KR102558739B1

KR102558739B1 - 3d 렌더링 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102558739B1
Application number: KR1020160068960A
Authority: KR
Inventors: 하인우; 안민수; 이형욱; 손민정
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2023-07-25
Also published as: KR20170053557A

Abstract

3D 장면을 렌더링하는 3D 렌더링 방법 및 3D 렌더링 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 3D 렌더링 장치는 3D 장면 상에서 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정하고, 쉐이딩 포인트에 대해 쉐이딩을 수행할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트의 쉐이딩 결과에 기초하여 3D 장면에 대한 쉐이딩 정보를 결정할 수 있다.

Description

3D 렌더링 방법 및 장치{3D GRAPHIC RENDERING METHOD AND APPARATUS}

아래의 설명은 3D 렌더링을 수행하는 영상 처리 기술에 관한 것이다.

3D 컴퓨터 그래픽스에서 그래픽스 파이프라인(graphics pipeline) 또는 렌더링 파이프라인(rendering pipeline)은 3D 영상을 2D 래스터 영상(raster image)으로 표현하기 위한 단계적인 방법을 나타낸다. 여기서, 래스터(raster)란 컴퓨터에서 영상 정보를 표현하는 하나의 방법으로, 영상을 2차원 배열 형태의 픽셀로 구성하고, 일정한 간격의 픽셀들로 영상 정보를 표현하는 것을 나타낸다. 그래픽스 파이프라인은 3D 오브젝트의 버텍스(vertex) 정보에 수학적인 연산을 수행함으로써 3D 오브젝트의 특별한 효과를 제공하는 버텍스 쉐이더(vertex shader)와 각 픽셀들의 컬러를 계산하는 픽셀 쉐이더(pixel shader)를 포함한다. 버텍스 쉐이더는 버텍스 정보에 기초하여 3D 오브젝트를 특별한 위치로 이동시키거나, 텍스쳐(texture)를 바꾸거나 또는 컬러를 바꾸는 등의 작업을 수행할 수 있다. 픽셀 쉐이더는 텍스쳐로부터 컬러를 읽어오거나 빛을 적용하는 것 또는 그림자, 반사광 및 투명 처리 등의 복잡한 현상을 적용할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법은, 3D 장면 상에서 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계; 상기 쉐이딩 포인트에 대해 쉐이딩을 수행하는 단계; 및 상기 쉐이딩 포인트의 쉐이딩 결과에 기초하여 상기 3D 장면에 대한 쉐이딩 정보를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법에서, 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는, 상기 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스들 중 일부의 버텍스를 상기 쉐이딩 포인트로 결정할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법에서, 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는, 상기 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스들 및 상기 3D 오브젝트 내의 추가 지점을 상기 쉐이딩 포인트로 결정할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법에서, 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는, 상기 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스들 중 일부의 버텍스 및 상기 3D 오브젝트 내의 추가 지점을 상기 쉐이딩 포인트로 결정할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법에서, 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는, 상기 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스들의 위치가 아닌 지점을 상기 쉐이딩 포인트로 결정할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법에서, 상기 쉐이딩 정보를 결정하는 단계는, 복수의 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값을 보간하여 상기 쉐이딩 포인트들에 인접한 버텍스의 쉐이딩 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법에서, 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는, 상기 3D 장면의 공간적 특성 및 시간적 특성 중 적어도 하나에 기초하여 상기 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법에서, 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는, 상기 3D 장면의 버텍스들을 버텍스 그룹들로 그룹핑하는 단계; 및 상기 버텍스 그룹별로 하나 이상의 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법에서, 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는, 가상 광원의 움직임, 가상 카메라의 움직임, 3D 오브젝트의 움직임, 인접 버텍스들 간의 밝기 차이 및 버텍스의 위치 중 적어도 하나에 기초하여 상기 쉐이딩 레벨을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 3D 렌더링 장치는, 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 프로세서에 의해 실행될 인스트럭션들을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하고, 상기 인스트럭션들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 프로세서로 하여금, 3D 장면 상에서 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정하는 동작; 상기 쉐이딩 포인트에 대해 쉐이딩을 수행하는 동작; 및 상기 쉐이딩 포인트의 쉐이딩 결과에 기초하여 상기 3D 장면에 대한 쉐이딩 정보를 결정하는 동작을 실행하도록 구성될 수 있다.

도 1은 3D 장면 및 3D 장면의 버텍스 구조의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 쉐이딩 포인트를 결정하는 동작을 보다 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 쉐이딩 포인트를 결정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 쉐이딩 레벨에 따라 쉐이딩 포인트를 결정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 쉐이딩 포인트의 쉐이딩 결과에 기초하여 다른 버텍스의 쉐이딩 값을 결정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값에 기초하여 렌더링 영상의 픽셀 값을 결정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 직접 가상 광원과 간접 가상 광원 간의 관계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 일 실시예에 따른 3D 렌더링 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 3D 렌더링 장치의 구성을 도시하는 도면이다.

아래의 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 특허출원의 범위가 본 명세서에 설명된 내용에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 설명한 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 그 실시예와 관련하여 설명되는 특정한 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미하며, "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급이 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것이라고 이해되어서는 안된다.

제1 또는 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 구분하기 위해 사용될 수 있지만, 구성요소들이 제1 또는 제2의 용어에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서 설명될 실시예들은 3D 장면(scene)을 렌더링(rendering)하여 렌더링 결과 영상을 생성하는데 적용될 수 있다. 3D 장면을 렌더링하는 동작은 3D 장면에 조명 효과(illumination effect)를 제공하는 가상 광원(virtual light source)으로부터 방사되는 빛(light)에 기초하여 3D 오브젝트(object)의 컬러를 결정하는 쉐이딩(shading) 과정을 포함한다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 3D 장면 및 3D 장면의 버텍스 구조의 일례를 도시하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 도면 부호(110)는 렌더링하고자 하는 3D 장면을 나타내고, 도면 부호(140)는 3D 장면(110)의 버텍스 구조를 나타낸다.

버텍스(vertex) 기반 쉐이딩에서는, 3D 오브젝트의 버텍스들(vertices)에 대해 쉐이딩이 수행된 후 버텍스들의 쉐이딩 값들을 보간하여 픽셀들의 컬러 값이 결정된다. 버텍스 구조의 복잡도는 영역별 기하학적 복잡성에 기인하며, 쉐이딩 복잡도는 음영 처리의 복잡성 또는 거울 반사(specular reflection), 난반사(diffused reflection) 등의 특수 효과 적용 여부에 기인할 수 있다. 따라서 버텍스 기반 쉐이딩에서, 3D 장면(110)의 영역별 기하학적(geometry) 복잡도는 쉐이딩 복잡도와 일치하지 않을 수 있다. 예를 들어, 버텍스 기반으로 쉐이딩을 수행하는 경우, 쉐이딩 복잡도는 높지만 기하학적 복잡도는 낮아 버텍스의 개수가 적은 영역(120)에서는 화질의 저하가 발생할 수 있다. 반면에, 쉐이딩 복잡도는 낮지만 기하학적 복잡도는 높아 버텍스의 개수가 많은 영역(130)에서는 쉐이딩 연산의 낭비가 발생할 수 있다.

이하에서 설명될 3D 렌더링 방법 및 장치는 3D 장면(110)의 공간적(spatial) 특성 또는 시간적(temporal) 특성에 기초하여 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 적응적으로 결정하고, 결정된 쉐이딩 포인트에 대해 쉐이딩을 수행함으로써 렌더링 결과 영상의 화질 저하 없이 쉐이딩을 보다 빠르게 수행할 수 있다. 예를 들어, 3D 렌더링 방법 및 장치는 영역(130)과 같이 쉐이딩 복잡도에 비해 버텍스의 개수가 많은 영역에서는 쉐이딩 포인트의 밀도를 작게 하여 쉐이딩 처리 횟수를 감소시킬 수 있고, 이에 따라 렌더링 처리 속도가 보다 빨라질 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 3D 렌더링 방법의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 3D 렌더링 방법은 3D 렌더링 장치(예를 들어, 도 9 내지 도 10에 도시된 3D 렌더링 장치)에 의해 수행될 수 있다.

도 2를 참조하면, 단계(210)에서 3D 렌더링 장치는 3D 장면 상에서 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정한다. 3D 렌더링 장치는 3D 장면 내 어느 지점(point)이라도 쉐이딩 포인트로 결정할 수 있다. 예를 들어, 3D 렌더링 장치는 3D 장면에 포함된 3D 오브젝트의 버텍스들이 위치하는 지점뿐만 아니라 버텍스들이 위치하지 않은 지점도 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트로 결정할 수 있다. 이러한 쉐이딩 포인트는 3D 장면의 공간적 특성 및 시간적 특성 중 하나 이상에 기초하여 결정될 수 있다. 3D 장면의 공간적 특성 또는 시간적 특성에 따라 쉐이딩이 수행될 지점이 달라질 수 있다.

예를 들어, 3D 렌더링 장치는 조명 효과를 제공하는 가상 광원에 대한 정보, 3D 오브젝트를 바라보는 시점을 결정하는 가상 카메라에 대한 정보, 3D 장면에 나타난 3D 오브젝트에 대한 정보 또는 이전 영상 프레임의 쉐이딩 정보 등에 기초하여 쉐이딩 포인트를 결정할 수 있다. 여기서, 가상 광원에 대한 정보는 가상 광원의 위치, 컬러, 밝기, 방향, 이동 속도, 가상 광원과 3D 오브젝트 간의 거리 또는 가상 광원과 3D 오브젝트가 이루는 각도 등에 대한 정보를 포함할 수 있다. 가상 카메라에 대한 정보는 가상 카메라의 위치, 방향, 이동 속도 또는 가상 카메라와 3D 오브젝트가 이루는 각도 등에 대한 정보를 포함할 수 있다. 3D 오브젝트에 대한 정보는 3D 오브젝트의 형상, 컬러 또는 재질에 대한 정보를 포함할 수 있다. 이전 영상 프레임의 쉐이딩 정보는 이전 영상 프레임에서 이용된 버텍스에 대한 쉐이딩 값을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 버텍스들을 복수의 버텍스 그룹들로 그룹핑하고, 각 버텍스 그룹들마다 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 세밀한(fine) 쉐이딩이 필요하다고 판단되면, 버텍스 그룹에 포함된 버텍스들뿐만 아니라 추가적으로 3D 장면 내 추가 지점을 쉐이딩 포인트로 지정하여 쉐이딩이 수행될 지점을 늘릴 수 있다. 3D 렌더링 장치는 개략적인(coarse) 쉐이딩이 필요하다고 판단되면, 버텍스 그룹에 포함된 버텍스들 중 일부의 버텍스만을 쉐이딩 포인트로 결정하거나 또는 버텍스에 관계 없이 3D 장면 내에서 하나 이상의 지점을 쉐이딩 포인트로 결정할 수 있다. 또는, 경우에 따라 3D 렌더링 장치는 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스들 중 일부의 버텍스들과 함께 3D 장면 내에서 버텍스가 아닌 지점을 쉐이딩 포인트로 결정할 수도 있다. 3D 렌더링 장치는 3D 장면에 포함된 3D 오브젝트들의 버텍스들 또는 픽셀들 모두에 대해 쉐이딩을 수행하는 것이 아니라, 3D 장면의 공간적 특성 또는 시간적 특성에 기초하여 쉐이딩 포인트를 결정함으로써 쉐이딩을 보다 효율적으로 수행할 수 있다.

3D 렌더링 장치가 쉐이딩 포인트를 결정하는 동작은 도 3을 참조하여 아래에서 보다 자세히 설명한다.

단계(220)에서, 3D 렌더링 장치는 단계(210)에서 결정된 쉐이딩 포인트에 대해 쉐이딩을 수행한다. 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트에서 쉐이딩을 수행하여 쉐이딩 포인트의 쉐이딩 값인 컬러 값을 결정할 수 있다. 쉐이딩 과정은 하나 이상의 가상 광원에 의한 조명(illumination) 효과에 기초할 수 있다. 여기서, 조명 효과는 가상 광원으로부터 방사되는 광의 특성(예, 컬러 및 방향 등) 및 3D 오브젝트의 특성(예, 컬러 및 재질 등)에 기초하고, 가려짐에 의한 그림자(shadow) 효과를 포함할 수 있다. 가상 광원은 3D 오브젝트에 빛을 직접 방사하는 직접 가상 광원(direct light source) 및 직접 가상 광원으로부터 방사된 빛이 반사, 회절 또는 굴절된 영역에서 빛을 방사하는 간접 가상 광원(indirect light source)을 포함할 수 있다. 직접 가상 광원 및 간접 가상 광원에 대해서는 도 8a 및 도 8b를 참조하여 아래에서 보다 자세히 설명한다.

단계(230)에서, 3D 렌더링 장치는 단계(220)에서의 쉐이딩 결과에 기초하여 3D 장면에 대한 쉐이딩 정보를 결정한다. 3D 렌더링 장치는 3D 장면의 전체적인 쉐이딩 정보를 결정하기 위해 보간(interpolation)을 이용할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 복수의 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값을 보간하여 쉐이딩 포인트에 인접한 버텍스의 쉐이딩 값을 결정할 수 있다. 여기서, 버텍스와 각 쉐이딩 포인트들 간의 거리를 가중치로 하여 보간을 수행하는 무게중심 보간(barycentric interpolation) 기법이 이용될 수 있으나, 실시예의 범위가 위 보간 기법에 한정되는 것은 아니며, 다양한 보간 기법이 이용될 수 있다.

3D 렌더링 장치는 이와 같이 쉐이딩이 수행된 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값 및 보간을 통해 결정된 버텍스의 쉐이딩 값을 저장할 수 있다. 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값 및 버텍스의 쉐이딩 값은 예를 들어, 그래픽스 프로세싱 유닛(Graphics Processing Unit, GPU)의 텍스쳐 버퍼(texture buffer)에 저장될 수 있고, 저장된 쉐이딩 값은 다음 영상 프레임의 쉐이딩 과정에서 이용될 수 있다. 또한, 쉐이딩 포인트 및 버텍스의 위치 및 속성에 대한 정보가 텍스쳐 버퍼에 저장될 수 있다. 3D 렌더링 장치는 저장된 쉐이딩 값을 이용함으로써 쉐이딩 연산에 요구되는 연산량을 절감시킬 수 있고, 플리커링(flickering) 현상의 발생을 저감시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 3D 장면에 대한 연속된 영상 프레임들에서 버텍스들의 쉐이딩 값을 적응적으로 업데이트(update)할 수 있다. 이에 따라, 영상 프레임들 사이에서 서로 대응되는 버텍스들의 쉐이딩 값이 서로 다른 시간 간격으로 업데이트될 수 있다. 쉐이딩 값의 업데이트 과정은 쉐이딩을 수행하여 버텍스의 컬러 값을 결정하는 과정을 포함한다. 예를 들어, 3D 렌더링 장치는 스크린과 거리가 가까운 버텍스는 매 영상 프레임마다 쉐이딩을 수행하여 컬러 값을 업데이트하고, 스크린과 거리가 멀거나 또는 그림자 영역에 존재하는 버텍스는 매 영상 프레임마다 컬러 값을 업데이트하는 것이 아니라 특정 개수의 영상 프레임 간격으로 컬러 값을 업데이트할 수 있다.

3D 렌더링 장치는 3D 장면에 대한 쉐이딩 정보에 기초하여 렌더링 결과 영상을 생성할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값 및 보간을 통해 결정된 버텍스의 쉐이딩 값에 기초하여 렌더링 결과 영상을 구성하는 픽셀들의 컬러 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 3D 렌더링 장치는 현재 픽셀에 인접한 쉐이딩 포인트 및 버텍스의 쉐이딩 값을 보간하여 현재 픽셀의 픽셀 값을 결정할 수 있다. 이와 같은 보간 과정은, 렌더링 결과 영상을 구성하는 각각의 픽셀에 대해 반복적으로 수행될 수 있고, 반복 수행 결과로 렌더링 결과 영상이 생성될 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 쉐이딩 포인트를 결정하는 동작을 보다 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 단계(310)에서 3D 렌더링 장치는 3D 장면의 버텍스들을 복수의 버텍스 그룹들로 그룹핑한다. 3D 렌더링 장치는 버텍스들의 위치, 버텍스들의 속성(예를 들어, 노멀(normal), 컬러 등), 이전 영상 프레임의 쉐이딩 결과 또는 버텍스들이 동일한 3D 오브젝트에 포함되는지 여부 등에 기초하여 버텍스들을 그룹핑할 수 있다. 예를 들어, 3D 렌더링 장치는 버텍스들 중에서 유사한 속성을 가질 것으로 추정되는 버텍스들을 하나의 버텍스 그룹으로 설정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 서로 인접하여 위치하고 있고, 노멀, 깊이(depth) 또는 컬러 등의 속성이 유사한 버텍스들을 그룹핑할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 사전 예측 또는 이전 영상 프레임의 쉐이딩 결과에 기초하여 유사한 속성을 가질 것으로 추정되는 버텍스들을 결정할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 예를 들어, 이전 영상 프레임에서 유사한 컬러를 가지는 버텍스들을 그룹핑할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 동일한 3D 오브젝트를 구성하는 버텍스들을 그룹핑하거나 유사한 형상 특성을 가지는 버텍스들을 그룹핑할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 시간에 따른 버텍스의 컬러 변화에 기초하여 공간상으로 떨어져 있으나 컬러가 시간에 따라 유사하게 변하는 버텍스들을 그룹핑할 수 있다.

3D 렌더링 장치는 버텍스 그룹별로 쉐이딩 포인트에 대한 계층적 구조 정보를 결정할 수 있다. 계층적 구조 정보는, 단계(320)에서 결정될 쉐이딩 레벨에 따라 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트의 계층적 구조를 정의한다. 예를 들어, 계층적 구조 정보에서는 쉐이딩 레벨에 따라 어느 버텍스 또는 어느 지점이 쉐이딩 포인트로 결정될 지가 정의될 수 있다. 쉐이딩 레벨이 상향될수록 버텍스 그룹에서 결정되는 쉐이딩 포인트의 개수가 감소하고, 쉐이딩 레벨이 하향될수록 버텍스 그룹에서 결정되는 쉐이딩 포인트의 개수가 증가할 수 있다.

단계(320)에서, 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트에 대한 계층적 구조 정보에 기초하여 버텍스 그룹별로 쉐이딩 레벨을 결정한다. 쉐이딩 레벨에 따라 버텍스 그룹에서 쉐이딩이 수행될 하나 이상의 쉐이딩 포인트가 결정될 수 있다. 이 때, 버텍스 그룹에 포함된 버텍스들 중 일부의 버텍스가 쉐이딩 포인트로 결정되거나 또는 버텍스들이 위치한 지점이 아닌 3D 장면 내 다른 지점이 쉐이딩 포인트로 결정될 수 있다.

3D 렌더링 장치는 시간에 따른 가상 광원, 가상 카메라 및 3D 오브젝트의 움직임 등과 같은 3D 장면의 시간적 특성, 또는 버텍스의 위치 및 인접 버텍스들 간의 밝기 차이 등과 같은 3D 장면의 공간적 특성에 기초하여 쉐이딩 레벨을 결정할 수 있다. 3D 장면의 시간적 특성 또는 공간적 특성에 따라 버텍스 그룹별로 서로 다른 쉐이딩 레벨이 결정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 시간 영역(temporal domain)에서 가상 광원, 가상 카메라 또는 3D 오브젝트의 이동 속도가 임계 값보다 빠른 경우, 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 레벨을 상향 조정하여 쉐이딩 포인트의 개수를 줄일 수 있다. 이를 통해, 쉐이딩 처리에 소요되는 시간이 줄어들 수 있다. 또한, 3D 렌더링 장치는 빠른 렌더링 처리가 요구되는 경우, 쉐이딩 레벨을 전체적으로 상향 조정할 수 있다. 가상 광원, 가상 카메라 또는 3D 오브젝트의 이동 속도가 임계 값보다 느린 경우, 3D 렌더링 장치는 보다 세밀한 표현을 위해 쉐이딩 레벨을 하향 조정하여 쉐이딩 포인트의 개수를 늘릴 수 있다.

일 실시예에 따르면, 쉐이딩 레벨은 3D 장면의 시간적 특성에 따라 적응적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 가상 카메라 또는 3D 오브젝트의 이동 속도가 빠를수록 쉐이딩 레벨이 상향 조정되고, 이동 속도가 느릴수록 쉐이딩 레벨이 하향 조정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 이전 영상 프레임의 컬러 정보를 이용하여 시간에 따른 영역별 밝기 변화를 추정하고, 밝기 변화가 큰 영역에서는 쉐이딩 레벨을 하향 조정하고, 밝기 변화가 작은 영역에서는 쉐이딩 레벨을 상향 조정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 공간 영역(spatial domain)에서 버텍스가 스크린의 중앙 영역(또는, 관심 영역)에 위치하는 경우 또는 인접 버텍스들 간의 밝기 차이가 큰 영역의 경우, 3D 렌더링 장치는 보다 세밀한 표현을 위해 쉐이딩 레벨을 하향 조정할 수 있다. 버텍스가 스크린의 주변 영역에 위치하는 경우 또는 인접 버텍스들 간의 밝기 차이가 작은 영역의 경우, 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트의 개수를 감소시켜 렌더링 처리 속도를 보다 빠르게 하기 위해 쉐이딩 레벨을 상향 조정할 수 있다. 여기서, 3D 렌더링 장치는 이전 영상 프레임의 쉐이딩 정보를 이용하여 현재 영상 프레임에서 인접 버텍스들 간의 밝기 차이를 추정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 포커싱(focusing)되는 영역과 나머지 영역에 서로 다른 쉐이딩 레벨을 설정하거나 또는 블러링(bluring) 효과가 적용되는 영역과 나머지 영역 간에 서로 다른 쉐이딩 레벨을 설정할 수 있다. 예를 들어, HMD(Head Mounted Display) 등과 같은 렌즈 이용 기기에서는 사용자의 눈에 보이는 픽셀들의 크기 및 밀도가 서로 다를 수 있다. 이 경우, 3D 렌더링 장치는 포커싱되는 중앙 영역에는 상대적으로 쉐이딩 포인트의 밀도를 높게 설정(쉐이딩 레벨을 하향 조정)하고, 바깥쪽 영역에는 상대적으로 쉐이딩 포인트의 밀도를 낮게 설정(쉐이딩 레벨을 상향 조정)할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 가장 개략적인 쉐이딩 레벨인 최상위 쉐이딩 레벨부터 하위 쉐이딩 레벨로 내려가면서 버텍스 그룹별로 최적의 쉐이딩 레벨을 결정할 수 있다. 예를 들어, 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트에 대한 계층적 구조 정보를 기반하여 가장 상위의 제1 쉐이딩 레벨에 따른 쉐이딩 결과와 제1 쉐이딩 레벨보다 하위인 제2 쉐이딩 레벨에 따른 쉐이딩 결과를 비교하고, 비교 결과에 기초하여 쉐이딩 레벨 차이에 따른 컬러 값의 차분(difference)을 계산할 수 있다. 제2 쉐이딩 레벨은 제1 쉐이딩 레벨보다 하위이므로, 제2 쉐이딩 레벨에서는 제1 쉐이딩 레벨보다 더 많은 수의 쉐이딩 포인트가 결정된다. 계산한 컬러 값의 차분이 임계 값보다 작은 경우, 3D 렌더링 장치는 현재 쉐이딩 레벨인 제1 쉐이딩 레벨을 현재 버텍스 그룹의 쉐이딩 레벨로 결정할 수 있다. 컬러 값의 차분이 임계 값 이상인 경우, 3D 렌더링 장치는 제2 쉐이딩 레벨보다 하위인 제3 쉐이딩 레벨에 기초하여 제2 쉐이딩 레벨과 제3 쉐이딩 레벨에 따른 컬러 값의 차분을 계산하고, 계산한 차분이 임계 값보다 작은지 여부를 판단할 수 있다. 차분이 임계 값보다 작은 경우, 3D 렌더링 장치는 제2 쉐이딩 레벨을 현재 버텍스 그룹의 쉐이딩 레벨로 결정할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 위 과정을 반복적으로 수행하여 컬러 값의 차분이 임계 값보다 작게 되는 쉐이딩 레벨을 현재 버텍스 그룹에 적용되는 최종 쉐이딩 레벨로 결정할 수 있다.

3D 렌더링 장치가 최상위 쉐이딩 레벨부터 시작하여 버텍스 그룹에 적용될 최적의 쉐이딩 레벨을 결정하는 동작은, 기본적으로 매 영상 프레임이 렌더링될 때마다 수행될 수도 있고, 카메라 시점, 광원의 위치 또는 오브젝트의 위치가 변화할 때 수행될 수도 있다. 다만, 실시예의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 3D 렌더링 장치는 연속된 영상 프레임들 사이에서 카메라 시점, 광원의 위치 또는 오브젝트의 위치의 변화가 크지 않다고 판단한 경우에는, 현재 영상 프레임에서 쉐이딩 레벨을 결정하는 과정을 생략하고 이전 영상 프레임에서 결정된 쉐이딩 레벨을 이용할 수도 있다.

단계(330)에서, 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 레벨에 따라 버텍스 그룹별로 하나 이상의 쉐이딩 포인트를 결정한다. 3D 렌더링 장치는 각 버텍스 그룹들에 대한 계층적 구조 정보에 기반하여 쉐이딩 레벨에 따라 실제로 쉐이딩 연산이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 쉐이딩 레벨에 기초하여 각 버텍스 그룹별로 다음의 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 따라 쉐이딩 포인트가 결정될 수 있다. (1) 현재 버텍스 그룹에 속한 버텍스들 전체가 쉐이딩 포인트로 결정됨 (2) 버텍스들 전체 및 버텍스가 아닌 추가 지점까지 쉐이딩 포인트로 결정됨 (3) 현재 버텍스 그룹에 속한 전체 버텍스들 중 일부의 버텍스들이 쉐이딩 포인트로 결정됨 (4) 일부의 버텍스들 및 버텍스가 아닌 추가 지점까지 쉐이딩 포인트로 결정됨 (5) 버텍스가 아닌 하나 이상의 지점이 쉐이딩 포인트로 결정됨 (6) 현재 버텍스 그룹에 대해 쉐이딩 포인트가 결정되지 않음. 예를 들어, 전체 3D 장면에서, 일 버텍스 그룹에 대응하는 영역에서는 (1)에 따라 해당 버텍스 그룹에 속한 버텍스들 전체가 쉐이딩 포인트로 결정되고, 다른 버텍스 그룹에 대응하는 영역에서는 (5)에 따라 다른 버텍스 그룹에 속한 버텍스가 아닌 하나 이상의 지점이 쉐이딩 포인트로 결정되는 것이 가능하다.

도 4는 일 실시예에 따른 쉐이딩 포인트를 결정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 도면 부호(410)는 복수의 버텍스들(422 내지 434)을 포함하는 3D 오브젝트를 나타내고, 도면 부호(440)는 3D 오브젝트(410)에 대해 결정된 쉐이딩 포인트들(422, 424, 430, 434, 450, 452, 454, 456)을 나타낸다.

버텍스 기반 쉐이딩에서는 3D 오브젝트(410)의 버텍스들(422 내지 434) 각각에 대해 쉐이딩이 수행되지만, 3D 렌더링 장치는 3D 장면의 시간적 특성 또는 공간적 특성에 기초하여 쉐이딩 연산이 수행될 지점을 적응적으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 3D 렌더링 장치는 도 4에 도시된 실시예와 같이, 3D 오브젝트(410)의 버텍스들(422 내지 434) 중 일부의 버텍스들(422, 424, 430, 434)과 쉐이딩이 필요하다고 판단된 지점들(450, 452, 454, 456)을 쉐이딩을 수행할 쉐이딩 포인트로 결정할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트들(422, 424, 430, 434, 450, 452, 454, 456)에 대해 쉐이딩을 수행한 후, 쉐이딩 결과에 기초하여 쉐이딩이 수행되지 않은 버텍스들(426, 428, 432)의 쉐이딩 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트들(430, 452, 454)의 쉐이딩 값을 보간하여 버텍스(432)의 쉐이딩 값을 결정할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 쉐이딩 레벨에 따라 쉐이딩 포인트를 결정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 도면 부호(510)는 복수의 버텍스(515)들로 구성되는 3D 오브젝트를 나타낸다. 3D 렌더링 장치는 3D 오브젝트(510)의 버텍스(515)들에 대한 계층적 구조 정보를 생성할 수 있고, 계층적 구조 정보에 기초하여 쉐이딩 레벨에 따라 쉐이딩 포인트를 결정할 수 있다. 쉐이딩 레벨에 따라 3D 오브젝트(510)의 영역에서 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트가 결정될 수 있다. 쉐이딩 레벨이 하향될수록 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트의 개수는 증가될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제1 쉐이딩 레벨(520)에서는, 3D 오브젝트(510)의 버텍스(515)들 중 일부의 버텍스(522)들만이 쉐이딩 포인트로 결정될 수 있다. 따라서, 제1 쉐이딩 레벨(520)에서는 쉐이딩 포인트로 결정된 버텍스(522)들과 쉐이딩 포인트로 결정되지 않는 버텍스(525)들이 존재할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트로 결정된 버텍스(522)들에 대해 쉐이딩을 수행하여 쉐이딩 값을 결정하고, 버텍스(522)들의 쉐이딩 값을 보간하여 쉐이딩 포인트로 결정되지 않은 버텍스(525)들의 쉐이딩 값을 결정할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 전체가 아닌 일부 버텍스(522)들에 대해서만 쉐이딩 연산을 수행함으로써 렌더링을 보다 빠르게 수행할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 값이 결정된 쉐이딩 포인트들에 대해 델로네 삼각분할(Delaunay Triangulation)을 수행하여 영역을 삼각형의 형태를 가지는 복수의 서브 영역들로 분할하고, 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값에 기초한 보간을 통해 쉐이딩 값이 결정되지 않은 버텍스들의 쉐이딩 값을 결정할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치는 3D 오브젝트의 메쉬(mesh)를 펼쳐놓은 아틀라스(atlas) 상에서 쉐이딩 포인트들을 결정하고, 쉐이딩 포인트들에 대해 쉐이딩을 수행한 후, 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값에 기초한 보간을 통해 쉐이딩 값이 결정되지 않은 버텍스들의 쉐이딩 값을 결정할 수 있다.

제2 쉐이딩 레벨(530)에서는, 3D 오브젝트(510)의 버텍스(515)들이 모두 쉐이딩 포인트로 결정되지 않고, 대신 버텍스가 아닌 지점(535)들이 쉐이딩 포인트로 결정될 수 있다. 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트로 결정된 지점(535)들에 대해 쉐이딩을 수행하고, 쉐이딩 결과 값의 보간 과정을 통해 쉐이딩 포인트로 결정되지 않은 버텍스(532)들의 쉐이딩 값을 결정할 수 있다.

제3 쉐이딩 레벨(540)에서는, 제1 쉐이딩 레벨(520)에서와 유사하게 3D 오브젝트(510)의 버텍스(515)들 중에서 쉐이딩 포인트로 결정된 버텍스(542)들과 쉐이딩 포인트로 결정되지 않는 버텍스(545)들이 존재할 수 있다. 또한, 3D 오브젝트(510)의 영역 내에서 버텍스가 아닌 지점(546)들이 추가적으로 쉐이딩 포인트로 결정될 수 있다. 지점(546)들의 위치는 예를 들어, 3D 오브젝트(510)의 영역 내 임의의 위치로 결정되거나 또는 3D 오브젝트(510)의 영역 내 밝기 값 분포에 따른 확률 값에 기초하여 결정될 수 있다. 밝기 값이 클수록 쉐이딩 포인트로 결정될 지점으로 결정될 확률 값이 더 클 수 있다. 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트로 결정된 버텍스(542)들 및 지점(546)들에 대해 쉐이딩을 수행하고, 쉐이딩 결과 값을 보간하여 쉐이딩 포인트로 결정되지 않은 버텍스(545)들의 쉐이딩 값을 결정할 수 있다.

제4 쉐이딩 레벨(550)에서는, 3D 오브젝트(510)의 버텍스(515)들 모두가 쉐이딩 포인트들로 결정되고, 각 버텍스(515)들에 대해 쉐이딩이 수행될 수 있다.

제5 쉐이딩 레벨(560)에서는, 3D 오브젝트(510)의 버텍스(515)들뿐만 아니라 3D 오브젝트(510) 상에서 3D 오브젝트(510)의 버텍스(515)가 아닌 지점(565)들이 추가적으로 쉐이딩 포인트들로 결정될 수 있다. 3D 렌더링 장치는 3D 오브젝트(510)가 표현되는 3D 장면의 시간적 특성 또는 공간적 특성에 기초하여 추가적으로 쉐이딩을 수행할 지점(565)들을 결정할 수 있다. 예를 들어, 보다 세밀한 쉐이딩 효과를 구현할 필요가 있는 경우(예를 들어, 조명 효과가 복잡한 경우), 3D 렌더링 장치는 3D 오브젝트(510)의 영역 내에 쉐이딩이 수행될 지점(565)들을 추가로 지정할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 버텍스(515)들 및 추가적으로 결정된 지점(565)들에 대해 쉐이딩을 수행할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 쉐이딩 포인트의 쉐이딩 결과에 기초하여 다른 버텍스의 쉐이딩 값을 결정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 실시예에서는, 3D 오브젝트(610)가 버텍스들(612 내지 626)을 포함한다고 가정한다. 또한, 3D 렌더링 장치는 버텍스들(612 내지 626) 중 일부의 버텍스들(614, 616, 622, 624) 및 3D 오브젝트(610) 상의 지점들(632, 634, 636)을 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트들로 결정(630)하였다고 가정한다. 3D 렌더링 장치는 쉐이딩 포인트들(614, 616, 622, 624, 632, 634, 636)에 대해 쉐이딩을 수행하고, 쉐이딩 수행에 의해 결정된 쉐이딩 포인트들(614, 616, 622, 624, 632, 634, 636)의 쉐이딩 값(예를 들어, 컬러 값)에 기초하여 쉐이딩이 수행되지 않은 버텍스들(612, 618, 620, 626)의 쉐이딩 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 버텍스(626)의 경우, 3D 렌더링 장치는 버텍스(626)에 인접한 쉐이딩 포인트들(622, 624, 634, 636)의 쉐이딩 값을 보간하여 버텍스(626)의 쉐이딩 값을 결정(640)할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 쉐이딩이 수행되지 않은 나머지 버텍스들(612, 618, 620)에 대해서도 이와 유사한 과정을 통해 쉐이딩 값을 결정할 수 있다. 쉐이딩 포인트들(614, 616, 622, 624, 632, 634, 636)의 쉐이딩 값 및 보간을 통해 결정된 버텍스들(612, 618, 620, 626)의 쉐이딩 값은 저장되고, 저장된 쉐이딩 값들은 다음 영상 프레임에 대한 쉐이딩 과정에서 이용될 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값에 기초하여 렌더링 영상의 픽셀 값을 결정하는 일례를 설명하기 위한 도면이다.

도 7의 실시예에서는, 버텍스들(715, 720, 725) 및 3D 오브젝트 상의 지점들(730, 735)에서 쉐이딩 값이 결정(710)되었다고 가정한다. 3D 렌더링 장치는 버텍스들(715, 720, 725)의 쉐이딩 값 및 지점들(730, 735)의 쉐이딩 값에 기초하여 각 픽셀별로 컬러 보간을 수행하여 픽셀들의 컬러 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 3D 렌더링 장치는 픽셀(720)에 인접한 버텍스(725)의 쉐이딩 값 및 지점들(730, 735)의 컬러 값을 보간하여 픽셀(720)의 컬러 값을 결정할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 나머지 픽셀들에 대해서도 이와 유사한 과정을 반복적으로 수행하여 렌더링 결과 영상을 구성하는 픽셀들의 컬러 값을 결정할 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 따른 직접 가상 광원과 간접 가상 광원 간의 관계를 설명하기 위한 도면들이다. 직접 가상 광원 및 간접 가상 광원은 컴퓨터 그래픽스에서 3D 오브젝트에 조명 효과를 부여하는 가상의 광원들을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 직접 가상 광원은 3D 오브젝트에 빛을 직접 방사하는 가상 광원이고, 간접 가상 광원은 직접 가상 광원으로부터 방사된 빛이 반사, 회절 또는 굴절된 영역에서 빛을 방사하는 가상 광원이다.

도 8a는 3D 모델을 구성하는 3D 오브젝트들(820, 830)과 직접 가상 광원(810)이 도시하고 있다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 하나의 직접 가상 광원(810)만을 도시하였지만, 3D 모델에는 복수의 직접 가상 광원들이 존재할 수 있다. 직접 가상 광원(810)은 3D 오브젝트(820) 빛을 직접 방사한다. 직접 가상 광원(810)과 3D 오브젝트(820) 간의 위치 관계에 의해 3D 오브젝트(820)가 렌더링되는 가상 공간에서 일차적으로 밝은 영역과 어두운 영역이 결정될 수 있다. 직접 가상 광원(810)으로부터 방사된 빛은 3D 오브젝트(820)에 의해 반사, 굴절 또는 회절될 수 있다. 예를 들어, 직접 가상 광원(810)으로부터 출력된 빛(840)은 3D 오브젝트(820)에 반사된 후, 다른 3D 오브젝트(830) 예를 들어, 오브젝트(820)의 주변 영역을 둘러싸고 있는 벽면에 다시 반사될 수 있다. 3D 오브젝트들(820, 830)은 가상 카메라(815)의 시점에서 렌더링되고, 렌더링 결과 영상이 사용자에게 제공될 수 있다.

3D 렌더링 장치는 직접 가상 광원(810)으로부터 출력된 빛에 의한 직접 광 효과뿐만 아니라 간접 가상 광원으로부터 출력된 빛에 의한 조명 효과를 적용하여 디테일한 렌더링 결과 영상을 생성할 수 있다. 3D 렌더링 장치는 직접 가상 광원뿐만 아니라 간접 가상 광원들을 3D 공간 상에 적절히 배치하여 보다 실감나는 조명 효과를 구현할 수 있다.

도 8b를 참조하면, 도 8a에서 직접 가상 광원(810)으로부터 출력된 빛(840)이 3D 오브젝트(820)에 반사된 영역에 위치한 간접 가상 광원(855) 및 빛(840)이 다른 3D 오브젝트(830)에 반사된 영역들에 위치한 간접 가상 광원들(850, 860)이 도시되어 있다. 3D 오브젝트들(820, 830)의 렌더링 과정에서 직접 가상 광원(810)뿐만 아니라 간접 가상 광원들(850, 855, 860)에 의한 조명 효과가 3D 오브젝트들(820, 830)에 적용될 수 있다. 간접 가상 광원들(850, 855, 860)은 직접 가상 광원(810)뿐만 아니라 각 간접 가상 광원들(850, 855, 860)이 위치하는 영역의 특성에 영향을 받는다. 예를 들어, 간접 가상 광원들(850, 855, 860)에 의한 조명 효과는 각 간접 가상 광원들(850, 855, 860)이 위치한 3D 오브젝트 표면의 컬러 또는 재질에 영향을 받을 수 있다.

도 9는 일 실시예에 따른 3D 렌더링 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 도 9를 참조하면, 3D 렌더링 장치(900)는 버텍스 쉐이더(910), 픽셀 쉐이더(920), 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)를 포함한다.

버텍스 쉐이더(910)는 버텍스가 가지는 공간상 위치, 컬러, 노멀 벡터, 텍스쳐 등과 같은 버텍스 속성 정보에 기초하여 3D 장면에 나타난 버텍스들에 대해 버텍스 변환(vertex transform)을 수행할 수 있다. 버텍스 변환 과정은 버텍스의 위치를 이동시키는 과정, 버텍스의 노멀 벡터를 변환하는 과정, 버텍스에 대한 빛의 효과를 계산하는 과정, 버텍스의 컬러를 계산하는 과정, 및 텍스쳐 좌표를 생성 및 변환하는 과정 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 도 1 내지 도 8b를 통하여 전술한 동작 중 쉐이딩 과정과 관련된 동작들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 3D 장면에 나타난 버텍스들을 복수의 버텍스 그룹들로 그룹핑하고, 각 버텍스 그룹별로 쉐이딩 레벨을 결정할 수 있다. 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 결정된 쉐이딩 레벨에 따라 각 버텍스 그룹별로 쉐이딩을 수행할 쉐이딩 포인트를 결정하고, 결정된 쉐이딩 포인트에 대해 쉐이딩을 수행할 수 있다. 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 쉐이딩이 수행된 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값들을 보간하여 쉐이딩이 수행되지 않은 버텍스의 쉐이딩 값을 결정하는 것에 의해 3D 영상에 대한 쉐이딩 정보를 결정할 수 있다.

쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 버텍스 단위의 컬러 쉐이딩을 수행할 수 있고, 이러한 컬러 쉐이딩은 버텍스 쉐이더(910) 및 픽셀 쉐이더(920)의 각 렌더링 처리 과정과는 별도로 처리될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)에 의해 수행되는 쉐이딩 과정은 버텍스 쉐이더(910) 및 픽셀 쉐이더(920)의 파이프라인(pipeline)과는 별도의 과정으로서 진행될 수 있다. 이에 따라, 쉐이딩 포인트 및 버텍스들에 대한 쉐이딩 값이 저장될 수 있다. 저장된 쉐이딩 값은 다음 영상 프레임의 쉐이딩 정보를 결정하는데 이용될 수 있고, 이를 통해 영상 프레임들 간의 상관도가 증가하여 플리커링(flickering) 현상이 감소되고, 연산량이 절감될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 쉐이딩 결과에 기초하여 버텍스 그룹별로 쉐이딩 레벨을 결정할 수 있다. 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 쉐이딩 레벨에 따른 컬러 값의 차분에 기초하여 각 버텍스 그룹에 적용될 최적의 쉐이딩 레벨을 결정할 수 있다. 예를 들어, 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 현재 쉐이딩 레벨에 기초하여 쉐이딩을 수행한 결과와 현재 쉐이딩 레벨보다 하위의 쉐이딩 레벨에 기초하여 쉐이딩을 수행한 결과를 비교하여 레벨 차이에 따른 컬러 값의 차분을 계산하고, 차분이 임계 값 이상인 경우 현재 쉐이딩 레벨을 조정할 수 있다. 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 조정된 쉐이딩 레벨에 기초하여 위와 같은 과정을 반복적으로 수행하고, 쉐이딩 레벨 차이에 따른 컬러 값의 차분이 임계 값보다 작아지게 하는 쉐이딩 레벨을 버텍스 그룹에 적용될 최적의 쉐이딩 레벨로 결정할 수 있다.

3D 장면에 대한 쉐이딩 정보가 결정되면, 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 쉐이딩 정보를 픽셀 쉐이더(920)에 전달할 수 있고, 픽셀 쉐이더(920)는 쉐이딩 정보에 기초하여 각 픽셀별로 컬러 보간을 수행할 수 있다. 픽셀 쉐이더(920)는 픽셀이 속한 폴리곤(polygon)(예를 들어, 삼각형)을 형성하는 버텍스들의 컬러 값 및 쉐이딩이 수행된 쉐이딩 포인트의 컬러 값을 이용하여 컬러 보간을 수행할 수 있고, 이에 의해 렌더링 결과 영상에 포함되는 각 픽셀들의 컬러 값이 결정될 수 있다. 또한, 픽셀 쉐이더(920)는 3D 오브젝트 위에 텍스쳐를 입히는 텍스쳐 맵핑(texture mapping) 과정을 수행하여 가상의 3D 오브젝트에 재질감을 표현할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 3D 렌더링 장치(900)는 간접 가상 광원을 샘플링하는 간접 가상 광원 샘플러(940)를 더 포함할 수 있다. 쉐이딩 포인트 쉐이더(930)는 직접 가상 광원에 의한 조명 정보뿐만 아니라 간접 가상 광원에 의한 조명 정보를 이용하여 쉐이딩을 수행할 수 있고, 해당 간접 가상 광원은 간접 가상 광원 샘플러(940)에 의해 샘플링될 수 있다. 간접 가상 광원의 샘플링 과정은 3D 공간 내에 간접 가상 광원을 배치시키는 과정을 포함할 수 있다. 간접 가상 광원 샘플러(940)는 간접 가상 광원들이 배치되는 영역 또는 3D 공간에 배치되는 간접 가상 광원의 개수를 조절하여 3D 오브젝트에 적용되는 간접 조명 효과를 제어할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 간접 가상 광원 샘플러(940)는 라이트 시점 렌더링(light view rendering)의 결과 영상에서 간접 가상 광원을 샘플링하거나 또는 빛에 대한 광선 추적(ray tracing) 기법을 이용하여 간접 가상 광원을 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 간접 가상 광원 샘플러(940)는 라이트 시점 렌더링의 결과 영상의 밝기 분포에 기초하여 밝기에 비례하는 확률 맵을 생성하고, 확률 맵을 통해 결정된 위치에 간접 가상 광원을 배치시킬 수 있다. 다른 예로, 간접 가상 광원 샘플러(940)는 광선 추적 기법을 통해 광이 3D 오브젝트와 충돌하는 위치를 결정하고, 결정된 위치에 간접 가상 광원을 배치시킬 수도 있다.

도 10은 다른 실시예에 따른 3D 렌더링 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 도 10을 참조하면, 영상 처리 장치(1010)는 하나 이상의 프로세서(1020) 및 하나 이상의 메모리(1030)를 포함한다.

프로세서(1020)는 도 1 내지 도 9를 통하여 전술한 하나 이상의 동작을 수행한다. 예를 들어, 프로세서(1020)는 3D 장면 상에서 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정하고, 결정된 쉐이딩 포인트에 대해 쉐이딩을 수행할 수 있다. 여기서, 프로세서(1020)는 3D 장면의 버텍스들을 버텍스 그룹들로 그룹핑하고, 버텍스 그룹별로 결정된 쉐이딩 레벨에 기초하여 쉐이딩 포인트를 결정할 수 있다. 프로세서(1020)는 쉐이딩 포인트의 쉐이딩 결과에 기초하여 3D 장면에 대한 쉐이딩 정보를 결정하고, 쉐이딩 정보에 기초하여 렌더링 결과 영상을 생성할 수 있다.

이와 같은 프로세서(1020)는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수 있으나, 다른 형태의 하드웨어로 구현될 수도 있음은 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 또한, 프로세서(1020)는 3D 오브젝트의 렌더링을 수행하기 위한 하나 이상의 그래픽스 프로세싱 유닛을 포함할 수 있다. 버텍스 및 쉐이딩 포인트에 대한 쉐이딩 정보는 그래픽스 프로세싱 유닛의 텍스쳐 버퍼에 저장될 수 있고, 저장된 쉐이딩 정보는 다음 영상 프레임에 대한 쉐이딩 과정에서 이용될 수 있다.

메모리(1030)는 도 1 내지 도 9를 통하여 전술한 하나 이상의 동작을 수행하기 위한 인스트럭션들을 저장하거나 또는 3D 렌더링 장치(1010)가 운용되면서 획득된 데이터와 결과를 저장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 메모리(1030)는 비일시적인 컴퓨터 판독가능 매체, 예컨대 고속 랜덤 액세스 메모리 및/또는 비휘발성 컴퓨터 판독가능 저장 매체(예컨대, 하나 이상의 디스크 저장 디바이스들, 플래쉬 메모리 디바이스들, 또는 기타 비휘발성 솔리드 스테이트 메모리 디바이스들)를 포함할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims

3D 장면을 렌더링하는 3D 렌더링 방법에 있어서,
상기 3D 장면 상에서 쉐이딩(shading)이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계;
상기 쉐이딩 포인트에 대해 쉐이딩을 수행하는 단계; 및
상기 쉐이딩 포인트의 쉐이딩 결과에 기초하여 상기 3D 장면에 대한 쉐이딩 정보를 결정하는 단계
를 포함하고,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는,
버텍스들에 기초한 기하학적 복잡도가 상기 3D 장면의 제1 영역의 쉐이딩 복잡도에 비해 낮은 경우, 상기 제1 영역의 쉐이딩 포인트의 개수를 증가시키는 단계; 및
버텍스들에 기초한 기하학적 복잡도가 상기 3D 장면의 제2 영역의 쉐이딩 복잡도에 비해 높은 경우, 상기 제2 영역의 쉐이딩 포인트의 개수를 감소시키는 단계를 포함하는,
3D 렌더링 방법.
제1항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는,
상기 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스들 중 일부의 버텍스를 상기 쉐이딩 포인트로 결정하는, 3D 렌더링 방법.
제1항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는,
상기 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스들 및 상기 3D 오브젝트 내의 추가 지점을 상기 쉐이딩 포인트로 결정하는, 3D 렌더링 방법.
제1항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트는,
상기 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스들 중 일부의 버텍스만을 포함하는, 3D 렌더링 방법.
제1항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트는,
상기 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스가 아닌 지점을 포함하는, 3D 렌더링 방법.
제5항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트는,
상기 3D 오브젝트의 버텍스들 중 일부의 버텍스를 더 포함하는, 3D 렌더링 방법.
제5항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트는,
상기 3D 오브젝트의 모든 버텍스들을 더 포함하는, 3D 렌더링 방법.
제1항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는,
상기 3D 장면에서 3D 오브젝트의 버텍스들 중 일부의 버텍스 및 상기 3D 오브젝트 내의 추가 지점을 상기 쉐이딩 포인트로 결정하는, 3D 렌더링 방법.
제1항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는,
상기 3D 장면의 공간적 특성 및 시간적 특성 중 적어도 하나에 기초하여 상기 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정하는, 3D 렌더링 방법.
제9항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는,
가상 광원에 대한 정보, 가상 카메라에 대한 정보, 상기 3D 장면에 포함된 3D 오브젝트에 대한 정보 및 이전 영상 프레임의 쉐이딩 결과 중 적어도 하나에 기초하여 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는, 3D 렌더링 방법.
제10항에 있어서,
상기 가상 광원에 대한 정보는, 상기 가상 광원의 위치, 컬러, 밝기, 방향, 각도 및 이동 속도 중 적어도 하나에 대한 정보를 포함하고,
상기 가상 카메라에 대한 정보는, 상기 가상 카메라의 위치, 방향, 각도 및 이동 속도 중 적어도 하나에 대한 정보를 포함하고,
상기 3D 오브젝트에 대한 정보는, 상기 3D 오브젝트의 형상, 컬러 및 재질 중 적어도 하나에 대한 정보를 포함하는, 3D 렌더링 방법.
제1항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는,
상기 3D 장면의 버텍스들을 버텍스 그룹들로 그룹핑하는 단계; 및
상기 버텍스 그룹별로 하나 이상의 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계
를 포함하는 3D 렌더링 방법.
제12항에 있어서,
상기 버텍스들을 버텍스 그룹들로 그룹핑하는 단계는,
상기 버텍스들의 위치, 상기 버텍스들의 노멀(normal), 이전 영상 프레임의 쉐이딩 결과 및 상기 버텍스들이 동일한 3D 오브젝트에 포함되는지 여부 중 적어도 하나에 기초하여 상기 버텍스들을 상기 버텍스 그룹들로 그룹핑하는, 3D 렌더링 방법.
제12항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는,
가상 광원의 움직임, 가상 카메라의 움직임, 3D 오브젝트의 움직임, 인접 버텍스들 간의 밝기 차이 및 버텍스의 위치 중 적어도 하나에 기초하여 상기 쉐이딩 레벨을 결정하는 단계
를 더 포함하는 3D 렌더링 방법.
제14항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 단계는,
상기 쉐이딩 레벨에 따라 상기 버텍스 그룹들마다 쉐이딩이 수행될 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는, 3D 렌더링 방법.
제12항에 있어서,
상기 3D 장면의 버텍스들을 버텍스 그룹들로 그룹핑하는 단계는,
상기 버텍스 그룹별로 상기 쉐이딩 포인트에 대한 계층적 구조 정보를 결정하는 단계
를 포함하는 3D 렌더링 방법.
제1항에 있어서,
상기 쉐이딩 정보를 결정하는 단계는,
복수의 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값을 보간(interpolation)하여 상기 쉐이딩 포인트들에 인접한 버텍스의 쉐이딩 값을 결정하는 단계
를 포함하는 3D 렌더링 방법.
제17항에 있어서,
상기 쉐이딩 정보를 결정하는 단계는,
상기 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값들 및 상기 결정된 버텍스의 쉐이딩 값을 보간하여 상기 3D 장면의 렌더링 결과 영상에 포함된 픽셀들의 컬러 값을 결정하는 단계
를 포함하는 3D 렌더링 방법.
제17항에 있어서,
상기 쉐이딩 정보를 결정하는 단계는,
상기 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값 및 상기 버텍스의 쉐이딩 값을 텍스쳐 버퍼(texture buffer)에 저장하는 단계
를 포함하는 3D 렌더링 방법.
제1항에 있어서,
상기 쉐이딩을 수행하는 단계는,
직접 가상 광원 및 간접 가상 광원 중 적어도 하나에 의한 조명 효과에 기초하여 상기 쉐이딩 포인트의 컬러 값을 결정하고,
상기 조명 효과는, 가려짐에 의한 그림자 효과를 포함하는, 3D 렌더링 방법.
컴퓨팅 하드웨어가 제1항 내지 제20항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행하도록 하는 인스트럭션들을 저장하는 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
적어도 하나의 프로세서; 및
상기 프로세서에 의해 실행될 인스트럭션들(instructions)을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하고,
상기 인스트럭션들은, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 프로세서로 하여금,
3D 장면 상에서 쉐이딩이 수행될 쉐이딩 포인트를 결정하는 동작;
상기 쉐이딩 포인트에 대해 쉐이딩을 수행하는 동작; 및
상기 쉐이딩 포인트의 쉐이딩 결과에 기초하여 상기 3D 장면에 대한 쉐이딩 정보를 결정하는 동작
을 실행하도록 구성되고,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 동작은,
버텍스들에 기초한 기하학적 복잡도가 상기 3D 장면의 제1 영역의 쉐이딩 복잡도에 비해 낮은 경우, 상기 제1 영역의 쉐이딩 포인트의 개수를 증가시키는 동작 및
버텍스들에 기초한 기하학적 복잡도가 상기 3D 장면의 제2 영역의 쉐이딩 복잡도에 비해 높은 경우, 상기 제2 영역의 쉐이딩 포인트의 개수를 감소시키는 동작을 포함하는
3D 렌더링 장치.
제22항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 동작은,
복수의 쉐이딩 포인트들의 쉐이딩 값을 보간하여 상기 쉐이딩 포인트들에 인접한 버텍스 및 다른 쉐이딩 포인트 중 적어도 하나의 쉐이딩 값을 결정하는 동작을 포함하는 3D 렌더링 장치.
제22항에 있어서,
상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 동작은,
상기 3D 장면의 버텍스들을 버텍스 그룹들로 그룹핑하는 동작; 및
쉐이딩 레벨에 기초하여 상기 버텍스 그룹들마다 하나 이상의 상기 쉐이딩 포인트를 결정하는 동작
을 포함하는 3D 렌더링 장치.
제22항에 있어서,
상기 인스트럭션들은, 상기 프로세서로 하여금,
현재 버텍스와 스크린 간의 거리 및 상기 현재 버텍스가 그림자 영역에 존재하는지 여부 중 적어도 하나에 기초하여 다음 영상 프레임에서 상기 현재 버텍스의 쉐이딩 값을 업데이트할지 여부를 결정하는 동작
를 더 실행하도록 구성되는 3D 렌더링 장치.