[논문]측정 기반 BRDF 데이터를 이용한 실감재질표현 연구

유현진; 김강연; 김회민; 서명국; 고광희; 이관행

문제 정의

본 연구에서는 과 같이 구형샘플을 중심으로 광원을 회전시키면서 디지털 카메라로 BRDF 데이터를 획득하는 측정시스템을 구축하였다.
본 연구에서는 노출시간 1초에서 1/100초까지의 22장의 LDR 영상으로 HDR 영상을 생성하면서, 과 같은 카메라의 특성 곡선을 복원하였고, 카메라로부터 촬영되는 모든 LDR 재질 영상을 들어오는 빛에 대해 선형적으로 보정한다.
본 연구에서는 산업제품에 주로 사용되는 재질에 대하여 BRDF 데이터를 이용하여 사실적으로 표현하는데 초점을 맞추었다. 핸드폰, MP3 플레이어와 같이 개인이 휴대할 수 있는 전자제품의 범위는 더욱 증가하고 있으며, 근래에는 기호품으로서 고급화 또는 액세서리화 되는 경향을 보이고 있다.
전자제품의 외관은 주로 금속재질 또는 플라스틱 소재를 사용하며 표면을 페인트로 코팅하는 경우가 대부분이다. 본 연구에서는 이렇게 불투명하면서 등방성(isotropic)이고 균등질(homogeneous)한 재질의 BRDF 데이터를 획득하기 위해 디지털 카메라를 이용하여 영상기반 측정시스템을 구축하였다. 측정시스템으로부터 획득한 영상으로 BRDF 데이터를 생성하는 과정에서 실 세계의 넓은 빛의 범위를 모두 사용하기 위해 노출시간을 달리한 여러 장의 영상을 가지고 HDR 영상을 생성하였다.
본 연구에서는 플라스틱이나 금속재질같이 불투명하면서 등방성(isotropic) 재질의 BRDF데이터를 측정하기 위해 디지털 카메라와 할로겐 램프를 이용한 측정 시스템을 구축하였다. 디지털 카메라를 사용하는 대신 보다 넓은 범위의 빛을 다루기 위해 HDR 영상을 생성하고 또한 HDR 영상의 원색 재현을 위한 컬러보정을 수행하였으며, 측정시간을 단축하기 위해 반구형 재질 샘플을 이용하였다.
BRDF 렌더링 기술을 활용한 전자제품의 가상 프로토타이핑 (virtual prototyping) 또한 이러한 흐름에서 예외가 될수 없으며 오히려 더욱 빠른 시간 안에 다양한 모델을 생산해야만 하는 전자 산업에 더욱 적합한 해결책이 될 수 있다. 이 장에서는 BRDF에 대해 간단히 기술하고, 기존에 제안된 다양한 BRDF 측정 시스템과 그 측정 원리 및 장단점에 대해서 살펴보고자 한다.

가설 설정

모든 측정은 와 같이 암실에서 이루어졌으며, 측정 중 재질 샘플의 받침대나 주변 환경으로부터 반사되는 빛을 최대한 차단하기 위하여 측정에 사용된 모든 장비 또한 검을 천으로 가리웠다.

제안 방법

컬러특성화를 위해서 먼저 특성화하고자 하는 장비인디지털 카메라(Canon EOS 1D Mark II)를 이용하여 색 공간에 골고루 분포한 다양한 색상의 컬러패치들로 구성된<그림 5>의 표준 컬러 차트(Gretag MacBeth, Digital ColorChecker Chart SG, Patch 개수: 140)를 측정한다. 각 컬러패치의 CIEXYZ(or CIELAB)값을 분광광도계 (Spectrophotometer)를 이용하여 측색한 후, 디지털 카메라로부터 얻은 RGB 데이터를 실측데이터인 CIEXYZ로 변환하는 모델을 생성한다. 본 연구에서는 분광광도계로 Gretag MacBeth의 Eye-one Pro를 사용하여 D50에서의 모든 패치의 분광분포도 및 CIEXYZ, CIELAB를 측정하였고, CIE 표준 공식에 적용하여 D65에서의 CIEXYZ, CIELAB 또한 계산하였다.
이후 광원을 카메라 반대편에서 카메라 방향으로 5도씩 회전시키며 LDR 영상를 획득한다. 디지털 카메라로 획득된 LDR 영상을 통해 HDR 영상을 얻고자 광원을 5도씩 회전시킬 때마다 노출 시간(1초~1/100초)을 달리한 채 22장의 영상을 촬영하고, 이 들을 이용하여 1장의 HDR 영상을 생성하였다.
본 연구에서는 플라스틱이나 금속재질같이 불투명하면서 등방성(isotropic) 재질의 BRDF데이터를 측정하기 위해 디지털 카메라와 할로겐 램프를 이용한 측정 시스템을 구축하였다. 디지털 카메라를 사용하는 대신 보다 넓은 범위의 빛을 다루기 위해 HDR 영상을 생성하고 또한 HDR 영상의 원색 재현을 위한 컬러보정을 수행하였으며, 측정시간을 단축하기 위해 반구형 재질 샘플을 이용하였다. 본 연구에서 사용된 재질 데이터는 플라스틱 재질에 메탈릭 페인트가 도색된 것으로 이러한 데이터를 이용하여 산업제품에서 많이 사용되는 재질을 보다 실감나게 렌더링 할 수 있다.
[8,9] HDR 영상을 생성하기 전에 컬러보정을 수행하게 되면, 빛의 양이 아주 많은 범위와 아주 적은 범위에서의 컬러보정은 톤 보정이 없으면 오히려 색의 오차만 더하게 된다. 따라서 본 연구에서는 HDR 영상을 생성한 후 컬러보정을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 노출시간을 달리한 채 측정된 22장의 LDR 영상을 HDR 영상으로 변환한 후 컬러 보정을 수행하였다. 변환모델을 생성하는 방법에는 선형모델, 신경망 회로이용 들이 있으나, 본 연구에서는 다중회귀분석을 이용하였다.
각 컬러패치의 CIEXYZ(or CIELAB)값을 분광광도계 (Spectrophotometer)를 이용하여 측색한 후, 디지털 카메라로부터 얻은 RGB 데이터를 실측데이터인 CIEXYZ로 변환하는 모델을 생성한다. 본 연구에서는 분광광도계로 Gretag MacBeth의 Eye-one Pro를 사용하여 D50에서의 모든 패치의 분광분포도 및 CIEXYZ, CIELAB를 측정하였고, CIE 표준 공식에 적용하여 D65에서의 CIEXYZ, CIELAB 또한 계산하였다. 변환모델을 생성하기 위해서는 컬러차트를 측정할 때의 광원조건과 보정할 영상을 생성할 때의 광원조건이 동일하여야 한다.
본 연구에서는 와 같이 11개의 독립변수들로 변환모델을 구성하였으며 SAS를 활용하여각 항의 계수 b11, b1 2, b1 3, …, b3 10, b3 11를 구했다.
디지털 카메라로 대상을 한 번 찍어서 실 세계의 우리 눈이 감지하는 빛의 세기의 모든 범위를(dynamic range) 측정할 수는 없다. 실사에 가까운 모든 빛의 범위를 얻기 위하여, 노출시간을 달리하여 획득한 여러 장의 LDR 영상을 이용하여 HDR 영상을 생성하는 방법을 사용한다.[6,7] 이때 빛의 세기에 대한 디지털카메라의 반응이 선형적이지 않기 때문에 정확한 반사도 측정을 위해 적절한 보정을 해주어야 한다.
본 연구에서는 이렇게 불투명하면서 등방성(isotropic)이고 균등질(homogeneous)한 재질의 BRDF 데이터를 획득하기 위해 디지털 카메라를 이용하여 영상기반 측정시스템을 구축하였다. 측정시스템으로부터 획득한 영상으로 BRDF 데이터를 생성하는 과정에서 실 세계의 넓은 빛의 범위를 모두 사용하기 위해 노출시간을 달리한 여러 장의 영상을 가지고 HDR 영상을 생성하였다. 또한 원색재현을 위해 측정단계에서 표준광원을 사용하며 컬러차트와 회귀분석을 통해 컬러 보정을 수행하였다.
컬러특성화를 위해서 먼저 특성화하고자 하는 장비인디지털 카메라(Canon EOS 1D Mark II)를 이용하여 색 공간에 골고루 분포한 다양한 색상의 컬러패치들로 구성된의 표준 컬러 차트(Gretag MacBeth, Digital ColorChecker Chart SG, Patch 개수: 140)를 측정한다.
한번의 측정으로 다수의 BRDF 데이터를 얻을 수 있도록 고해상도 디지털 카메라(Canon EOS 1D Mark II, 3,504x2,336)를 디텍터로 사용하고, 20W의 할로겐 램프를 재질 샘플을 중심으로 360도 회전할 수 있도록 고정밀 로터리 스테이지(SURUGA SEIKI Rotary Stage K402-75M, resolution 0.0025°/pulse)위에 고정시켰다.
0025°/pulse)위에 고정시켰다. 할로겐 램프의 색온도는 3200K정도이며, 보다 정확한 색보정을 위해 색온도 필터를 사용하여 6500K로 변환시켜 측정하였다. 전자제품에 사용되는 다양한 재질 데이터를 얻기 위해 실제 산업현장에서 사용되고 또한 고려되고 있는 페인트를 도색한 구형 재질 샘플을 사용하였다.

대상 데이터

컬러차트의 패치는 총 140개로 이중 테두리에 위치한 44개의 흰색, 회색, 검정색 패치는 카메라의 비네팅 (Vignetting)현상을 확인하기 위한 용도이기 때문에 컬러보정에서는 사용하지 않는다. 나머지 96개의 패치 중 그레이 계열인 14개의 패치 역시 감마보정을 위해서만 사용한고, 변환 모델 생성에는 이들을 모두 제외한 82개의 패치중 60개를 랜덤하게 선택하여 사용하였다. HDR 영상의 R, G, B 값을 입력으로 하여 CIEXYZ의 X, Y, Z값으로 변환해주는 변환모델을 <수식 1>의 함수와 같이 표현 할수 있다.
먼저 구형 재질 샘플을 전동 스테이지의 회전축에, 광원은 전동 스테이지가 연결된 바의 끝 단에 위치시킨다. 이후 광원을 카메라 반대편에서 카메라 방향으로 5도씩 회전시키며 LDR 영상를 획득한다. 디지털 카메라로 획득된 LDR 영상을 통해 HDR 영상을 얻고자 광원을 5도씩 회전시킬 때마다 노출 시간(1초~1/100초)을 달리한 채 22장의 영상을 촬영하고, 이 들을 이용하여 1장의 HDR 영상을 생성하였다.
할로겐 램프의 색온도는 3200K정도이며, 보다 정확한 색보정을 위해 색온도 필터를 사용하여 6500K로 변환시켜 측정하였다. 전자제품에 사용되는 다양한 재질 데이터를 얻기 위해 실제 산업현장에서 사용되고 또한 고려되고 있는 페인트를 도색한 구형 재질 샘플을 사용하였다.
컬러차트의 패치는 총 140개로 이중 테두리에 위치한 44개의 흰색, 회색, 검정색 패치는 카메라의 비네팅 (Vignetting)현상을 확인하기 위한 용도이기 때문에 컬러보정에서는 사용하지 않는다. 나머지 96개의 패치 중 그레이 계열인 14개의 패치 역시 감마보정을 위해서만 사용한고, 변환 모델 생성에는 이들을 모두 제외한 82개의 패치중 60개를 랜덤하게 선택하여 사용하였다.

데이터처리

측정시스템으로부터 획득한 영상으로 BRDF 데이터를 생성하는 과정에서 실 세계의 넓은 빛의 범위를 모두 사용하기 위해 노출시간을 달리한 여러 장의 영상을 가지고 HDR 영상을 생성하였다. 또한 원색재현을 위해 측정단계에서 표준광원을 사용하며 컬러차트와 회귀분석을 통해 컬러 보정을 수행하였다. 이러한 과정을 거처 측정기반 BRDF 재질 데이터를 이용해 산업제품, 그 중에서도 휴대용 전자제품의 모델을 보다 실감나게 렌더링 할수 있다.
따라서 본 연구에서는 노출시간을 달리한 채 측정된 22장의 LDR 영상을 HDR 영상으로 변환한 후 컬러 보정을 수행하였다. 변환모델을 생성하는 방법에는 선형모델, 신경망 회로이용 들이 있으나, 본 연구에서는 다중회귀분석을 이용하였다.

후속연구

본 연구는 진행중인 연구로서, 모든 광원 방향에서의 측정 데이터로부터 BRDF 데이터와 하나의 재질표면 텍스쳐맵을 분리하는 연구가 요구된다. 또한, 실외 장면이 없는 재질 HDR 영상을 원색 재현을 고려하여 디스플레이 하기 위한 적절한 톤 맵핑(Tone mapping)기법이 요구 된다.
디지털 카메라를 사용하는 대신 보다 넓은 범위의 빛을 다루기 위해 HDR 영상을 생성하고 또한 HDR 영상의 원색 재현을 위한 컬러보정을 수행하였으며, 측정시간을 단축하기 위해 반구형 재질 샘플을 이용하였다. 본 연구에서 사용된 재질 데이터는 플라스틱 재질에 메탈릭 페인트가 도색된 것으로 이러한 데이터를 이용하여 산업제품에서 많이 사용되는 재질을 보다 실감나게 렌더링 할 수 있다.
이제 신제품을 모델링 할 때 단순히 제품의 3차원 모델을 생성하는 프로세스로는 이러한 급변하는 제품개발환경에서 경쟁력을 가질 수 없게 되었다. 앞으로는 3차원 모델에 제품의 실감재질을 사실적으로 표현해줄 수 있어야 제품 모델이 큰 부가 가치를 갖는 상황이 될 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BRDF는 어떻게 표현하는가?	BRDF는 입사 각도(θi, Φi)와 반사 각도(θo, Φo)로 구성된 4차원 함수로 표현한다. 측정하고자 하는 재질의 특성에 따라 BRDF는 비등방성(anisotropic) BRDF와 등방성 (isotropic) BRDF로 나뉜다.
	Ward의 단점은?	이러한 방식을 통해 Ward는 한번의 측정으로 여러 방향의 BRDF 데이터를 얻을 수 있었다. 하지만 영상(image)의 가장자리에 비네팅(vignetting)이 발생하므로 획득한 전체 데이터를 후처리 과정 없이 사용할 수 없다는 단점을 안고 있다.
	측정하고자 하는 재질의 특성에 따라 BRDF는 어떻게 나뉘는가?	BRDF는 입사 각도(θi, Φi)와 반사 각도(θo, Φo)로 구성된 4차원 함수로 표현한다. 측정하고자 하는 재질의 특성에 따라 BRDF는 비등방성(anisotropic) BRDF와 등방성 (isotropic) BRDF로 나뉜다. 비등방성 BRDF는 스크래치 (scratch) 된 금속표면과 같이 겉 표면이 방향에 따라 균일하지 않은 재질의 반사특성을 나타낼 수 있으며, 등방성 BRDF는 모든 방향으로 표면특성이 균일한 재질의 반사특성을 나타내는 데 사용한다.

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