일반 대비보다 조금 감각적인 느낌으로 값을 부여했다.
라이브러리를 구현함에 있어 3차원 공간상의 한 시점인 정지영상, 또는 시간의 흐름에 따른 일정시간에 취득한 영상을 취득했다. 본 연구에서는 연속되는 시간의 흐름을 가진 영상을 취득하여 라이브러리화를 구축했다. 예를 들면 0초에서 10초 또는 15초의 연속흐름을 가진 동영상 라이브러리를 구축하는 것이다.
본 연구에서는 평면적인 느낌의 일반조명보다 빛의 양에 따른 주변부의 흐리기가 가능하고 입체감과 물체의 특징을 잘 살릴 수 있는 국부조명을 적용하여 제어한다.
자연현상을 구현하기 위한 노력은 다양한 영상매체를 통해 보다 자연스럽게 자연현상을 시청자들에게 보여주는 것이 그 목적이다. 보기 어려운 자연현상을 자연스럽게 구현함으로써 빙하기시대 또는 화산폭발, 태풍, 홍수 등 다양한 자연현상이나 재해, 경고등을 구현하여 사실보다 더 박진감 넘치는 영상을 구현할 수 있도록 해준다.

제안 방법

카메라의 관점과 연동하기 전에 자연현상이 구현된 3개 레이어를 입체감 있게 조정한다. 3개 레이어를 서로 다른 공간상에서 서로 다른 거리감을 느낄 수 있도록 하면서 서로 동일한 공간에 있는 느낌을 구현한다. 각각의 레이어를 Z축으로 하여 공간상에 배치한다.
자연현상 기초 작업은 시간축에 올려진 3개층 레이어는 각각 다른 관점과 다른 형태의 현상을 표현할 수 있도록 한다. 3개층의 레이어 크기를 100% 와 75%, 125%로 각각 조정한다. 그리고 자연현상은 시간에 따라 변화하는 특징이 있다.
mov 파일로 합성작업을 거친다. mov파일 구격으로 DV/DVC PRO-NTSC 30 프레임으로 설정하였으며 출력에 소요된 시간은 7분 45초가 소요된다.
이는 모델링된 데이터를 계산하여 자연스러운 음영분포를 추출하여 적용한 것으로 담채화의 색감을 중심으로 연구한 사례이다. 그리고 비실사 기법 중의 실루엣 에지 렌더링 기법을 발전시켜 다중 폴리곤 처리를 간단히 함으로써 기법의 구현이 간단하고 3차원 객체에 사용자가 수묵화 기법을 다양하게 적용할 수 있도록 제시하였다[12]. 이 기법은 후면의 폴리곤을 시선 방향으로 이동시키는 방법과 후면폴리곤을 확대시키는 기법을 응용하여 수묵화의 렌더링을 이루어 낸다.
그 결과는 (그림 12)와 같다. 그리고 조명을 정면에 설치 후 조명강도를 조정한다. 상술한 과정에 의거하여 69% 빛의 세기로 설정된 조명을 기본으로 조정한다.
그리고 자연현상은 시간에 따라 변화하는 특징이 있다. 따라서 1초에서 10초사이에 사실적인 움직임을 구현하기 위해 X, Y, Z축의 방향으로 이미지가 변화하도록 먼저 각각의 축을 제어하여 이미지에 움직임을 부여한다. 이러한 이미지의 이동은 소용돌이(Swirl), 혹은 왜곡(Distortion), 또는 물결(Ripple)등의 형태로 다양하게 부여할 수 있다.
본 논문에서는 자연현상 구현에 있어서 프랙탈이나 카오스 이론을 적용한 전문시스템이나 전용 소프트웨어, 프로그래밍 시뮬레이터 등을 배제하고 일반인들도 쉽게 사용이 가능하도록 2차원 이미지로 제작한 정지이미지를 가지고 3차원 동영상으로 제작하여 다양한 자연현상에 대한 라이브러리를 구축한다. 라이브러리를 통하여 누구나 쉽고 빠르게 자연현상 구현이 가능하며 3차원 동양화와 같은 영상을 제작할 때 배경처리 부분을 효율적으로 표현하여 영상전반에 걸쳐 응용의 폭을 넓힐 수 있다.
(그림 6)은 시간축(Time Line) 레이어(Layer)에 파일을 불러온 것이다. 본 연구는 레이어 복제가 아닌 여러 개의 다층 레이어를 각각 제어하여 구현할 수도 있지만 3개의 복제된 중첩 레이어를 이용해 3차원 작업을 한다.
또한 덩어리를 표현하기 위해 펜 도구로 임의의 불규칙한 형상을 만든다. 이 작업은 각 레이어 마다 다르게 적용하며 크기와 형태를 비교하며 보완작업을 실시한다. (그림 8)은 마스크 제어값과 결과화면이다.
자연현상을 구현함에 있어 2D 프랙탈 이미지를 3장의 레이어로 겹쳐 형태를 변경시켜 3D공간상에 X, Y, Z 축을 제어해 자연현상을 구현했다. 최종적으로 사용할 수 있는 라이브러리로 활용하기 위해서는 최종출력 작업을 한다.

이론/모형

자연현상 중의 유체를 표현함에 있어 프랙탈과 카오스 이론을 활용하여 진보적인 발전을 했다. 프랙탈(fractal)은 철저히 "조각난" 도형을 뜻한다.

성능/효과

또한 조건과 데이터에서 발생한 오류가 최종결과물에서 서로 다르게 표현 될 경우 보정하고 수정하여 재 작업을 수행해야 한다. 결과적으로 시스템이나 다양한 소프트웨어, 프로그램 시뮬레이터 등은 개인의 영상제작 영역에서 UCC, 방송국, 소규모 프로덕션 등에서 실제 사용하고 응용하기에는 비용과 전문인력. 제작기간 등을 고려할 때 실제로는 불가능 할 정도로 많은 어려움이 있는 실정이고, 활용한 출력물의 응용과 적용에 관련된 인프라(Infra) 측면에서도 비효율적이다[6][7].
임의의 시작점에서 특정한 규칙을 2차원 선형변환을 반복하여 나타내는 형태로 초기 객체에 자기복제적인 함수를 적용하여 새로운 객체를 생성하고 이 객체에 다시 자기복제적 함수를 적용하여 또 하나의 객체를 생성하는 등 이러한 과정을 무한히 반복할 수 있다[9]. 따라서 IFS를 이용하여 동영상 데이터를 처리하면 임의의 원본 영상과 차이영상에 각각 IFS를 적용하여 차이영상에 있어서의 상대적인 압축비를 일반 정지영상에 적용한 IFS의 압축비를 비교함으로써 원본보다 차이영상에 대한 압축효과가 우수함을 증명했다. Jacquin 은 기존의 IFS를 기반을 통하여 수동에서 자동으로 프랙탈 영상부호화를 하는 영상 부호화 알고리즘을 제시했다.
이 부분은 반복적으로 조정하고, 조명색상은 흰색을 이용하여 범위와 빛의 퍼짐을 조정한다. 조정한 결과 빛 강도는 62%로 하향, 조명 범위는 99^o로 다소 상향, 빛 퍼짐 정도는 50%로 동일하게 유지했다. (그림 13)은 조명의 위치에 대한 제어 결과화면이다.

후속연구

하지만 본 연구에서 기술한 바와 같이 몇 가지 작업을 통해 자연현상 중 안개를 간단하게 구현하여 다양하게 라이브러리화 할 수 있다. 본 논문에서 구현한 기법을 응용하여 동양화, 수채화, 담채화 등 회화에서부터 영상미학이라 불리는 영화, 미디어에서도 다양하게 적용할 수 있다. 특히 우수한 작품성에도 불구하고 제작비와 제작기간 등 물리적이고 현실적인 문제 때문에 다소 활성화 되지 못한 3차원 동양화의 구현을 쉽게 할 수 있는데 한 발 다가섰다.
향후연구에서는 물, 비, 눈, 회오리 등의 자연현상을 덩어리로 텍스쳐 맵핑하여 객체단위의 형태로 제작하여 일반 사용자도 쉽고 편리하게 사용할 수 있도록 다양한 관점에서 자연현상을 연구 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자연현상 중의 유체를 표현함에 있어 진보적인 발전이 가능하게 한 두 가지는 무엇인가?	자연현상 중의 유체를 표현함에 있어 프랙탈과 카오스 이론을 활용하여 진보적인 발전을 했다. 프랙탈(fractal)은 철저히 "조각난" 도형을 뜻한다.
	현대 영상산업에서 컴퓨터 그래픽스 기술의 발달로 인하여 자연현상을 표현하는 다양한 연구가 진행되고 있지만 일반인들이 쉽게 사용 할 단계까지는 부족한 이유는 무엇인가?	현대 영상산업에서 컴퓨터 그래픽스 기술의 발달로 인하여 자연현상을 표현하는 다양한 연구가 진행되고 있지만 일반인들이 쉽게 사용 할 단계까지는 부족한 편이다. 이러한 이유는 자연현상의 본질 자체가 다양하며 변화가 심하고, 예고없는 변수가 많아 어떠한 정형화 된 기준의 정립에 어려움이 있어서 보편화된 수식모델 체계가 다양하게 존재하지 못하기 때문이다. 따라서 디지털기술의 발달에 따른 컴퓨터의 비약적인 발전에도 불구하고 유체라는 어떠한 불규칙적이고 형체가 없는 물질을 구현하기 위해서는 많은 어려움이 있다.
	자연현상을 구현할 수 있는 시스템은 무엇이 있는가?	자연현상을 구현할 수 있는 시스템에는 턴키시스템(Turnkey System)과 전용소프트웨어, 그리고 프로그래밍을 통한 시뮬레이터 등이 있다. 턴키시스템은 컴퓨터 시스템 공급자가 하드웨어 및 소프트웨어 그리고 사용자 교육, 사후관리까지 제공하고 책임을 지는 시스템을 의미하며 다양한 테스트를 거침으로 신뢰성과 무결성을 보장하는 시스템을 의미한다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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