[논문]격자/입자기반 유체 시뮬레이션 데이터를 위한 프리뷰어의 설계 및 구현

양현록; 강경규; 김동호; 오경수

doi:10.5392/jkca.2010.10.9.018

격자/입자기반 유체 시뮬레이션 데이터를 위한 프리뷰어의 설계 및 구현
Previewer Design and Implementation for Grid/Particle based Fluid Simulation Data 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.10 no.9, 2010년, pp.18 - 25

양현록 (숭실대학교 미디어학과) , 강경규 (숭실대학교 미디어학과) , 김동호 (숭실대학교 미디어학과) , 오경수 (숭실대학교 미디어학과)

초록
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컴퓨터 그래픽스(CG)는 영화 산업에서 없어선 안 될 중요한 요소로 자리 잡았다. 최근에는 국내에서도 많은 CG 업체들이 실제 영화 제작에 참여하고 있다. 하지만 대부분의 회사들이 상용 소프트웨어를 이용해서 제작을 할 뿐 기술 개발에는 중점을 두지 못하는 실정이다. 때문에 상용 저작 도구가 제공하는 기능들이 진행하는 프로젝트에 사용하기에 부족하더라도 사용하고 있다. 본 논문에서는 상용 저작 도구의 부족한 부분을 엔지니어들이 직접 저작도구를 개발하여 보완하는 작업의 중요성에 대해서 대규모 유체 데이터를 실시간으로 가시화하기 위해서 개발된 프리뷰어를 사례로 들어 설명한다. 그리고 프리뷰어를 유체 시뮬레이션에 특화시키기 위해서 어떻게 설계를 하고 구현을 하였는지에 대해서 설명한다. 마지막으로 본 논문에서 개발한 프리뷰어의 성능을 평가해보고 결과에 대해서 토의한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Computer Graphics(CG) are very important in the movie industries. Recently, many domestic CG Companies participate in a movie creation. However, most companies only use commercial tools, and do not concentrate on developing techniques. This is why they use the commercial tools in spite of its lack of functions. In this paper, we explain the importance of developing technical tools to complement the shortage of commercial tools through the previewer for fluid simulation. We present how we design and implement the previewer to specialize it for fluid simulation. Finally, we estimate our previewer's performance and discuss with result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 격자/입자 기반 유체 시뮬레이션 데이터를 위한 프리뷰어를 개발하였다. 이 프리뷰어는 실제로 영화에 사용될 유체 시뮬레이션 데이터의 결과를 검토하는데 활용된다.
본 논문에서는 다이렉트X10(이하 DX10) 에 새롭게 도입된 지오메트리 쉐이더를 활용하여 이 문제를 해결하였다[7]. 모션블러를 지오메트리 쉐이더에서 구현하기 위해서 DirectX SDK에 있는 MotionBlur10 샘플을 참조하였다[8].
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존의 저작도구들과는 다르게 유체 시뮬레이션 데이터를 위한 프리뷰어(이하 프리뷰어)의 설계 및 구현을 제안한다. 우리는 프리뷰어를 다른 저작도구들보다 유체 시뮬레이션 데이터의 가시화에 특화되도록 개발하였다.
본 논문은 실제 극장용 3D 애니메이션에 사용될 유체 시뮬레이션 데이터를 위한 프리뷰어를 제작하기 위해 진행되었다. 유체의 사실적인 표현을 위해서 물거품, 물보라, 물 표면의 움직임 등이 효과적으로 나타나야 했기 때문에 대규모 유체 시뮬레이션이 사용되었다.
우리는 프리뷰어를 개발할 때 유체 시뮬레이션 데이터의 움직임을 원활하게 재생하는 것과 데이터의 로딩 속도를 짧게 하는 것을 목표로 하였다. 이 두 가지 조건을 충족하기 위해서 우리는 입자들을 간략화 하였다.

제안 방법

일반적으로 아티스트들이 사용하는 상용 S/W로는 대규모 유체의 움직임을 실시간으로 가시화하는 것은 불가능에 가깝다. 그렇기 때문에 우리는 유체의 변화를 확인할 때에는 입자 단순화 과정을 거친 데이터를 이용하고, 정지 상태에서 유체를 확인할 때는 원본 결과 데이터를 이용하는 방법을 사용하였다.
유체 시뮬레이션 데이터의 가시화를 위해 멀티 쓰레드, 입자 단순화, 데이터 스트리밍, 실시간 입자 증폭 기능을 개발하였다. 그리고 모션블러와 유사한 효과를 사용하여 유체 시뮬레이션 데이터의 가시성을 증가시켰다. 개발한 프리뷰어는 위에 언급한 기술의 적용으로 인해서 다른 저작도구들에 비해서 유체 시뮬레이션 데이터를 확인하는 작업에 사용될 경우 속도 및 성능상의 이점을 가진다.
그리고 멀티 쓰레딩을 통해서 데이터를 불러오기 때문에 데이터 로딩 중에 프리뷰어를 사용하는데 문제가 없다. 그리고 우리는 유체의 움직임 도중에도 입자 개수를 원본 데이터와 비슷한 형태로 보여주기 위해서 다음절에서 설명할 입자 증폭 효과를 사용하였다.
이 방법을 사용하면 물을 위에서 똑바로 바라보면 물 속에 있는 물체가 보이지만, 비스듬한 각도에서 바라보면 수면 아래에 무엇이 있는지 거의 확인할 수 없게 된다[9]. 또한 환경 매핑을 이용해서 수면 텍스쳐를 적용하여 물의 질감을 표현하였다.
본 논문에서 비교대상으로 사용한 XSI는 매 프레임 필요한 데이터를 불러와서 가시화하는 작업을 싱글 쓰레드로 작업한다. 반면에 본 논문에서 개발한 프리뷰어는 미리 모든 프레임의 일정 데이터를 불러와서 시스템 메모리상에 상주시켜 놓고, 정지 상태에서만 해당 프레임의 모든 입자 데이터를 불러오는 방식을 사용한다.
입자의 양을 증폭 시킬 때 자연스럽게 보이게 하기 위해서 각각의 입자를 중심으로 모든 방향에 입자들을 추가시킬 수 있다. 원본 입자의 주변에 입자들을 추가시키기 위해서 원본 입자의 위치 값에 랜덤 벡터를 더하거나 뺌으로써 추가될 입자의 위치를 결정하였다. 랜덤 벡터는 사용자가 정의한 일정한 범위 값에 의해서 얻어지게 된다.
우리는 프리뷰어를 다른 저작도구들보다 유체 시뮬레이션 데이터의 가시화에 특화되도록 개발하였다. 유체 시뮬레이션 데이터의 가시화를 위해 멀티 쓰레드, 입자 단순화, 데이터 스트리밍, 실시간 입자 증폭 기능을 개발하였다. 그리고 모션블러와 유사한 효과를 사용하여 유체 시뮬레이션 데이터의 가시성을 증가시켰다.
이 방법을 이용하여 입자 데이터가 가지고 있는 속도값을 이용해서 원본 입자 데이터를 중심으로 4개의 입자를 추가하여 모션블러를 위한 궤적을 묘사 했다.
입자 간략화는 모든 입자 데이터를 시스템 메모리에 적재하는 것이 불가능하기 때문에 일정한 간격으로 입자 데이터를 추려내는 유니폼 샘플링을 통해서 입자 데이터의 크기를 줄이는 방법이다. 입자를 간략화 시키기 위해서 우리는 X, Y, Z 축 중 하나의 축을 선택하여 그 축을 기준으로 정렬하는 과정을 실행한다. 그리고 정렬된 데이터로부터 일정한 구간마다 입자 데이터들을 가져와서 별개의 파일로 저장시킨다.
프리뷰어는 렌더링 쓰레드와 데이터 쓰레드를 두어 입자 데이터를 불러오는 동안에도 입자의 렌더링 속도에 영향을 미치지 않도록 설계되었다. 렌더링 쓰레드에서는 모션블러, 입자 증폭, 물 표면 반사, 물 표면 굴절과 같은 렌더링 기술들을 이용하여 유체 시뮬레이션 데이터를 가시화하고, 데이터 쓰레드에서는 유체 시뮬레이션 데이터를 관리한다.
프리뷰어에서 격자/입자 유체 시뮬레이션 데이터의 가시화를 극대화시키기 위하여 여러 가지 실시간 효과들을 적용하였다. 프리뷰어가 지원하는 실시간 효과로는 모션블러, 입자 증폭, 물 표면 반사, 물 표면 굴절 등이 있다.

대상 데이터

본 논문에서는 다이렉트X10(이하 DX10) 에 새롭게 도입된 지오메트리 쉐이더를 활용하여 이 문제를 해결하였다[7]. 모션블러를 지오메트리 쉐이더에서 구현하기 위해서 DirectX SDK에 있는 MotionBlur10 샘플을 참조하였다[8].
하지만 입자 데이터의 간략화로 인해서 발생한 입자들의 공백을 채워야 하는 문제가 발생한다. 우리는 이를 해결하기 위해서 정지 상태에서 유체를 관찰할 때에는 해당 프레임에 대해 간략화 과정을 거치지 않은 데이터를 사용하였다. 때문에 프리뷰어는 정지상태가 되면 해당 프레임의 원본 데이터를 즉석으로 불러오게 되는데 이 과정에서 발생하는 로딩은 1~3초 사이로 상당히 짧다.

성능/효과

[그림 7]은 물 표면에 반사와 굴절 효과를 적용한 결과이다. 광원의 위치에 따라 물 표면에 보여지는 반사효과나 굴절 효과가 변화하고 있고, 물의 질감이 표현되고 있는 것을 확인할 수 있다.
프리뷰어는 일반적으로 프레임마다 해당하는 데이터를 불러와서 가시화하는 다른 저작도구들에 비해 빠른 속도로 결과를 확인하는 것이 가능하다. 그리고 실시간 효과를 이용하여 유체 시뮬레이션 데이터의 가시화를 보다 효율적으로 할 수 있게 하였고 물에 특화된 효과들을 적용하여 보다 사실적인 물을 표현할 수 있었다. 이러한 특징들은 유체 시뮬레이션 콘텐츠의 생산성 향상에 기여할 수 있다고 판단된다.
그래서 개선된 방법이 육면체(cube) 대신에 이것을 6개의 사면체로 나누어서 사용하는 것이다[4]. 본 논문에서는 사면체 방법을 사용 했는데 이 기법은 추출속도는 느리지만, 마칭 큐브보다 고품질의 메쉬를 애매한 경우 없이 추출할 수 있게 된다.
프리뷰어는 데이터의 검토에 도움을 주기 위해 유체 시뮬레이션 데이터를 빠른 속도로 가시화하는 역할을 한다. 영화CG의 일부분이지만 프리뷰어가 유체 시뮬레이션 결과 데이터의 검토 작업에 들어가는 시간을 줄임으로써 생산성에 향상을 가져올 것으로 전망된다.
이 방법을 이용함으로써 적은 시스템 메모리로도 프리뷰어를 충분히 작동시킬 수 있도록 설계하는 것이 가능하였다. 아티스트들은 이 프리뷰어의 가시화 기능을 통해서 대략적인 유체 시뮬레이션의 흐름을 파악할 수 있고, 정지 상태에선 입자의 밀도를 확인할 수 있다.

후속연구

아티스트들의 작업 과정을 면밀히 분석하여 시뮬레이션 생산성을 높일 수 있을 것이다. 그리고 입자 증폭의 알고리즘을 개선하여 간략화 된 입자 데이터들을 보여줄 때 기존보다 더 원본 데이터와 비슷하게 보이도록 개선할 수 있을 것이다.
앞으로 프리뷰어를 발전시키기 위해서 아티스트들의 편의를 위한 기능이나, 실시간 효과들의 품질을 향상시키기 위한 개발이 필요할 것이다. 아티스트들의 작업 과정을 면밀히 분석하여 시뮬레이션 생산성을 높일 수 있을 것이다. 그리고 입자 증폭의 알고리즘을 개선하여 간략화 된 입자 데이터들을 보여줄 때 기존보다 더 원본 데이터와 비슷하게 보이도록 개선할 수 있을 것이다.
앞으로 프리뷰어를 발전시키기 위해서 아티스트들의 편의를 위한 기능이나, 실시간 효과들의 품질을 향상시키기 위한 개발이 필요할 것이다. 아티스트들의 작업 과정을 면밀히 분석하여 시뮬레이션 생산성을 높일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마칭 큐브(marching cube)방법은 무엇을 위해 많이 이용되는가?	이 과정은 격자 기반의 유체 시뮬레이션의 결과 데이터인 레벨 셋(level set)데이터로부터 물 표면에 해당하는 메쉬 데이터를 획득하는 것이다. 일반적으로 레벨 셋 데이터와 같은 3차원 볼륨데이터로부터 표면정보(isosurface)를 추출하기 위해서는 마칭 큐브(marching cube)방법[3]을 많이 이용한다.
	입자 간략화는 어떤 방법인가?	입자 간략화는 모든 입자 데이터를 시스템 메모리에 적재하는 것이 불가능하기 때문에 일정한 간격으로 입자 데이터를 추려내는 유니폼 샘플링을 통해서 입자 데이터의 크기를 줄이는 방법이다. 입자를 간략화 시키기 위해서 우리는 X, Y, Z 축 중 하나의 축을 선택하여 그 축을 기준으로 정렬하는 과정을 실행한다.
	마칭 큐브 방법은 특수한 경우에 표면 메쉬를 추출하기에 애매한 경우가 발생하는데 이를 개선하기 위해 어떤 방법을 사용했는가?	마칭 큐브 방법은 속도가 비교적 빠른 반면 특수한 경우에 표면 메쉬를 추출하기에 애매한 경우가 발생한다. 그래서 개선된 방법이 육면체(cube) 대신에 이것을 6개의 사면체로 나누어서 사용하는 것이다[4]. 본 논문에서는 사면체 방법을 사용 했는데 이 기법은 추출속도는 느리지만, 마칭 큐브보다 고품질의 메쉬를 애매한 경우 없이 추출할 수 있게 된다.

참고문헌 (9)

권병철, “CG 위주 영화에서 스테이징 staging에 의한 사실성 증대 효과-트랜스포머 분석을 중심으로-”, 한국콘텐츠학회논문지, 제9권, 제5호, pp.107-117, 2009.

원문보기 상세보기
신승호, 윤종철, 이정, 김창헌, “SPH 기반의 사각 스플렛팅 가시화 기법”, 컴퓨터그래픽스학회논문지, 제14권, 제4호, pp.27-34, 2008.

원문보기 상세보기
W. Lorensen and H. Cline, "Marching cubes: A high resolution 3d surface construction algorithm," In Proceedings of ACM SIGGRAPH 87, pp.163-169, 1987.
A. Gueziec and R. Hummel, "Exploiting Triangulated Surface Extraction using Tetrahedral Decomposition," IEEE Transactions on Visualisation and Computer Graphics, Vol.1, No.4, pp.328-342, 1995.

상세보기
K. Egan, Y. T. Tseng, N. Holzschuch, F. Durand, and R. Ramamoorthi, "Frequency Analysis and Sheared Reconstruction for Rendering Motion Blur," ACM Transactions on Graphics, Vol.28, No.3, p.93, 2009.

상세보기
J. Loviscach, "Motion Blur for Textures by Means of Anisotropic Filtering", EG Symposium on Rendering, 2005.
D. Blythe, "The Direct3D 10 System," ACM Transactions on Graphics, Vol.25, No.3, pp.724-734, 2006.

상세보기
http://msdn.microsoft.com/ko-kr/library/ee4164 17(en-us,VS.85).aspx
T. Akenine-Moller and E. Haines, "Real-Time Rendering 2nd edition," AK Peters, 2002.

저자의 다른 논문 :

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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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