[논문]절차적 범프 매핑을 이용한 직물표면의 사실적 렌더링

강영민

절차적 범프 매핑을 이용한 직물표면의 사실적 렌더링
Realistic Rendering of Woven Surface using Procedural Bump Mapping 원문보기

한국게임학회 논문지 = Journal of Korea Game Society, v.10 no.3, 2010년, pp.103 - 111

초록
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본 논문에서는 직물을 사실적으로 렌더링할 수 있는 절차적 접근법을 제안한다. 가상 직물을 렌더링하기 위한 기존의 절차적인 기법들은 결과의 사실성이 부족하다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 제안된 예제-기반 접근법은 렌더링의 사실성을 매우 높였지만, 다양한 재질의 반사를 표현하기 위해서는 대용량의 저장 공간이 필요하다는 단점을 가진다. 본 논문에서 제안되는 기법은 미세면(microfacet) 모델을 이용하여 직물을 표현한다. 미세면 모델은 이방성 반사특성을 갖도록 하였으며, 씨실과 날실은 이러한 이방성 반사 특성을 수직으로 교차하여 표현할 수 있다. 이와 함께 본 논문은 실을 더욱 사실적으로 표현하기 위해 직조물을 구성하는 실의 굴곡을 절차적으로 모델링하는 기법을 제안한다. 제안된 기법은 데이터를 사용하지 않고도 매우 사실적인 직물 렌더링이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an procedural approach to photorealistic rendering of woven fabric material is proposed. Previously proposed procedural approaches to fabric rendering have the disadvantage that the rendering result is not sufficiently realistic. In order to enhance the realism, researchers employed example-based approaches. However, those methods have serious disadvantage that they require huge amount of storage for the various reflectance properties of diverse materials. The proposed method can express the reflectance on weft and warp yarns by alternating the anisotropic reflectance on yarns. In addition, we propose the proposed method procedurally models the bumpy yarn structure of woven fabric to obtain plausible rendering results. The proposed method can efficiently reproduce realistic virtual fabric without any reflectance data sets.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안하는 기법은 의류 객체의 표면의 굴곡을 표현하기 위한 것이다. 이를 위해서는 직조 패턴을 모델링하는 것이 필요한데, 직조 패턴은 직조 요소를 어떻게 배열하는가에 따라 결정되 도록 하였다.
이러한 목표는 가상 객체의 표면 반사를 모델링함으로써 달성할 수 있다. 본 논문에서는 직조 의류의 사실적인 렌더링을 가능하게 하는 절차적 기법을 제안한다. 제안된 기법은 [그림 1]과 같은 사실적인 렌더링 결과를 생성할 수 있다.
본 논문에서는 직조물을 사실적으로 렌더링하기 위해 필요한 자연스러운 표면 굴곡 표현 방법을 제안하였다. 제안된 기법은 직조 패턴을 고려한 절차적 범프 매핑 기법으로서 직조물을 구성하는 가상의 실이 가지는 울퉁불퉁한 법선 벡터를 계산하여 조명 계산에 적용하는 것이다.
미세면 모델은 이방성 반사 특성을 갖도록 하였으며, 씨실과 날실은 이러한 이방성 반사 특성을 수직으로 교차하여 표현할 수 있다. 이와 함께본 논문은 실을 더욱 사실적으로 표현하기 위해 직조물을 구성하는 실의 굴곡을 법선 벡터 조작을 통해 절차적으로 모델링하는 기법을 제안한다.

제안 방법

본 논문의 기법은 현재 전역 조명 렌더링 기법을 구현한 오프라인 렌더러에서 구현되어 있다. 그러나 범프 매핑을 위해 활용하는 정보가 표면 좌표와 직조 패턴 정의 관련 파라미터들이기 때문에 매우 간단히 GPU에서 처리 가능한 형태로 개선될수 있을 것으로 판단된다.
[표 1]은 기존의 기법과 제안된 기법의 차이를 분석한 것이다. 비교는 Blinn의 미세면, 측정된 직물의 BRDF, BTF, 그리고 제안된 기법이다. 표에서 확인할 수 있는 바와 같이 제안된 기법은 공간 가변 BRDF를 데이터 없이 생성할 수 있으며, 그결과도 매우 사실적이다.
Wang 등은 SVBRDF를 하나의 시점에서 측정 할 수 있는 기법을 제안하였다[21]. 이 기법은 SVBRDF를 저가의 측정 장비로 측정할 수 있도록 하였으며, 측정된 부분적 정보를 합성하여 전체적 으로 온전한 데이터를 얻도록 하였다. 비록 이 방법을 통해 SVBRDF 측정의 비용을 낮출 수 있지 만, 여전히 많은 저장 공간과 장비를 요구한다.
본 논문에서 제안하는 기법은 의류 객체의 표면의 굴곡을 표현하기 위한 것이다. 이를 위해서는 직조 패턴을 모델링하는 것이 필요한데, 직조 패턴은 직조 요소를 어떻게 배열하는가에 따라 결정되 도록 하였다. 직조 요소는 [그림 2]와 같이 씨실 요소와 날실 요소로 나뉜다.
본 논문에서는 직조물을 사실적으로 렌더링하기 위해 필요한 자연스러운 표면 굴곡 표현 방법을 제안하였다. 제안된 기법은 직조 패턴을 고려한 절차적 범프 매핑 기법으로서 직조물을 구성하는 가상의 실이 가지는 울퉁불퉁한 법선 벡터를 계산하여 조명 계산에 적용하는 것이다. 이러한 법선 벡터 조작을 통해 생성된 렌더링 결과는 실험 결과 매우 사실적인 가상 직조물을 표현할 수 있었다.

이론/모형

미세면 모델은 Torrance와 Sparrow가 최초로 제안하였고[7], Cook과 Torrance에 의해 그래픽스 분야에 소개되 었다[8]. Ashikhmin은 미세면 모델에 기반한 BRDF(양방향 반사 분포 함수)를 다음과 같이 모델 링하였고[9], 본 논문의 기법도 이러한 미세면 모델을 사용하였다.
본 논문에서 제안되는 기법은 미세면 모델(microfacet model)을 이용하여 직물을 표현한다. 미세면 모델은 이방성 반사 특성을 갖도록 하였으며, 씨실과 날실은 이러한 이방성 반사 특성을 수직으로 교차하여 표현할 수 있다.
본 논문에서는 미세면(microfacet) 모델을 이용하여 직물의 반사 표면을 모델링한다. 미세면 모델은 Torrance와 Sparrow가 최초로 제안하였고[7], Cook과 Torrance에 의해 그래픽스 분야에 소개되 었다[8].
본 논문의 기법을 실험하기 위해 한국전자통신 연구원의 전역조명 렌더러인 GirlRender를 활용하였다. [그림 4]는 본 논문에서 제안한 직조 기반 범프 매핑에서 실의 곡률을 제어하는 c_y와 c_f 파라미터가 어떤 역할을 하는지를 보이는 결과이다.
Adabala 등은 직조물의 렌더링을 위해 근거리 렌더링과 원거리 렌더링을 구분하는 접근법을 사용 하였다[12,13]. 이 기법 역시 미세면 모델을 기반으로 하였으며, 적용된 미세면 모델은 Ashikhmin 등이 제안한 기법[9,14]이며, Sloan 등이 제안한 지평 맵(horizon map)도 활용하였다[15]. 이 기법의 장점은 다양한 직조 패턴을 표현할 수 있다는 것이 지만, 실의 표면 반사 자체는 다소 가볍게 다뤄졌 다는 단점을 가지고 있다.
Yasuda 등은 이방성 반사를 실의 방향에 따라 적용하여 직조물의 음영을 렌더링하는 기법을 제안하였다[10]. 이 방법은 사실적 직물 렌더링을 위한 절차적 기법의 초기 접근법으로 Blinn과 Newell이 [11]에서 제안한 미세면 모델을 활용하였다. 이 기법은 직조 패턴을 기반으로 반사 특성을 결정하는 최초의 모델이지만, 직조 패턴이 시각적으로 감지될 수 있는 근거리 렌더링에서도 직조 패턴의 모습이 나타나지 않는다는 단점을 가진다.

성능/효과

제안된 기법은 직조 패턴을 고려한 절차적 범프 매핑 기법으로서 직조물을 구성하는 가상의 실이 가지는 울퉁불퉁한 법선 벡터를 계산하여 조명 계산에 적용하는 것이다. 이러한 법선 벡터 조작을 통해 생성된 렌더링 결과는 실험 결과 매우 사실적인 가상 직조물을 표현할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 기법은 사실적인 직조물 느낌을 표현하는 다양한 종류의 콘텐츠에 폭넓게 사용될 수 있을 것이다.
비교는 Blinn의 미세면, 측정된 직물의 BRDF, BTF, 그리고 제안된 기법이다. 표에서 확인할 수 있는 바와 같이 제안된 기법은 공간 가변 BRDF를 데이터 없이 생성할 수 있으며, 그결과도 매우 사실적이다. 측정 BRDF와 BTF의 경우 하나의 재질을 표현하기 위해 표에 나타난 크기의 데이터가 필요하며, 다른 재질을 위해서 또다른 데이터가 추가로 요구된다.

후속연구

이러한 법선 벡터 조작을 통해 생성된 렌더링 결과는 실험 결과 매우 사실적인 가상 직조물을 표현할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 기법은 사실적인 직조물 느낌을 표현하는 다양한 종류의 콘텐츠에 폭넓게 사용될 수 있을 것이다.
그러나 범프 매핑을 위해 활용하는 정보가 표면 좌표와 직조 패턴 정의 관련 파라미터들이기 때문에 매우 간단히 GPU에서 처리 가능한 형태로 개선될수 있을 것으로 판단된다. 이러한 GPU 버전으로 개선되고 적절한 의류 시뮬레이션 엔진과 결합된다면 제안된 기법을 이용하여 게임이나 가상현실과 같은 실시간 응용 소프트웨어에서도 극도의 사실성이 보장된 의류 애니메이션을 구현할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물리 기반 렌더링의 목표는 무엇인가?	물리 기반 렌더링의 목표는 사실적인 이미지를 생성하는 것이다. 이러한 목표는 가상 객체의 표면 반사를 모델링함으로써 달성할 수 있다.
	미세면 모델이 가지는 특성은?	본 논문에서 제안되는 기법은 미세면 모델 (microfacet model)을 이용하여 직물을 표현한다. 미세면 모델은 이방성 반사 특성을 갖도록 하였 으며, 씨실과 날실은 이러한 이방성 반사 특성을 수직으로 교차하여 표현할 수 있다. 이와 함께본 논문은 실을 더욱 사실적으로 표현하기 위해 직조물을 구성하는 실의 굴곡을 법선 벡터 조작을 통해 절차적으로 모델링하는 기법을 제안한다.
	물리 기반 렌더링의 목표는 무엇을 통해 달성할 수 있는가?	물리 기반 렌더링의 목표는 사실적인 이미지를 생성하는 것이다. 이러한 목표는 가상 객체의 표면 반사를 모델링함으로써 달성할 수 있다. 본 논문에 서는 직조 의류의 사실적인 렌더링을 가능하게 하는 절차적 기법을 제안한다.

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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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