[논문]Mega Irises: 프로젝터 기반의 영상 시스템상에서 이동하는 체험자를 위한 화소 단위의 스크린 투사 밝기 보정

진종욱; 원광연

Mega Irises: 프로젝터 기반의 영상 시스템상에서 이동하는 체험자를 위한 화소 단위의 스크린 투사 밝기 보정
Mega Irises: Per-Pixel Projection Illumination Compensation for the moving participant in projector-based visual system 원문보기

컴퓨터그래픽스학회논문지 = Journal of the Korea Computer Graphics Society, v.17 no.4, 2011년, pp.31 - 40

진종욱 (한국과학기술원 전산학과 가상현실 연구실) , 원광연 (한국과학기술원 전산학과 가상현실 연구실)

초록
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프로젝터 기반의 가시화 시스템은 가상현실 흑은 체험형 응용에서 널리 사용된다. 그러나 스크린 재질과 반사 성질에 따라 스크린 상의 투사 밝기의 불균일성이 때때로 체험자의 체험을 방해할 수 있다. 이러한 현상은 체험자의 위치를 추적하는 시스템인 CAVE 혹은 운동판 체험 시스템의 체험자가 시스템 안에서 계속적으로 움직일 경우에는 특별히 문제가 될 수 있다. 스크린 화상 상에 밝기의 불균일성을 만드는 이유 중에 하나는 참여자의 눈의 위치로의 프로젝터와 스크린의 스펙큘라 반사이며, 이에 대한 분석은 높은 계산 복잡도가 요구된다. 그래픽 프로세서의 프로그래머블 쉐이더를 이용하여 스펙큘라 라이팅 요소를 계산하는 것과 마찬가지로, 본 연구에서는 밝기의 불균일성을 줄이기 위하여 주어진 스크린 환경 3D 모델을 가지고 수행 시간에 모든 화소의 밝기를 조정하였다. 이러한 목적을 위하여 개개의 스크린 응용에 따른 각도 기반의 밝기 보정 함수를 고안하였으며, GPU 상에서 수행과 접근을 용이하도록 하였다. 두가지 기법이 구현되었는데, 각도 기반의 접근에서 프로덕트 기반의 접근으로 변환과 구간 선형 보간 근사 기법을 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Projector-based visual systems are widely used for VR and experience display applications. But the illumination irregularity on the screen surface due to the screen material and its light reflection properties sometimes deteriorates the user experience. This phenomenon is particularly troublesome when the participants of the head tracking VR system such as CAVE or the motion generation experience system continually move around the system. One of reason to illumination irregularity is projector-screen specular reflection component to participant's eye's position and it's analysis needs high computation complexity. Similar to calculate specular lighting term using GPU's programmable shader, Our research adjusts every pixel's brightness in runtime with given 3D screen space model to reduce illumination irregularity. For doing that, Angle-based brightness compensate function are considered for specific screen installation and modified it for GPU-friendly compute and access. Two aspects are implemented, One is function access transformation from angular form to product and the other is piecewise linear interpolate approximation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목표는 스크린과 프로젝터 기반의 체험형 디스플레이 상에서 참여자가 움직이는 체험형 시각화 운영시에 스크린 전체에 대해서 영상 밝기를 일정하게 유지하는 것이다. 참여자의 시점에서 스크린의 반사량을 모델링하여, 밝고 어두운 부분에 대한 보정을 실시간에 수행하는 것으로, 보정을 위하여 프로젝터에서 투사되는 광선과 스크린 반사 표면과 참여자로의 밝기에 대한 모델링으로 주반사 광선 추적기법을 사용하였다.

제안 방법

참여자의 시점에서 스크린의 반사량을 모델링하여, 밝고 어두운 부분에 대한 보정을 실시간에 수행하는 것으로, 보정을 위하여 프로젝터에서 투사되는 광선과 스크린 반사 표면과 참여자로의 밝기에 대한 모델링으로 주반사 광선 추적기법을 사용하였다. VR 응용 및 사용자 반응형 응용을 위하여 GPU의 계산 능력을 이용하여 실시간에 모든 화소의 밝기 감지 및 제어를 제공한다.
본 연구는 밝기 보정을 위하여 원 보정 함수에 대해서 테이블을 이용하여 구간 선형 보간 근사 함수 (Piece-Wise Linear Interpolation Approximation Function)을 구성하였으며, GPU를 위하여 생성되는 테이블은, 텍스춰를 기반으로 하며, 텍스춰는 유한 해상도를 가지고 있으며 유한개의 텍스춰 셀 (줄여서 텍셀)에 보정값을 지정하게 되는데, 1~0 사이를 같은 등분으로 나누어 지정하게 되고, 이러한 유한 샘플들을 가지고 임의의 연속값인 벡터 내적값이 주어졌을 때, 근처의 두 개의 샘플을 가지고 선형 보간을 수행하여 보정값을 구성한다. 선형 보간은 그래픽스 H/W 에 의하여 텍셀을 참조할 때 자동으로 이루어진다.
스크린 형상과 참여자 시점의 기반으로, GPU의 프로그래밍 능력을 이용하여, 화소별 밝기 보정을 수행한다. 화소별 프로그램은, 투사하려는 영상 화소의 밝기를 계산하고, 참여자 시선 벡터와 주 반사벡터의 각도를 계산하여 [수식1], 스크린 반사량을 참조하게 된다.
운동판의 움직임에 따라서 참여자의 시점 위치를 모니터링 하였다. 최종 화소별 프로그램은 광선 벡터추적, YUV 변환, 스크린 반사 보정 맵 참조, 최종 화소 밝기 조정으로 이루어진다.
참여자의 시점에서 스크린의 반사량을 모델링하여, 밝고 어두운 부분에 대한 보정을 실시간에 수행하는 것으로, 보정을 위하여 프로젝터에서 투사되는 광선과 스크린 반사 표면과 참여자로의 밝기에 대한 모델링으로 주반사 광선 추적기법을 사용하였다. VR 응용 및 사용자 반응형 응용을 위하여 GPU의 계산 능력을 이용하여 실시간에 모든 화소의 밝기 감지 및 제어를 제공한다.
체험형 영상 시스템에서 참여자 위치에 따른 화면 밝기의 불균일성을 줄이기 위하여 참여자 시점에서 스크린 반사를 고려하여 화소 단위의 밝기를 보정하여 프로젝터 기반의 체험형 시스템의 영상 문제를 완화시켰다. 스크린 재질에 따른 밝기 제어 모델링이 가능하며, GPU상의 프로그램을 이용하여 실시간 사용자 반응형 응용에 적용 가능하다.
운동판의 움직임에 따라서 참여자의 시점 위치를 모니터링 하였다. 최종 화소별 프로그램은 광선 벡터추적, YUV 변환, 스크린 반사 보정 맵 참조, 최종 화소 밝기 조정으로 이루어진다. 보정을 위해 사용된 프로그램의 계산량은 [그림6]에서처럼 사중 텍스춰 맵핑 (원 영상, 픽셀 위치, 주반사 광선, 각도에 따른 스크린 밝기 보정맵) 에 근사한 복잡도를 가지므로 최근의 GPU는 이를 실시간에 수행할 수 있다.

대상 데이터

스크린 재질에 따른 밝기 제어 모델링이 가능하며, GPU상의 프로그램을 이용하여 실시간 사용자 반응형 응용에 적용 가능하다. 본연구의 이상적인 적용 사례는 참여자를 스크린으로 둘러싸는 정육면체의 CAVE 영상 시스템이다.[10] 참여자가 정육면체 안에 들어가서 가상세계와 상호작용하는 영상 시스템으로서, 참여자의 위치에 따라 밝기의 변화는 매우 크기 때문에 이러한 연구가 적용되면 몰입감을 증대시킬 수 있다.
53도이다. 실험에는 수평 4096 해상도의 텍스춰를 사용하였으며 이러한 각도의 Non-Uniform한 배분 문제로 인하여 화상에 시각적인 문제가 발생하지 않았다. [그림4]는 보정 밝기만을 보여주는 것으로, 매각도 마다 보정 밝기를 0으로 제어하는 텍셀을 넣었다.

이론/모형

관련된 문제들을 카메라를 가지고 해결하기 위한 방법론[2]들을 [3]에서 정리했으며, 형상 일치에 관해서는 Warping, 스크린 3D 모델, Simulated Annealing 및 Homography 등을 이용하였으며, 색상 일치에 대해서는 Blending 기법을 사용하였다. 색상 일관성에 관해서는, 연구 초기 단계에서는 다수의 프로젝터의 색상을 일치시키는 기법에서 출발하여 최근에는 인지적인 허용 범위 안에서 색상 일치를 수행하는 기법이 제안되고 있다.

후속연구

연구의 목표인 표시하고자 하는 영상 프레임의 같은 밝기의 화소에 대해서, 모든 스크린상의 화소가 같은 밝기를 가지려면 주반사 벡터와 시선 벡터간의 각도에 따른 밝기 보정이 필요하고, 매 영상 프레임마다, 스크린의 모든 투사된 화소에 대해서, 움직이는 참여자를 고려한 벡터를 구성하고 각도를 계산하여 보정하려면, 고성능의 계산량이 요구된다. [그림2]에서처럼 화소의 위치에 따라, 같은 밝기의 화소일지라도 주반사 벡터와 시선벡터가 이루는 각에 따라 밝기의 차이 (A > B) 가 생긴다.

참고문헌 (11)

B. Saja, M. Lazarov, A. Majunder, and M. Gopi. "Color seamlessness in multi-projector displays using constrained gamut morphing," IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (TVCG), pp. 1317-1326. 2009.
R. Raskar, M.S. Brown, R. Yang, W. Chen, G. Welch, H. Towles, B. Seales, and H. Fuchs, "Multiprojector Displays Using Camera-Based Registration," Proc. IEEE Visualization. pp. 161-168. 1999.
M. Brown, A. Majumder and R. Yang. "Camera-Based Calibration Techniques for Seamless Multiprojector Displays," IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. pp. 193-206. 2005.
A. Majumder, Z. He, H. Towles, and G. Welch. "Achieving color uniformity across multi-projector displays," Proc. IEEE Visualization, pp. 117-124. 2000.
A. Majumder and R. Stevens, "LAM: Luminance Attenuation Map for Photometric Uniformity in Projection Based Displays," Proc. ACM Virtual Reality and Software Technology. pp. 147-154. 2002.
A. Majumder and R. Stevens, "Color Nonuniformity in Projection-Based Displays: Analysis and Solutions," IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 10, no. 2. pp. 177-188. 2004.

상세보기
A. Majumder and R. Stevens, "Perceptual Photometric Seamlessness in Projection-Based Tiled Displays," ACM Transactions on Graphics, vol. 24, no.1, pp. 119-139. 2005.
A.J. Law, D.G. Aliaga, A. Majumder. "Projector Placement Planning for High Quality Visualizations on Real-World Colored Objects." IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. Volume: 16 Issue:6. pp. 1633-1641. 2010.

상세보기
McLellan, H. Virtual realities. In D. Jonassen (Ed.) Handbook of research for educational communications and technology. pp. 457-487. 1966.
C. Cruz-Neira, D.J. Sandin and T. A. DeFanti. "Surround-Screen Projection-based Virtual Reality: The Design and Implementation of the CAVE," SIGGRAPH'93: Proceedings of the 20th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, pp. 135-142. 1993.
Simuline corp. A Korea Motion Platform Manufacture http://www.simuline.com/

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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