[논문]임의의 모양을 가지는 면광원 하의 실시간 부드러운 그림자 생성 방법

전영재; 오경수

doi:10.7583/jkgs.2014.14.2.77

임의의 모양을 가지는 면광원 하의 실시간 부드러운 그림자 생성 방법
A Real-time Soft Shadow Rendering Method under the Area Lights having an Arbitrary Shape 원문보기

한국게임학회 논문지 = Journal of Korea Game Society, v.14 no.2, 2014년, pp.77 - 84

초록
AI-Helper

면광원에 의한 부드러운 그림자의 표현은 가상 장면을 보다 사실적으로 보이도록 한다. 하지만 부드러운 그림자의 계산은 매우 느리게 수행되기 때문에 실시간 3차원 응용 프로그램에 적용하기 위해서는 가속화가 요구된다. 우리는 기존의 실시간 부드러운 그림자 방법들이 가정했던 면광원의 모양과 색상을 보다 일반적으로 확장하여 임의의 모양과 색상을 갖는 면광원에 대한 부드러운 그림자 생성 방법을 제안한다. 그림자 매핑 정보를 획득할 수 있는 그림자 맵은 픽셀과 면광원 간의 가시성 검사를 근사하기 위해 사용되며 픽셀 주변의 그림자 복잡도에 따라 근사의 정도를 결정하였다. 그 결과 보다 일반적인 형태와 색상의 면광원에 대한 부드러운 그림자를 실시간에 표현할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Presence of soft shadow effects from an area light makes virtual scenes look more realistic. However, since computation of soft shadow effects takes a long time, acceleration methods are required to apply it to real-time 3D applications. Many researches assumed that area lights are white rectangles. We suggest a new method which renders soft shadows under the area light source having arbitrary shape and color. In order to approximate visibility test, we use a shadow mapping result near a pixel. Complexity of shadow near a pixel is used to determine degree of precision of our visibility estimation. Finally, our method can present more realistic soft shadows for the area light that have more general shape and color in real-time.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 장에서는 픽셀-면광원 간의 평균 가시성 계산과 적응적 필터 분할을 통한 부드러운 그림자 생성 방법을 설명한다. 우리의 목표는 임의의 모양과 색상을 갖는 면광원에 대해 사실적인 부드러운 그림자를 실시간에 정확하게 생성하는 것이다. 이를 위해서 우리는 투영 방식과 유사한 접근법을 기존의 필터링 기반의 부드러운 그림자 방법에 적용하였다.
이 논문에서 우리는 임의의 모양과 색상을 갖는 면광원에 대해 빠르고 정확하게 부드러운 그림자를 생성하는 방법을 소개하였다. 일반적으로 면광원을 사용한 부드러운 그림자 계산은 복잡하고 많은 시간을 필요로 한다.
이 논문에서는 임의의 모양과 색상을 갖는 면광원에 대해 정확하고 빠르게 부드러운 그림자를 생성하는 방법을 소개한다. 3차원 그래픽스 연구 분야에 있어서 그림자의 표현에 대한 연구는 매우 중요하며 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다.

가설 설정

하지만 일정 영역을 필터링하지 않고 현재 픽셀보다 조명에 가까운 텍셀들을 전부 조명으로 투영하였다. 조명은 사각형의 면광원으로 가정하였으며 그림자 맵은 면광원의 중심에서 면광원의 방향과 평행하게 생성된다. 따라서 텍셀이 투영된 영역 또한 사각형으로 표현된다.

제안 방법

[1]은 조명과 차폐물(occluder) 그리고 그림자가 드리워지는 지점의 지형적 조건을 고려하여 반영(penumbra)의 크기를 추정하였다. 그 다음 각 픽셀 마다 추정된 반영 크기에 따라 정해지는 필터 영역의 각 지점에 대해 그림자 맵에서의 깊이 값 비교를 수행하였다. 한 픽셀 주변의 그림자 결과는 평균되어 최종 그림자 강도로 사용된다.
우리는 필터 영역을 분할하는 기준으로 영역 내 그림자의 복잡도를 사용하였다. 그림자의 복잡도는 그림자 매핑 결과의 분산을 사용함으로써 구하였다. 만약 그림자의 복잡도가 크다면 우리는 필터 영역을 더 많이 분할하여 지역적으로 차이가 많이 나는 가시성 검사 결과를 참조하는 것으로 부드러운 그림자를 생성한다.
평균 가시성 계산 결과는 면광원의 모양이 사각형이고 색상이 단색일 때에는 정답에 가까우나 면광원의 색상이 다양하게 변화하는 경우에는 사실적이지 않게 된다. 따라서 우리는 그림자 맵 상의 필터 영역 내의 텍셀 들이 픽셀로의 빛을 가로막는다는 것에 착안하여 필터 영역을 분할하여 지역적인 가시성 검사를 수행하였다. 우리는 필터 영역을 분할하는 기준으로 영역 내 그림자의 복잡도를 사용하였다.
추가적으로 그림자의 경계 지역이 다른 영역에 비해 시각적으로 중요도가 높은 것에 착안하였다. 따라서 픽셀 주변의 그림자 변화 정도에 따라 적응적으로 필터 영역을 분할하여 가시성 검사의 정밀도를 결정하였다.
각 픽셀에 대해서는 그림자 맵에 대한 필터 영역을 계산하고 그림자 매핑 결과를 고려하여 적응적으로 필터 영역을 분할한다. 마지막으로 동일하게 분할한 면광원 이미지를 사용하여 픽셀의 최종 조명 색상을 결정한다.
따라서 우리는 그림자 맵 상의 필터 영역 내의 텍셀 들이 픽셀로의 빛을 가로막는다는 것에 착안하여 필터 영역을 분할하여 지역적인 가시성 검사를 수행하였다. 우리는 필터 영역을 분할하는 기준으로 영역 내 그림자의 복잡도를 사용하였다. 그림자의 복잡도는 그림자 매핑 결과의 분산을 사용함으로써 구하였다.
기존의 방법들은 필터링을 통해 평균 가시성 정보만 획득하여 사용하였다. 제안된 방법은 이와 달리 면광원의 각 지점에 대해 가시성 검사를 수행할 수 있도록 필터링 영역을 분할하였다. 각 분할된 영역에 대해 가시성 검사를 수행하는 것은 다양한 모양과 색상의 면광원이 픽셀에 전달하는 조명 색상을 빠르게 계산할 수 있도록 한다.
추가적으로 우리는 필터 영역의 분할을 위해 면광원을 대신하여 사용하는 이미지의 복잡도 또한 고려하였다. 아주 복잡한 색상의 면광원 이미지를 사용하는 경우, 픽셀 주변의 그림자 변화가 복잡하지 않을지라도 필터 영역을 분할하였다.
[5]는 필터링 방식들과 유사하게 그림자 맵에 그려지는 텍셀들을 잠재적인 차폐물들로써 사용하였다. 하지만 일정 영역을 필터링하지 않고 현재 픽셀보다 조명에 가까운 텍셀들을 전부 조명으로 투영하였다. 조명은 사각형의 면광원으로 가정하였으며 그림자 맵은 면광원의 중심에서 면광원의 방향과 평행하게 생성된다.

대상 데이터

[5]와 [7]이 이미지를 사용한 면광원에 대해 부드러운 그림자를 사실적으로 생성한 것과 같이, 우리의 방법도 동일한 효과를 표현할 수 있었다. 실험을 위해 그래픽스 라이브러리로 DirectX 3D 9.0을 그래픽스 디바이스로 NVIDIA GeForce GTX 460을 사용하였다.

이론/모형

우리는 픽셀과 면광원 간의 가시성 검사를 보다 빠르게 수행하기 위해 그림자 맵을 사용하였다. 픽셀 주변의 그림자 매핑 결과는 픽셀-면광원 간의 가시성 검사를 위해 사용될 수 있다.
우리의 알고리즘은 먼저 [3]의 방식을 이용하여 현재 픽셀이 그림자 영역이라면 면광원이 얼마나 가려져있는지 계산한다. [3]은 현재 픽셀 주변의 그림자 매핑 결과의 평균을 그림자 맵의 주파수 공간에서 계산하여 픽셀의 그림자 강도를 계산하였다.
[3]은 사전 필터링 방식을 사용하여, 즉 실제 그림자 매핑이 적용되기 전에, 주어진 “픽셀-면광원의 중심”간의 거리와 필터 영역 크기를 입력으로 면광원의 얼마나 많은 영역이 픽셀에 보이는지 계산할 수 있었다. 이 때 그림자 맵의 주파수 영역을 생성하기 위해 퓨리에 급수를 사용하였다. 결과적으로 [Fig.
우리의 목표는 임의의 모양과 색상을 갖는 면광원에 대해 사실적인 부드러운 그림자를 실시간에 정확하게 생성하는 것이다. 이를 위해서 우리는 투영 방식과 유사한 접근법을 기존의 필터링 기반의 부드러운 그림자 방법에 적용하였다. 하지만 필터 영역에 대해서 모든 작업을 수행하는 것은 비효율적이기 때문에 픽셀 주변의 그림자 복잡도를 고려하여 적응적으로 그림자를 계산한다.

성능/효과

기존의 부드러운 그림자 생성 방식이 픽셀에 대한 평균 가시성 검사를 사용한 것과 달리 우리는 주변 그림자의 복잡함에 따라 더욱 자세한 가시성 검사를 적응적으로 수행하였다. 그 결과 우리의 방법은 반영 근처에서 생기는 면광원 조명 효과를 정확하면서도 빠르게 표현할 수 있었다. 제안된 방법은 렌더링 성능이 기존 부드러운 그림자 방법보다 거의 유사하면서도 시각적으로는 더욱 사실적인 결과를 얻을 수 있다.
4]의 가장 하단부에는 필터 영역과 동일하게 분할한 면광원 이미지의 색상들을 사용하여 결정한 픽셀의 최종 렌더링 색상이 표시된다. 그 결과, 기존의 부드러운 그림자 방법의 가정에 의해 표현될 수 없었던 더욱 사실적인 그림자 결과를 얻을 수 있다. [Fig.
하지만 필터 영역이 이산적인 공간이고 영역 내 텍셀의 개수는 유한할지라도 모든 지점에 대한 그림자 매핑 결과를 참조하는 것은 매우 비효율적이다. 따라서 우리는 [3]과 동일한 방법으로 현재 픽셀로의 평균 가시성 검사 결과를 계산하였고 가장 기본적인 부드러운 그림자 결과를 생성하였다.
기존의 부드러운 그림자 방법보다 약 10프레임 가량 성능이 저하되지만 여전히 실시간에 화면을 출력할 수 있으므로 3차원 응용 프로그램에 적용될 수 있다. 또한 모든 픽셀에 대해서 고정적으로 2번 분할을 수행하는 경우에도 여전히 실시간에 수행됨을 확인할 수 있었다. [Fig.
그 결과 우리의 방법은 반영 근처에서 생기는 면광원 조명 효과를 정확하면서도 빠르게 표현할 수 있었다. 제안된 방법은 렌더링 성능이 기존 부드러운 그림자 방법보다 거의 유사하면서도 시각적으로는 더욱 사실적인 결과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 제안된 방법은 필터 영역의 분할에 따라 기존의 부드러운 그림자 생성 방법처럼 사용할 수 도 있기 때문에 장면의 상황이나 콘텐츠에 따라 각각의 알고리즘을 선택적으로 적용할 수 있다.
제안된 알고리즘을 사용하여 800x800 해상도의 장면을 렌더링 하는 경우 평균 초당 약 40프레임의 성능을 보였다[Table 1]. 기존의 부드러운 그림자 방법보다 약 10프레임 가량 성능이 저하되지만 여전히 실시간에 화면을 출력할 수 있으므로 3차원 응용 프로그램에 적용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점광원은 언제 많이 사용되는가?	점광원(Point light)은 3차원 장면에 조명 효과를 주기위해 많이 사용되며 계산량이 많지 않으면서도 효과적인 조명 모델이다. 하지만 점광원은 매우 간단한 조명 효과만을 제공한다.
	면광원을 실시간으로 표현하는 방법들이 많이 연구되어 온 이유는?	따라서 보다 사실적인 장면의 렌더링을 위해서는 부드러운 그림자와 같은 사실적인 효과들을 만들기 위한 면광원(Area light)의 사용을 고려해야 한다. 면광원을 사용한 조명 계산은 일반적으로 많은 시간을 필요로 한다. 따라서 면광원을 사용함으로써 얻을 수 있는 사실적인 효과 중 부드러운 그림자의 생성을 실시간에 표현하는 방법들이 많이 연구되어왔다.
	부드러운 그림자의 생성을 실시간에 표현하는 방법의 연구들은 접근 방식에 따라 어떻게 분류될 수 있는가?	따라서 면광원을 사용함으로써 얻을 수 있는 사실적인 효과 중 부드러운 그림자의 생성을 실시간에 표현하는 방법들이 많이 연구되어왔다. 이런 연구들은 접근 방식에 따라 필터링 방식과 투영 방식으로 분류될 수 있다.

참고문헌 (7)

Randima Fernando, "Percentage-closer soft shadows", ACM SIGGRAPH 2005 Sketches, 2005.
Baoguang Yang, Zhao Dong, Feng Jieqing, Hans-Peter Seidel and Jan Kauts, "Variance soft shadow mapping.", Computer Graphics Forum, Vol. 29, No. 7, pp2127-2134. 2010.

상세보기
Thomas Annen, Zhao Dong, Tom Mertens, Philippe Bekaert, Hans-Peter Seidel and Jan Kautz, "Real-time, all-frequency shadows in dynamic scenes", ACM Transactions on Graphics(TOG), Vol. 7, No. 3, 2008.
William Donnelly and Andrew Lauritzen, "Variance shadow maps", Proceedings of the 2006 symposium on Interactive 3D graphics and games, pp161-156, 2006.
Gael Guennebaud, Loic Barthe and Mathias Paulin, "Real-time soft shadow mapping by backprojection", Eurographics Symposium on Rendering, pp227-234, 2006.
Lionel Atty, Nicolas Holzschuch, Marc Lapierre, Jean-Marc Hasenfratz, Charles Hansen and Francois X. Sillion, "Soft shadow maps: Efficient sampling of light source visibility", Computer Graphics Forum, Vol. 25, No. 4, 2006.

상세보기
Samuli Laine, Timo Aila, Ulf Assarsson, Jaakko Lehtinen and Tomas Akenine-Moller, "Soft shadow volumes for ray tracing", ACM Transactions on Graphics (TOG), Vol. 24, No. 3, pp1156-1165, 2005.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증