컴퓨터 그래픽스 및 관련 연구 분야는 지난 30년간 눈부신 발전을 거듭해왔다. 모델링, 렌더링, 애니메이션 등 시각적 표현력을 확보하는 것을 목표로 출발한 컴퓨터 그래픽스 연구는 점차 그 범위를 확대해서 영상처리, 자연현상 시뮬레이션, 가상현실, 의료 영상, 인간-컴퓨터 상호작용, 실시간 시뮬레이션, 영화 특수 효과 등 다양한 연구 및 응용분야를 파생 시키며 점차 복잡한 지형도를 그려가고 있다. 이 글은 전체 2편의 연속 논문 중에서 2부에 해당하며, 컴퓨터 그래픽스의 응용 분야 중에서 국내 연구가 활발한 옷 시뮬레이션, 비사실적 렌더링, 음향 시뮬레이션, 가상현실, 증강현실의 최근 연구 동향을 분석하고 정리한다.
컴퓨터 그래픽스 및 관련 연구 분야는 지난 30년간 눈부신 발전을 거듭해왔다. 모델링, 렌더링, 애니메이션 등 시각적 표현력을 확보하는 것을 목표로 출발한 컴퓨터 그래픽스 연구는 점차 그 범위를 확대해서 영상처리, 자연현상 시뮬레이션, 가상현실, 의료 영상, 인간-컴퓨터 상호작용, 실시간 시뮬레이션, 영화 특수 효과 등 다양한 연구 및 응용분야를 파생 시키며 점차 복잡한 지형도를 그려가고 있다. 이 글은 전체 2편의 연속 논문 중에서 1부에 해당하며, 컴퓨터 그래픽스의 핵심 분야에 해당하는 모델링, 애니메이션, 실시간 처리, 영상 및 비디오 처리에 관련된 최근 연구 동향을 분석하고 정리한다.
최근, 실감 영상에 대한 관심과 요구가 증가하면서 신개념 서비스인 3차원 다시점(Multi-view) 방송에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다. 이와 더불어 광고와 게시를 목적으로 입체 영상과 입체 디스플레이 장치의 수요가 증가하고 있어, 앞으로 다시점 영상 콘텐츠와 디스플레이 장치가 활발하게 보급될 전망이다. 다시점 영상 콘텐츠는 제작 단계에서 컴퓨터 그래픽스 객체를 합성하면 보다 목적에 부합하는 콘텐츠를 제작할 수 있다. 본 논문에서는 다시점 카메라로부터 얻은 RGB 텍스쳐 데이터와 깊이 테이터에 컴퓨터 그래픽스 객체를 합성하여 다시점 합성 영상을 생성하는 방법을 제안한다. 또한, 제작된 다시점 합성 영상을 검증하고 재생하는 다시점 비디오 뷰어를 설계, 구현 한다. 가상의 다시점 영상에 그래픽스 객체를 합성하는 방법은 후 합성 기반으로, 임의의 그래픽스 객체 모델을 생성하여 깊이 정보를 부여하고, 가상 시점 영상의 생성과 동일한 방법으로 그래픽스 객체의 각 시점별 영상을 생성한다. 끝으로 깊이정보를 사용하여 가상 시점 영상의 적절한 좌표공간으로 그래픽스 객체를 삽입한다. 그래픽스 합성의 정확성 검증을 위해 다시점 그래픽스 합성 영상을 디스플레이하는 뷰어는 2D 및 입체를 모두 지원하고, view switching, frozen moment, view sweeping 등의 interactive special effect기법과 다양한 포맷의 저장이 가능하다. 또한, 입체 영상의 실험에서는 그래픽 객체의 입체감 조절을 위해 실제 카메라 시점 간에 필요한 중간시점영상의 개수를 결정할 수 있다.
래스터 그래픽스 시스템에서 처리되는 픽슬의 수는 한 프래임 당 100 만 개가 넘을 경우가 많다. 따라서, 그래픽스 프리미티브를 랜더링에서 실수연산을 정수연산으로 대체 함으로써 많은 처리속도 향상이 된다. 본 논문에서는, 스케일링에 의하여 그래픽스 프리미티브 랜더링 알고리즘의 실수연산을 정수연산으로 대체하는 방법을 소개한다. 이 방법은 필터링 된 직선 그리기와 구로세이딩에 적용된다. 또한, 이 방법은 증가적 방법에 근거한 다른 그래픽스 랜더링 알고리즘에도 적용 될 수 있다. 특히, 이 방법은 이미 ASIC 구현이 된 기존의 알고리즘에서 극히 일부분의 단순 수정을 요구하기 때문에 ASIC 구현이 용이하다.
본 논문에서는 원격 다중 참여자 3차원 그래픽스 게임 개발에 대하여 연구 하였다. 3차원 컴퓨터 그래픽스를 이용하여 표현된 가상의 공간에서, 컴퓨터 통신을 사용하여 원격지에 떨어져 있는 여러 사용자가 서로 상호작용 하면서, 여러 사용자가 서로 3차원 그래픽스로 표현된 물체를 공유할 수 있는 게임 시스템 구축의 연구에 목적을 두었다. 3차원 그래픽스 물체를 표현하기 위하여 OpenInventor와 C++를 사용하였다. 통신을 위하여 멀티캐스트 통신 프로토콜을 사용하였으며 입력 장치로서 3차원 위치 방향 인식/입력기인 Polhemus Fastrak을 사용하였다. 한가지 예로, 분산된 네트워크에서 여러 사용자가 함께 피아노를 연주하는 효과를 얻을 수 있는 게임을 구현하여 제시한다.
곡면은 다각형 메쉬에 비해 간결한 표현을 가지고 부드러운 형상을 표현할 수 있지만, 현재 그래픽스 하드웨어는 곡면 렌더링을 지원하고 있지 않다. 최근의 GPU를 이용하여 프로그래밍 가능한 그래픽스 파이프라인은 기존의 다양한 그래픽스 알고리즘들을 가속화시키는 데 이용될 수 있기 때문에, 이 논문에서는 GPU 하드웨어를 이용하여 블렌딩을 기반으로 생성된 임의의 위상을 가진 곡면을 빠르게 렌더링 하는 방법을 제시한다. 제어 메쉬상에서 샘플링된 매개변수와 지역 곡면을 표현하는 정보들을 그래픽스 파이프라인으로 전달하여, 정점 프로세서에서 이러한 정보들을 가지고 블렌딩된 곡면상의 위치 정보와 노말 벡터를 계산한다. 이러한 방법은 CPU에서 블렌딩 곡면을 계산하는 것보다 훨씬 빠르게 수행된다.
본 논문에서는 그래픽스 하드웨어를 이용한 스윕 곡면의 효율적인 렌더링 알고리즘을 제안한다. 스윕 곡면은 스플라인 모션을 따라 움직이는 단면 곡선으로 표현된다. 이러한 표현은 행렬과 벡터의 곱으로 계산되며, 이는 프로그래밍이 가능한 그래픽스 하드웨어에 쉽게 적용될 수 있다. 스플라인 모션과 단면 곡선의 정보는 텍스쳐 메모리에 저장된다. 그래픽스 하드웨어의 정점 프로세서는 두 개의 곡면 매개변수를 2차원 정점으로 입력받아 한 번의 행렬 곱셈으로 스윕 곡면의 정점 좌표와 법선 벡터를 계산한다. 제안한 GPU 기반 스윕 곡면의 렌더링은 CPU 기반 렌더링에 비해 10배에서 40배 정도의 속도 향상을 보였다.
자료의 구조와 특징을 파악하기 위한 탐색적 자료분석을 행할 때 유용한 수단으로 통계 그래픽스가 이용된다. 평행좌표그림(parallel coordinate plot)을 통계 그래픽스의 한 방법인 동적 그래픽스로서 이용하기 위하여 동적 평행좌표그림이 쓰이는데, 이 도구를 이용하면 3차원 이상의 다차원 자료를 동적 그래픽스로 표현, 분석할 수 있다. 본 논문에서는 하나의 동적 평행좌표그림을 제시하고, 자료분석의 예를 보였다.
본 고에는 현재 산업계와 실생활에 전반적으로 큰 영향을 미치고 있는 3차원 그래픽스의 세계적인 개발 동향과 전망을 PC환경을 중심으로 분석하고 상용 3차원 그래픽스 소프트웨어들이 제공하는 기능을 분석하여, 향후 첨단 영상물 제작에 필요한 3차원 그래픽스 소프트웨어가 갖추어야 할 개발 전략과 요구 사항을 제시하고자 한다.
컴퓨터 하드웨어 기술의 발전으로 그 동안 고급의 워크스테이션급에서 수행되던 많은 응용들을 개인용 컴퓨터 (pc)에서 구별할 수 있게 되었다. 특히, CAD/CAM, 가상현실, 영화, 게임 등과 관련된 3차원 그래픽스 기술들은 pc용 3차원 영상처리 그래픽스 하드웨어의 보급과 더불어 개인 사용자들에게서 이용되기 시작하고 있다. 본 고에서는 이 시점에서 3차원 영상처리 그래픽스 시스템을 하드웨어 측면에서 그것에 대한 동향과 성능을 비교 분석한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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