KR20110059275A - 3차원 렌더링 이미지의 인터랙티브 조명 효과 편집 방법 및 장치 - Google Patents

3차원 렌더링 이미지의 인터랙티브 조명 효과 편집 방법 및 장치 Download PDF

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KR20110059275A KR1020090115949A KR20090115949A KR20110059275A KR 20110059275 A KR20110059275 A KR 20110059275A KR 1020090115949 A KR1020090115949 A KR 1020090115949A KR 20090115949 A KR20090115949 A KR 20090115949A KR 20110059275 A KR20110059275 A KR 20110059275A
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 사용자의 입력에 따라 예측 가능한 조명 효과를 피드백하여 조명 효과를 편집하는 방법으로서, 사용자가 3차원 오브젝트의 버텍스(vertex)에 원하는 조명 효과를 입력할 수 있는 스케칭 인터페이스(sketching interface)를 제공하는 단계, 스케칭 인터페이스를 통해 사용자의 입력이 인가된 버텍스들을 3차원 오브젝트를 둘러 싸는 바운딩 스피어(bounding sphere)의 점들에 소정의 매핑 함수에 따라 매핑하여, 매핑된 점들의 데이터를 포함하는 데이터 맵을 산출하는 단계, 데이터 맵 상의 데이터들을 클러스터링하여 클러스터들을 산출하는 단계 및 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들(spot light)을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
조명, 조명 효과, 편집

Description

3차원 렌더링 이미지의 인터랙티브 조명 효과 편집 방법 및 장치{METHOD AND SYSTEM FOR INTERACTIVELY EDITING LIGHTING EFFECTS FOR 3D RENDERED IMAGES}
본 발명은 3차원 이미지 편집에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 3차원 렌더링 이미지의 조명 편집 방법 및 장치에 관한 것이다.
3차원 애니메이션 영상의 제작에서 가장 중요한 단계 중 하나가 어떤 장면, 즉 씬(scene) 내에 적절한 조명 효과(lighting)를 주는 작업이다. 조명 효과는 렌더링된(rendered) 최종 이미지의 품질을 향상시키고, 장면의 분위기, 주요 요소들의 강조, 극적인 분위기를 조성함으로써 장면 연출의 효과를 극대화하는 역할을 할 수 있다. 숙련된 조명 효과는 장면 내에서 과도하게 비추어지거나 또는 너무 적게 비추어진 영역들을 줄이고 장면의 명암비(contrast)를 높이며, 불필요하게 사용된 조명광(light)의 수를 줄임으로써 렌더링 프로세스를 좀더 효율적으로 만들 수 있다.
그런데, 종래에 조명 효과 작업은 대단히 노동 집약적인 작업이었다. 통상적으로 3차원으로 렌더링된 하나의 장면에는 십 수개의 조명광들이 공간 여기저기 에 배치되어야 하며, 각각의 조명광마다 수 많은 파라미터들이 조율되어야 한다. 그러나, 이들 조명광마다 설정되는 파라미터들 중에는 각자의 관계가 상대적으로 예측하기 어려운 것들이 많다. 따라서, 파라미터의 조절 결과를 애니메이터가 직관적으로 알 수 없어서, 원하는 장면을 얻을 때까지 파라미터들을 하나씩 조작해야 하며, 조명 작업은 대단히 오래 걸리고 지루한 작업일 수 밖에 없다.
이를 극복하기 위해, 조명광을 공간상에 배치함으로써 장면을 만드는 방식 대신에, 원하는 조명 효과를 가진 장면을 먼저 만들고 그러한 장면을 만들 수 있는 조명광들을 찾는 역 조명 방식들이 등장하였다.
그러나, 기존에 제안된 역 조명 방식들은 영상학적(cinematography) 관점에서 볼 때에, 충분한 자유도(Degree Of Freedom, DOF)를 갖지 못하여 현실감이 떨어지거나, 전체적인 조명감(look)을 동시에 조절하기 어렵다.
또한, 기존의 역 조명 방식들은 렌더링에 필요한 시간을 줄이지 못한다. 렌더링 시간은 3차원 컴퓨터 그래픽 제작에서 가장 많은 컴퓨터 연산이 필요한 작업이고, 그 시간은 포함된 조명광의 수에 선형으로 증가한다. 종래의 기법들은 조명광의 파라미터들을 추정할 때에, 그 최적화된 개수를 고려하지 않는다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인터랙티브하게 조명 효과를 편집하고 또한 조명광들의 수를 최적화함으로써 렌더링 시간을 줄일 수 있는 3차원 렌더링 이미지의 조명 효과 편집 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른, 사용자의 입력에 따라 예측 가능한 조명 효과를 피드백하여 3차원 그래픽의 조명 효과를 편집하는 방법은,
사용자가 3차원 오브젝트의 버텍스(vertex)에 원하는 조명 효과를 입력할 수 있는 스케칭 인터페이스(sketching interface)를 제공하는 단계;
상기 스케칭 인터페이스를 통해 사용자의 조명 효과 입력이 인가된 버텍스들을 상기 3차원 오브젝트를 둘러 싸는 바운딩 스피어(bounding sphere)의 점들에 소정의 매핑 함수에 따라 매핑하여, 매핑된 점들의 데이터를 포함하는 데이터 맵을 산출하는 단계;
상기 데이터 맵 상의 데이터들을 클러스터링하여 클러스터들을 산출하는 단계; 및
상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들(spot light)을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스케칭 인터페이스는 상기 3차원 오브젝트의 표면 질감의 특성이 일반 매핑인지 하이라이트 매핑인지 설정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스케칭 인터페이스는 상기 3차원 오브젝트의 버텍스들에 다수의 조명 효과들의 데이터를 누적시킬 수 있도록 사용자의 입력을 브러시 스트로크를 통해 인가할 수 있다.
바람직하게는, 상기 데이터 맵을 산출하는 단계는
상기 스케칭 인터페이스를 통해 사용자의 입력이 인가된 버텍스들의 법선들의 평균 방향으로 투사된 상기 버텍스들이 상기 바운딩 스피어의 표면과 교차하는 점들을 상기 버텍스들과 매핑하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 매핑 함수는 람베르시안 셰이딩 모델(Lambertian shading model)에 따른 매핑 함수일 수 있다.
바람직하게는, 상기 매핑 함수는 퐁 스페큘러 모델(Phong specular model)에 따른 매핑 함수일 수 있다.
바람직하게는, 상기 매핑 함수는 환경 매핑(environment mapping)에 따른 매핑 함수이고, 환경 이미지의 복수의 픽 셀 데이터들을 샘플링하여 매핑할 수 있다.
바람직하게는, 상기 클러스터들을 산출하는 단계는,
상기 데이터 맵의 데이터들을 K-평균 기법을 통해 k개(
Figure 112009073278921-PAT00001
Figure 112009073278921-PAT00002
,
Figure 112009073278921-PAT00003
Figure 112009073278921-PAT00004
는 클러스터 중심이 서로 뭉치지 않도록 일정한 간격으로 상기 데이터 맵의 데이터들을 샘플링할 수 있는 최대 샘플링 횟수)로 클러스터링하는 단계;
상기 k개의 클러스터들에 대해 클러스터 유효성을 측정하는 단계; 및
가장 큰 클러스터 유효성을 가지는 k개의 클러스터들을 최적의 클러스터들로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 클러스터들을 산출하는 단계는,
상기 데이터 맵의 데이터들을 K-평균 기법을 통해 k개(
Figure 112009073278921-PAT00005
Figure 112009073278921-PAT00006
,
Figure 112009073278921-PAT00007
Figure 112009073278921-PAT00008
는 사용자 입력 스트로크의 횟수)의 클러스터들로 클러스터링하는 단계;
상기 k개의 클러스터들에 대해 클러스터 유효성을 측정하는 단계; 및
가장 큰 클러스터 유효성을 가지는 k개의 클러스터들을 최적의 클러스터들로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 K-평균 기법에 적용하는 클러스터 중심의 초기 위치는 사용자 입력 스트로크에 의한 입력 데이터들의 위치들의 평균에 기초하여 결정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 클러스터 유효성은 레이 함수에 의해 측정되며,
상기 최적의 클러스터들의 개수는
Figure 112009073278921-PAT00009
Figure 112009073278921-PAT00010
인 수학식에 의해 결정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 데이터 맵은 상기 바운딩 스피어 상에 매핑된 데이터들의 극좌표 값들에서 반지름을 제외한 각도 성분을 2차원적으로 배열한 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들을 생성하는 단계는,
스포트 조명광들
Figure 112009073278921-PAT00011
Figure 112009073278921-PAT00012
(
Figure 112009073278921-PAT00013
Figure 112009073278921-PAT00014
,
Figure 112009073278921-PAT00015
Figure 112009073278921-PAT00016
는
Figure 112009073278921-PAT00017
Figure 112009073278921-PAT00018
의 최대값)의 광원 위치, 방향, 색상 및 스포트 앵글(spot angle)이 각각
Figure 112009073278921-PAT00019
에 의해 생성되며, 여기서
Figure 112009073278921-PAT00020
Figure 112009073278921-PAT00021
은 클러스터
Figure 112009073278921-PAT00022
Figure 112009073278921-PAT00023
에 속하는 데이터들의 위치 평균이고,
Figure 112009073278921-PAT00024
Figure 112009073278921-PAT00025
은 사용자가 지정한 조명광과 바운딩 스피어 사이의 거리이며,
Figure 112009073278921-PAT00026
Figure 112009073278921-PAT00027
은 조명광
Figure 112009073278921-PAT00028
Figure 112009073278921-PAT00029
의 방향이며,
Figure 112009073278921-PAT00030
Figure 112009073278921-PAT00031
은 클러스터
Figure 112009073278921-PAT00032
Figure 112009073278921-PAT00033
에 속하는 데이터들의 평균 법선 방향이고,
Figure 112009073278921-PAT00034
Figure 112009073278921-PAT00035
은 클러스터
Figure 112009073278921-PAT00036
Figure 112009073278921-PAT00037
에 속하는 데이터들의 평균 색상이며,
Figure 112009073278921-PAT00038
Figure 112009073278921-PAT00039
은 조명광
Figure 112009073278921-PAT00040
Figure 112009073278921-PAT00041
의 광원의 위치이고,
Figure 112009073278921-PAT00042
Figure 112009073278921-PAT00043
는 클러스터
Figure 112009073278921-PAT00044
Figure 112009073278921-PAT00045
에 속하는
Figure 112009073278921-PAT00046
Figure 112009073278921-PAT00047
번째 데이터가 목표하는 버텍스의 위치일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 사용자의 입력에 따라 예측 가능한 조명 효과를 피드백하여 3차원 그래픽의 조명 효과를 편집하는 방법은,
사용자가 기존의 데이터 맵의 파라미터들을 조절할 수 있는 파라미터 조절 인터페이스를 제공하는 단계;
상기 파라미터 조절 인터페이스를 통해 인가된 사용자의 파라미터 조절 입력을 상기 데이터 맵에 반영하는 단계;
상기 산출된 데이터 맵 상의 데이터들을 클러스터링하여 클러스터들을 산출하는 단계; 및
상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들을 생성하는 단계를 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 데이터 맵의 파라미터들은 적어도 각 색상 성분들의 이득(gain), 명암비(contrast), 색조(hue), 채도(saturation), 색보정(color balance)을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 데이터 맵의 파라미터들은 적어도 오프셋(offset)을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 조명 효과 편집 방법은,
상기 오프셋 파라미터의 조절에 의해 3차원 그래픽 장면의 앰비언트 조명광(ambient light)을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 사용자의 입력에 따라 예측 가능한 조명 효과를 피드백하여 3차원 그래픽의 조명 효과를 편집하는 방법은,
사용자가 3차원 오브젝트의 버텍스에 원하는 조명 효과를 입력할 수 있는 스케칭 인터페이스 또는 사용자가 데이터 맵의 파라미터들을 조절할 수 있는 파라미 터 조절 인터페이스를 제공하는 단계;
상기 스케칭 인터페이스를 통해 사용자의 조명 효과 입력이 인가된 버텍스들을 상기 3차원 오브젝트를 둘러 싸는 바운딩 스피어의 점들에 소정의 매핑 함수에 따라 매핑하여, 매핑된 점들의 데이터를 포함하는 데이터 맵을 산출하는 단계;
상기 파라미터 조절 인터페이스를 통해 인가된 사용자의 파라미터 조절 입력을 상기 데이터 맵에 반영하는 단계;
상기 데이터 맵 상의 데이터들을 클러스터링하여 클러스터들을 산출하는 단계; 및
상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 사용자의 입력에 따라 예측 가능한 조명 효과를 피드백하여 3차원 그래픽의 조명 효과를 편집하는 조명 효과 편집 장치는,
사용자가 3차원 오브젝트의 버텍스에 원하는 조명 효과를 입력할 수 있는 스케칭 인터페이스;
사용자가 데이터 맵의 파라미터들을 조절할 수 있는 파라미터 조절 인터페이스;
상기 스케칭 인터페이스를 통해 사용자의 조명 효과 입력이 인가된 버텍스들을 상기 3차원 오브젝트를 둘러 싸는 바운딩 스피어의 점들에 소정의 매핑 함수에 따라 매핑하여 매핑된 점들의 데이터를 포함하는 데이터 맵을 산출하며, 상기 파라미터 조절 인터페이스를 통해 인가된 사용자의 파라미터 조절 입력을 상기 데이터 맵에 반영하는 데이터 매핑부;
상기 데이터 맵 상의 데이터들을 클러스터링하여 클러스터들을 산출하는 데이터 클러스터링부; 및
상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들을 생성하는 조명광 추정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면의 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체는 컴퓨터를 본 발명의 조명 효과 편집 장치로써 기능시키기 위한 프로그램이 기록한 매체일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 사용자의 입력에 따라 조명광들의 최적 개수 및 각각의 파라미터들을 자동으로 결정할 수 있어서, 조명 효과 편집 프로세스를 대단히 간단하게 만들고, 사용자가 고품질의 창의적인 조명 조건을 쉽고 빠르게 만들 수 있다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 발명에서 조명광(light)은 마치 무대를 비추는 조명처럼, 3차원 공간의 특정 위치에 배치되며 소정의 휘도, 색, 방향, 앵글(조명 각도) 등을 가지는 가상의 광원을 의미한다. 조명 효과(lighting)는 그러한 하나 이상의 조명광이 장면 즉 씬 내의 물체나 배경에 빛을 비추어, 표면 질감(material)에 밝고 어두움을 표현함으로써 입체감과 현실감을 주는 것을 의미한다. 조명감(look of lighting)라는 용어는 한 씬 내에서 보이는 전체적인 조명 효과를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법을 예시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 조명 효과 편집 방법은 사용자의 입력이 있는 때부터 조명광을 추정하는 단계까지의 이터레이션(iteration)이, 사용자가 원하는 조명 효과를 얻을 때까지 반복된다.
조명 효과 편집 방법은 단계(S11)에서 사용자가 인터페이스를 선택하는 단계로부터 시작한다. 단계(S11)에서, 사용자에게 스케칭 인터페이스와 파라미터 인터페이스가 제공되며, 사용자는 두 인터페이스 중 하나를 선택한다.
단계(S12a) 및 단계(S12b)에서, 각각의 선택된 인터페이스를 통해 기대하는 조명 효과를 얻기 위한 사용자 입력을 인가한다.
단계(S12a)에서 이용되는 스케칭 인터페이스는, 화면에 표시된 3차원 오브젝트의 버텍스들(vertices)에 대해 사용자가 조명이 비춰질 영역들과 그 조명의 색을 선택할 수 있는 인터페이스이다. 스케칭 인터페이스는 사용자가 3차원 오브젝트의 표면 질감의 특성이 예를 들어 일반 매핑(general mapping) 또는 하이라이트 매핑(highlight mapping)인지 설정할 수 있는 매핑 모드와, 지금까지의 조작에 의해 누적된 데이터에 조명 효과를 더 추가할 수 있도록 브러시를 조작할 수 있는 브러시 모드를 가진다. 브러시 모드에서는, 브러시로 칠(paint)해지는 영역에 대하여, 예를 들어 Add 옵션의 브러시는 밝기를 증가시키고, Subtract 옵션의 브러시는 밝기를 감소시키며, Replace 옵션의 브러시라면 칠하기 전의 폴리곤이나 버텍스의 색이 새로운 색으로 교체될 것이다.
이 경우에, 실시예에 따라, 브러시의 효과가 적용된 버텍스들이 이전 조명 효과의 설정 조건에 따른 셰이딩 상태에 맞춰 화면에 표시된다면, 이러한 실시간 피드백은 결과의 예측을 좀더 원활하게 할 수 있을 것이다.
단계(S12b)에서 이용되는 파라미터 인터페이스는 사용자가 장면의 전체적인 조명감을 보정할 수 있도록 각각의 파라미터들을 조절할 수 있는 인터페이스이다. 예를 들어, 사용자는 해당 장면에 대해, 각각의 색상(RGB 또는 CMKY) 별로, 이득(gain), 명암비(contrast), 색조(hue), 채도(saturation), 휘도(brightness) 및 색보정(color balance)와 같은 파라미터들을 조절할 수 있다. 오버슛(overshoot), 셰도우(shadow), 오프셋(offset)과 같은 유용한 파라미터들도 제공될 수 있다. 사용자는 예를 들어, 각 파라미터를 의미하는 슬라이더 상의 탭 위치를 조절하거나 직접 각각의 수치를 입력함으로써, 각 파라미터들을 원하는 대로 조절할 수 있다.
사용자는 스케칭 인터페이스나 파라미터 인터페이스를 통해 3차원 오브젝트 표면에 직접 매핑 또는 브러시 페인팅을 하거나, 파라미터들을 조절하는 것만으로, 이후에 설명할 단계들에 의해 조명광들의 최적 개수, 조명광 각각의 위치, 방향, 색상, 앵글 등이 추정되고, 추정된 조명광들에 의한 조명 효과가 부여된 장면이 표시되는 것을 볼 수 있다.
여기서, 파라미터 인터페이스를 선택하는 것은, 그러한 파라미터들을 조절함으로써 전체 조명감을 보정할 수 있도록 데이터 맵이 그 이전에 이미 형성되어 있다는 점이 전제된다고 할 수 있다. 다만, 오프셋 파라미터는 데이터 맵이 아직 없더라도 장면에 반영될 수 있다.
이후의 단계들은 스케칭 인터페이스를 통한 사용자 입력인지 아니면 파라미터 인터페이스를 통한 사용자 입력인지에 따라 약간 다르다.
단계(S12a)에서 사용자 입력이 다 인가되고 나면, 단계(S13)에서, 사용자의 지시에 따라 또는 자동으로, 조명광 파라미터들을 구하기 위해 스케칭 인터페이스를 통해 3차원 오브젝트 위에 인가된 사용자 입력에 대해 데이터 매핑이 수행되어 데이터 맵이 생성된다. 데이터 매핑(data mapping)은, 사용자 입력이 인가된 3차원 오브젝트의 버텍스들을 그 3차원 오브젝트 전체를 둘러쌀 수 있을 정도로 충분히 큰 구면(sphere), 즉 바운딩 스피어(bounding sphere) 상의 점들에 소정의 매핑 함수들에 의해 매핑한 것으로, 데이터 맵(data map)은 그러한 바운딩 스피어의 면상에 매핑된 점들의 집합을 그 바운딩 스피어의 중심을 기준으로 한 극좌표계 표현 중 반경을 제외한 각도 표시(즉,
Figure 112009073278921-PAT00048
Figure 112009073278921-PAT00049
)를 가지고 2차원 좌표 상에 표현한 것이다.
매핑 함수들(mapping functions)은 어떤 특정한 조명 효과들이 얻어져야 하 는지에 따라 적절하게 커스터마이징될 수 있다. 대부분의 경우에 데이터 매핑은 세 가지 매핑 함수들, 즉, 일반 매핑(general mapping), 하이라이트 매핑(highlight mapping) 및 환경 매핑(environment mapping) 함수들에 의해 원하는 결과를 얻을 수 있다.
어떤 국부적인 영역에 집중한 조명 효과를 원한다면, 데이터 맵 중에서 그 영역의 버텍스들이 매핑되는 부분이 밀집할 것이다. 따라서, 그러한 매핑이 밀집한 부분을 통해 조명광의 위치를 추정할 수 있을 것이다.
단계(S14)에서, 데이터 맵 상의 데이터 점들은 적절한 수의 데이터 클러스터들(data clusters)로 클러스터링된다. 데이터 클러스터들의 존재는 각각에 해당하는 조명광을 추정할 수 있음을 의미하므로, 데이터 클러스터들을 클러스터링하는 것은 중요하다. 데이터 클러스터들의 최적 개수는 클러스터 유효성(cluster validity)을 계산함으로써 얻어질 수 있다. 클러스터 유효성은 클러스터들이 얼마나 잘 분리되어 있는지를 나타내는 지표이다. 가장 큰 클러스터 유효성을 가진 클러스터 분할 케이스에 의해 분할된 데이터 클러스터들이 단계(S14)에서 선택된다.
단계(S15)에서, 사용자 입력에 의해 설정된 바에 따라 조명광이 생성된다. 구체적으로, 단계(S12a)에서 얻어진 각각의 클러스터는 광원의 위치, 조명의 방향, 색, 스포트 앵글(spot angle)에 관한 파라미터들을 계산함으로써 스포트 조명광(spot light)으로 생성된다. 단계(S12b)에서 입력된 오프셋 파라미터는 앰비언트 조명(ambient light)으로 생성된다.
한편, 단계(S12b)에서 파라미터 인터페이스가 선택되면, 단계(S16)에서, 사 용자가 파라미터 인터페이스를 통해 변경한 파라미터들이 지금까지 입력된 사용자 입력이 누적된 매핑 데이터에 적용된다. 이렇게 조절된 매핑 데이터는 전체적인 조명감을 변경할 수 있다. 사용자는 조명광들의 파라미터들을 자유롭게 변경함으로써 장면에 원하는 무드를 부여할 수 있다.
단계(S16)에서 조절된 파라미터들이 적용된 상태에서, 매핑 데이터는 단계(S14)의 데이터 클러스터링 단계에 의해 클러스터링된다. 클러스터링된 데이터 클러스터에 따라, 단계(S15)의 조명광 생성 단계가 수행되어 새로운 조명광들이 추정된다.
이렇게 하여 한 이터레이션이 완료된다. 본 발명은 매핑 데이터의 생성을, 스케칭 인터페이스를 통해 3차원 오브젝트에 의도하는 조명 효과를 직접 입력하는 스케칭 트랙과, 파라미터 인터페이스를 통해 기존의 매핑 데이터를 조절하는 파라미터 조절 트랙에 의해 분리하여 접근하며, 일단 생성되거나 변경된 매핑 데이터을 기초로 적절하게 데이터 클러스터링과 조명광 추정을 수행함으로써 조명 효과를 쉽고 직관적으로 편집할 수 있다.
사용자의 선택에 따라 한 이터레이션 내에서 스케칭 트랙만 이용될 수도 있고, 파라미터 조절 트랙만 이용될 수도 있으며, 스케칭 트랙과 파라미터 조절 트랙이 순차적으로 이용될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법 중 스케칭 인터페이스를 통한 스케칭 트랙을 예시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 사용자는 팔을 벌린 산타 클로스 형상의 3차원 오브젝트에 조명 효과 편집을 수행하고자 한다. 첫 번째 이미지(21)에서, 3차원 오브젝트를 둘러싸는 바운딩 스피어가 형성되어 있고, 사용자는 스케칭 인터페이스를 선택한 상태이다. 사용자는 3차원 오브젝트의 얼굴 앞쪽에 연두색으로 조명되도록 브러시 페인팅을 하고, 수염 부분에 분홍색으로 조명되도록 브러시 페인팅을 한다.
두 번째 이미지(22)에서, 사용자 입력에 영향을 받는 버텍스들과, 그 버텍스들에 인가된 사용자 입력이 표시된다. 3차원 오브젝트의 얼굴 부분과 수염 부분을 따라 표시된 외곽선이 없는 페인트된 도트들이 버텍스들에 페인팅된 사용자 입력을 의미한다.
사용자가 사용자 입력을 페인팅을 한 3차원 오브젝트의 버텍스들은 원래의 셰이딩 상태에 해당 사용자 입력의 특성이 부가되어 누적된 속성을 보이게 된다. 사용자는 이러한 누적된 속성의 표시를 통해, 자신의 입력이 어떤 결과로 나타날 것인지 예측할 수 있다.
다음 세 번째 이미지(23)에서, 사용자의 입력이 끝나면, 자동으로 또는 사용자의 지시에 의해, 사용자 입력들 및 그에 따라 페인팅된 버텍스들이 소정의 조명 효과 및 매핑 함수에 따라 바운딩 스피어 상에 매핑된다. 매핑된 데이터는 외곽선을 가진 페인트된 도트로 표시되어 있다. 네 번째 이미지(24)에서, 바운딩 스피어 상에 매핑된 데이터들이 표시되어 있다.
다섯 번째 이미지(25)에는, 매핑된 데이터들이 소정의 클러스터링 알고리즘에 따라 데이터 클러스터링되고 있다. 클러스터링 결과, 연두색 도트들이 하나의 클러스터를 이루고, 또한 분홍색 도트들이 다른 하나의 클러스터로 각각 분할되었 다.
여섯 번째 이미지(26)에서는, 두 데이터 클러스터들에 대해 각각 하나씩의 조명광이 추정된다. 조명광들은 회색 삼각형으로 표시되며, 회색 삼각형의 한 변에서 3차원 오브젝트로 향하는 두 개의 선분과 그 사이의 색칠된 영역은 조명광의 스포트 앵글과 조명광의 색을 의미한다. 이로써, 사용자가 첫 번째 이미지(21)에서 사용자 입력을 통해 의도한 조명 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법 중 파라미터 인터페이스를 통한 파라미터 조절 트랙을 예시한 개념도이다.
설명의 편의를 위해, 도 2에서 추정된 조명광들에 의한 조명 효과를 이용하여 파라미터 조절 트랙을 예시한다.
도 3을 참조하면, 첫 번째 이미지(31)는 사용자가, 두 개의 조명광이 추정된 3차원 오브젝트에 대해 파라미터를 조절하기 위해, 파라미터 조절 인터페이스를 선택한 상태이다. 사용자는 여러 파라미터들 중에 채도(saturation)을 조절하고 있다. 두 번째 이미지(32)는 채도 파라미터를 조절하기 이전 단계까지 사용자 입력들이 누적된 상태의 데이터 맵을 표시한 것이다. 사용자가 채도를 조절하자 색상이 사라지고 세 번째 이미지(33)에서, 데이터 맵들의 도트들은 모두 회색 도트로 변한다.
이렇게 데이터 맵의 데이터들이 변경된 후에, 네 번째 이미지(34)에서, 변경된 데이터들로써 데이터 클러스터링이 이루어진다. 이전까지 두 개의 클러스터였지만, 이제 데이터들은 하나의 큰 클러스터로 재분할되었다.
다섯 번째 이미지(35)에서, 새로운 클러스터에 대해 새로운 조명광이 추정된다. 이 단계에서 새로 추정된 조명광은, 도 2의 여섯 번째 이미지(26)에 비해, 수가 하나로 줄어들었고, 스포트 앵글은 얼굴과 수염을 모두 조명할 수 있을 정도로 더 넓으며, 채도는 낮다.
도 2의 여섯 번째 이미지(26)에서 추정된 두 개의 조명광들의 채도만 줄인 경우와 비교해보면, 도 3의 다섯 번째 이미지(35)에서 추정된 조명광의 수는 하나이지만, 조명 효과는 두 경우가 거의 유사하다. 하지만, 이후의 렌더링 단계에서, 렌더링 시간은 조명광 수의 차이만큼 나타날 것이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법 중 데이터 매핑 단계를 설명하기 위한 순서도이고, 도 4b는 데이터 매핑 단계를 예시한 개념도이다.
도 4a를 참조하면, 데이터 매핑 단계(S13)는 단계(S41)에서 시작한다.
단계(S41)에서, 조명 효과를 주고자 하는 목표 오브젝트들을 모두 둘러쌀 수 있는 반경 r의 바운딩 스피어가 배치된다.
단계(S42)에서, 매핑 종류가 선택된다. 매핑의 종류는 일반 매핑, 하이라이트 매핑 및 환경 매핑을 포함할 수 있다. 선택된 매핑의 종류에 따라 매핑 함수가 결정될 수 있다. 각각의 매핑에 대해서는 아래에 상세히 설명한다.
일반 매핑은 조명광이 비치는 영역들의 상당 부분이 빛이 퍼지는 현상에 의해 조명된다는 것을 모델링한 람베르시안 셰이딩 모델(Lambertian shading model)에 따라 빛의 방향을 추정하기 위한 매핑이다. 람베르시안 셰이딩 모델에 따르면, 어떤 페인팅된 버텍스
Figure 112009073278921-PAT00050
Figure 112009073278921-PAT00051
빛이 이러한 버텍스의 법선
Figure 112009073278921-PAT00052
Figure 112009073278921-PAT00053
의 반대 방향으로 도달할 때에 가장 강한 명도로 조명된다. 여기서, n은 페인트된 버텍스들의 수를 나타낸다. 이러한 람베르시안 셰이딩 모델에 대한 관찰에 따르면, 빛의 방향에 관한 바람직한 후보 방향은 사용자의 브러시 조작(strokes)에 의해 페인팅된 버텍스들의 법선들의 평균 즉
Figure 112009073278921-PAT00054
Figure 112009073278921-PAT00055
의 반대 방향이다. 평균 연산의 사용은 울퉁불퉁한 표면 기하학 형상에 따른 노이즈를 억제하는 효과도 얻을 수 있다.
바운딩 스피어 표면이 이러한 법선 방향과 교차되는 점들이 바로 매핑된 점들이다. 그러한 교차점들
Figure 112009073278921-PAT00056
Figure 112009073278921-PAT00057
이 매핑의 결과를 나타낸다.
Figure 112009073278921-PAT00058
Figure 112009073278921-PAT00059
는 다음의 수학식과 같은 값들을 포함한다.
Figure 112009073278921-PAT00060
여기서 r은 바운딩 스피어의 반경이고, t는
Figure 112009073278921-PAT00061
Figure 112009073278921-PAT00062
에서 계산될 수 있는, 오브젝트 상의 페인팅된 버텍스와 바운딩 스피어 위에 매핑된 점까지의 거리이다.
하이라이트 매핑은 사용자가 선택한 버텍스들에 집중적으로 하이라이트되는 조명을 모델링한 퐁 스페큘러 모델(Phong specular model)에 의해 매핑될 수 있다. 하이라이트 매핑은 표면 질감이 매끄럽게 보이게 할 수 있다. 퐁 스페큘러 모델에 따르면, 카메라 쪽으로 향하는 방향으로 반사된 빛이 가장 강한 하이라이트를 보인다. 따라서, 카메라 방향에 대해 페인트된 버텍스 상에서 반사된 방향의 반대 방향이 후보 조명광의 위치
Figure 112009073278921-PAT00063
Figure 112009073278921-PAT00064
이다.
환경 매핑은 오브젝트 상의 특정 영역들에 페인팅을 하는 대신에, 사용자는 어떤 구 형태의 환경 이미지(spherical environment image)를 제공하여 이를 이용하여 조명 효과를 줄 수 있다. 환경 이미지는 각 픽셀에 색상 정보를 가지고 있는데, 이러한 정보가 그 구 형상의 중심점을 향하는 빛처럼 투사된다. 환경 이미지 상의 각각의 점들은 극좌표계를 이용하여 바운딩 스피어 상에 매핑된다. 이러한 매핑은 상기 환경 이미지 상의 픽셀들에 상응하여 바운딩 스피어 상의 색상을 결정한다. 이 경우, 후보 조명광들의 방향은 바운딩 스피어 상의 각 지점에서 법선 방향의 반대 방향이고, 이는 상기 구 형상의 중심을 가리킨다. 통상적으로 환경 이미지의 픽셀들은 그 수가 매우 크므로, 모든 픽셀들에 대해 연산한다면 연산 부하가 대단히 크다. 따라서, 렌더링 품질과 성능 상에 균형을 잡을 수 있도록 20x20 픽셀 데이터를 샘플링하여 적용할 수 있다.
단계(S43)에서, 결정된 매핑 함수에 따라, 3차원 오브젝트 상에서 페인팅된 버텍스들이 바운딩 스피어 상의 점들에 매핑된다.
단계(S44)에서, 바운딩 스피어 상의 매핑된 점들을 극좌표계 좌표 성분들 중 크기가 일정한 r을 제외한 두 개의 각도 성분들로써 2차원으로 표시한 2차원 데이터 맵을 얻는다.
도 4b를 참조하면, 도 4a의 단계들에 따라 2차원 데이터 맵으로 매핑되는 과정이 예시되어 있다.
첫 번째 이미지(41)는 사용자의 입력이 3차원 오브젝트 상에 인가된 상태를 나타낸다. 페인팅된 버텍스들은 연두색으로 표시되어 있고, 각 버텍스들의 법선들의 평균 방향은 노란색 화살표로 표시되어 있다. 사용자는 산타 클로스의 얼굴과 수염, 배에 이르는 넓은 범위에 걸쳐 자연스럽게 퍼진 빛이 비치는 조명 효과를 의도하고 있으며, 따라서 선택되는 매핑은 일반 매핑이다.
두 번째 이미지(42)는 페인팅된 버텍스들의 법선들의 평균 방향 및 람베르시안 셰이딩 모델에 따른 매핑 함수에 의해 3차원 오브젝트를 둘러싼 바운딩 스피어 상에 매핑된 결과를 나타낸다.
세 번째 이미지(43)는 매핑된 데이터들이
Figure 112009073278921-PAT00065
Figure 112009073278921-PAT00066
를 각각 축으로 한 2차원 맵에 표시된 데이터 맵을 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법 중 데이터 클러스터링 단계를 설명하기 위한 순서도이고, 도 5b는 본 발명에서 다양한 클러스터링 기법에 따라 데이터 클러스터링을 한 결과를 예시한 도면이다.
본 발명에서 예시되는 데이터 클러스터링 기법은 통상적인 2차원 좌표계로 수집된 데이터들의 클러스터링 기법으로써, 데이터의 성격과 구애되지 않는 일반적인 클러스터링 기법이다. 다만, 두 가지 조건이 고려된다. 클러스터들의 형상은 바운딩 스피어 상에서 비춰질 조명광의 형상에 따라 원형 형상이어야 한다. 타원형이나 그 밖의 비원형 형상은 통상적인 환경에서 일반적인 조명광에 의해 비춰질 수 없다. 또한, 연산은 사용자가 실시간 인터랙션을 기대할 수 있을 만큼 빨라야 한다.
도 5a를 참조하면, 데이터 클러스터링 단계(S14)는 단계(S51)로부터 시작한다.
단계(S51)에서, 데이터 맵은 K-평균(K-means) 기법에 따라 분할된다.
K-평균 기법은
Figure 112009073278921-PAT00067
Figure 112009073278921-PAT00068
로써 정의된다. 여기서, 각 데이터의 위치와 색상 정보가 각각
Figure 112009073278921-PAT00069
Figure 112009073278921-PAT00070
이며, 클러스터는
Figure 112009073278921-PAT00071
Figure 112009073278921-PAT00072
이다. 색상과 위치 정보에 의해 결정된 가중 유클리드 거리 값들의 합이 두 데이터 포인트들
Figure 112009073278921-PAT00073
Figure 112009073278921-PAT00074
와
Figure 112009073278921-PAT00075
Figure 112009073278921-PAT00076
사이의 거리
Figure 112009073278921-PAT00077
Figure 112009073278921-PAT00078
를 다음 수학식과 같이 정의한다.
Figure 112009073278921-PAT00079
여기서, 가중치
Figure 112009073278921-PAT00080
Figure 112009073278921-PAT00081
와
Figure 112009073278921-PAT00082
Figure 112009073278921-PAT00083
를 사용하여, 위치와 색상의 상대적인 기여도(contribution)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 5b를 비롯하여 본 명세서에 예시된 조명 효과 편집 방법의 예시에서는
Figure 112009073278921-PAT00084
Figure 112009073278921-PAT00085
=1이고,
Figure 112009073278921-PAT00086
Figure 112009073278921-PAT00087
=2로 하였다.
K-평균 기법은 클러스터 중심의 초기 위치에 따라 결과가 크게 영향을 받는 점과 클러스터들의 수 k가 사용자에 의해 선험적으로(a priori) 결정되어야 한다는 단점이 있다. 본 발명에서는, 사용자의 브러시 스트로크에 사용자의 의도가 내재되어 있다고 보고, 사용자의 스트로크들을 기초로 K-평균 기법을 수행한다. 예를 들어, 사용자의 브러시 스트로크들의 데이터 평균은 클러스터 중심의 초기 위치에 반영된다. 또한, 사용자 스트로크의 수가 곧 클러스터들의 수 k의 초기 최대값이다.
다만, 사용자의 스트로크가 없는 경우, 예를 들어 환경 매핑에 의해 생성된 데이터 맵이 사용자 스트로그 없이 생성된 경우에는, 클러스터 중심들이 뭉치지 않도록 일정한 간격으로 샘플링하여 K-평균 기법의 클러스터 중심의 초기 값 및 클러스터의 수 k의 최대값을 결정할 수 있다.
단계(S52)에서는, 앞서 분할된 클러스터들에 대해, 클러스터 유효성(cluster validity)를 측정한다. 클러스터 유효성 함수
Figure 112009073278921-PAT00088
Figure 112009073278921-PAT00089
의 계산에 관하여, 예를 들어, 데이비스-볼딘 인덱스(Davies-Bouldin index), 일반화된 던 인덱스(generalized Dunn's index), 레이 유효성 함수(Ray's validity function) 등과 같은 다양한 기법들이 개발되어 있다. 그 중에서, 도 5b에서 알 수 있듯이, 레이 유효성 함수가 가장 적합한 클러스터링 결과를 나타내었다.
이어서, 단계(S53)에서 최적의 클러스터들의 수 k를 결정한다. 계산된 클러스터 유효성 값들에 대해, 최적의 k값
Figure 112009073278921-PAT00090
Figure 112009073278921-PAT00091
이다. 클러스터 유효성 함수로써 레이 유효성 함수를 채택한 경우라면, 최적의 k는 다음 수학식과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112009073278921-PAT00092
여기서,
Figure 112009073278921-PAT00093
Figure 112009073278921-PAT00094
이고,
Figure 112009073278921-PAT00095
Figure 112009073278921-PAT00096
이다. 레이 유효성 함수에 대해서 더욱 상세한 설명은 Ray, S. 및 Turi, R.H의 "Determination of number of clusters in k-means clustering and application in colour image segmentation" Proc. 4th Int. Conf. Advances in Patter Recognition and Digital Techniques, Calcutta, India. (1999) 137-143 문헌을 참조한다.
레이 유효성 함수는 k=1인 경우에는 클러스터 유효성을 계산할 수 없는데, 이 경우에는, 데이터 맵에 다른 데이터와 클러스터링되지 않는 가상 데이터의 인스턴스를 두고 유효성 측정을 할 수 있다.
클러스터 유효성 값이 가장 큰 k 값이 클러스터의 수이고, 그 경우의 클러스터들에 따라, 조명광의 위치, 방향, 색상, 스포트 앵글 등이 추정될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 예시적인 세 개의 데이터 맵에 대해, 각각 레이 함수, 던 인덱스, 데이비스-볼딘 인덱스를 이용한 클러스터링 유효성 연산에 따른 최적 클러스터링 결과가 표의 형태로 예시되어 있다. 청색은 레이 함수, 녹색은 던 인덱스, 적색은 데이비스-볼딘 인덱스를 이용한 클러스터링을 각각 나타낸다.
맨 왼쪽 컬럼은 세 가지 케이스의 데이터 맵을 예시한 것이다. 두 번째 컬럼은 각각의 케이스에 대해, 클러스터 유효성 값들을 계산한 결과이다. 세 번째 컬럼은 각 케이스의 데이터 맵에 대해 예상된 클러스터링 결과이다. 네 번째부터 여섯 번째 컬럼들은 각각 레이 함수 기법, 던 인덱스 기법 및 데이비스-볼딘 인덱스 기법에 따른 최적 클러스터링 결과이다.
케이스 1에서 세 클러스터링 유효성 연산 기법은 k=3에서 유효성 값이 가장 크고, 클러스터링 결과도 거의 유사하다. 케이스 2에서는 던 인덱스 기법에서는 k=2일 때에, 데이비스-볼딘 인덱스 기법에서는 k=3일 때에, 레이 함수 기법에서는 k=5일 때에 각각 유효성 값이 가장 크다. 클러스터링 결과는 던 인덱스 기법과 데이비스-볼딘 인덱스 기법에서 클러스터들이 너무 크게 형성되어 현실적이지 않은 반면, 레이 함수 기법에서는 클러스터들이 현실적이고 적절하다고 볼 수 있다. 케이스 3에서는, 던 인덱스 기법에서는 k=3일 때에, 데이비스-볼딘 인덱스 기법에서는 k=4일 때에, 레이 함수 기법에서는 k=5일 때에 각각 유효성 값이 가장 크다. 클러스터링 결과는 던 인덱스 기법과 데이비스-볼딘 인덱스 기법에서 클러스터들이 너무 크게 형성되어 현실적이지 않은 반면, 레이 함수 기법에서는 클러스터들이 현실적이고 적절하다고 볼 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법에서 클러스터들로 부터 스포트 조명광들을 생성하는 과정을 예시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 첫 번째 이미지(61)와 같은 데이터 맵에서 클러스터링이 완료된 후에, 클러스터들에 기초하여 두 번째 이미지(62)와 같이 스포트 조명광들의 파라미터들이 추정된다.
k번째 클러스터
Figure 112009073278921-PAT00097
Figure 112009073278921-PAT00098
는 광원의 위치, 광의 방향, 색상 및 스포트 앵글 등의 조명광 파라미터들의 계산에 의해 스포트 조명광
Figure 112009073278921-PAT00099
Figure 112009073278921-PAT00100
로 변환된다. 이때, 조명광 파라미터들은 조명 광원에서 나온 빛이 바운딩 스피어 상의 매핑 데이터
Figure 112009073278921-PAT00101
Figure 112009073278921-PAT00102
를 통과하여 오브젝트 상의 상응하는 버텍스
Figure 112009073278921-PAT00103
Figure 112009073278921-PAT00104
에 도달하도록 계산된다.
먼저 각 파라미터들의 평균 값들이 연산된다. 예를 들어, k번째 클러스터
Figure 112009073278921-PAT00105
Figure 112009073278921-PAT00106
에 속하는 i번째 데이터를
Figure 112009073278921-PAT00107
Figure 112009073278921-PAT00108
라고 할 경우에, 평균 값은
Figure 112009073278921-PAT00109
Figure 112009073278921-PAT00110
으로 계산될 수 있다. 여기서, n은 k번째 클러스터의 요소들의 수이다.
도 6의 스포트 조명광
Figure 112009073278921-PAT00111
Figure 112009073278921-PAT00112
에 관하여, 광의 방향
Figure 112009073278921-PAT00113
Figure 112009073278921-PAT00114
과
Figure 112009073278921-PAT00115
Figure 112009073278921-PAT00116
는 서로 상관되는 매핑 데이터와 버텍스 사이의 관계로부터 평균 값들을 계산하는 과정에서 직접 얻을 수 있다. 조명 광원의 위치
Figure 112009073278921-PAT00117
Figure 112009073278921-PAT00118
는 클러스터의 중심에서
Figure 112009073278921-PAT00119
Figure 112009073278921-PAT00120
의 방향으로 얼마간 떨어진 위치에서 결정될 수 있다. 스포트 앵글은 광의 방향과, 클러스터링 된 데이터의 목표 위치
Figure 112009073278921-PAT00121
Figure 112009073278921-PAT00122
의 방향 사이의 최대 각도이다. 각각의 스포트 조명광
Figure 112009073278921-PAT00123
Figure 112009073278921-PAT00124
는 다음 수학식과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112009073278921-PAT00125
여기서,
Figure 112009073278921-PAT00126
Figure 112009073278921-PAT00127
은 광원과 바운딩 스피어 사이의 거리이고, 사용자가 설정할 수 있는 값이다. 만약, 파라미터 조절 인터페이스를 통해 오버슛 및 셰도우 파라미터들이 조절되는 경우에는, 이들 파라미터들은 위에서 변환된 스포트 조명광들 전체에 적용될 수 있다.
나아가, 본 발명에서 편집할 수 있는 조명광에는, 위와 같이 클러스터로부터 변환되는 스포트 조명광과 앰비언트 조명광이 있다. 앰비언트 조명광은 어떤 장면의 최소 밝기로써, 오프셋 파라미터의 조절에 의해 설정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 장치를 예시한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 조명 효과 편집 장치(70)는 스케칭 인터페이스(71), 파라미터 조절 인터페이스(72), 데이터 매핑부(73), 데이터 클러스터링부(74) 및 조명광 추정부(75) 및 렌더링부(76)를 포함할 수 있다.
스케칭 인터페이스(71)는 사용자가 이를 통해 3차원 오브젝트의 버텍스에 브 러시 페인팅, 또는 직접 매핑을 통해 의도하는 조명 효과를 입력할 수 있다. 파라미터 조절 인터페이스(72)는, 사용자가 이를 통해 3차원 오브젝트의 매핑 데이터에 대하여 각종 파라미터들, 예를 들어, 이득, 명암비, 색조, 채도, 및 색상 보정을 조절할 수 있다. 또한 파라미터 조절 인터페이스(72)는 사용자가 오프셋, 오버슛 및 셰도우 파라미터들도 조절할 수 있게 한다.
데이터 매핑부(73)는 사용자가 스케칭 인터페이스(71)를 통해 입력한 사용자 입력이 가해진 버텍스들과 상기 3차원 오브젝트를 둘러싸는 바운딩 스피어 상의 점들 사이를 소정의 매핑 함수에 의해, 예를 들어 람베르시안 셰이딩 모델에 따라 매핑함으로써 매핑 데이터를 산출한다.
데이터 클러스터링부(74)는 상기 데이터 매핑부(73)에 의해 산출된 매핑 데이터, 또는 상기 파라미터 조절 인터페이스(72)를 통해 사용자가 변경한 매핑 데이터를 소정의 클러스터링 기법, 예를 들어 레이 함수 및 레이 유효성 함수에 따라 클러스터링하여 최적 개수의 클러스터들을 산출한다.
조명광 추정부(75)는 상기 산출된 최적 개수의 클러스터들 각각을 기초로 스포트 조명광들의 파라미터들, 예를 들어, 조명 방향, 조명 색상, 광원 위치, 스포트 앵글 등을 추정한다.
렌더링부(76)는 조명광 추정부(75)에 의해 추정된 스포트 조명광들 또는 오프셋의 조절에 의한 앰비언트 조명광에 따라, 3차원 오브젝트에 조명 효과를 부여한 장면을 생성하여, 디스플레이에 제공한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법에서 스케칭 인터 페이스를 통해 조명광 추정을 수행하는 시나리오를 예시한 도면이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법에서 파라미터 인터페이스를 통해 전체 조명감 보정을 수행하는 시나리오를 예시한 도면이며, 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법을 통해 배경과 오브젝트들에 조명 효과를 주는 과정을 예시한 도면이고, 도 8d는 종래 기술의 환경 매핑 결과와, 본 발명의 실시예에 따른 조명 효과 편집에서의 환경 매핑 결과를 시간과 품질 면에서 비교한 도면이다.
도 8a를 참조하면, 스케칭 인터페이스를 통하여 조명광들을 설정하는 과정이 표의 형식으로 예시되어 있다. 각 행은 각 차례의 이터레이션이고, 각 열은 매 이터레이션마다 사용자 입력이 있기 전의 뷰포트(viewport), 사용자 입력이 인가되는 중인 뷰포트 및 사용자 입력에 따른 실시간 피드백을 포함하는 뷰포트를 나타낸다.
첫 이터레이션에서, 뷰포트에 코끼리를 3차원으로 묘사한 3차원 오브젝트가 표시되어 있고, 이 코끼리의 귀 부분에 사용자가 휘도를 변경하는 브러시를 페인팅하였고, 귀 부분을 비추는 조명광이 추정되어 피드백 표시되었다. 다음 이터레이션에서, 코끼리의 귀 부분을 비추는 조명광이 추정된 상태에서, 이번에는 사용자가 코끼리의 코 부분에 휘도를 추가로 변경하자, 코 부분의 매핑된 데이터 맵이 또 하나의 클러스터로 분류되고, 코 부분을 비추는 두 번째 조명광이 추정되었다.
세 번째 이터레이션에서, 사용자는 코끼리의 이마 부분에 브러시로 페인팅하였고, 귀 부분과 코 부분 및 이마 부분의 매핑된 데이터 맵이 하나의 클러스터로 결합되면서, 하나의 새로운 조명광이 설정되었다.
네 번째 이터레이션에서, 사용자는 코끼리의 눈 부분에 불그스름한 색상으로 조명이 비추도록 브러시를 페인팅하였고, 이 부분은 앞서의 하나의 조명광과 다른 클러스터로 분류되어 새 조명광이 추가로 추정되었다.
이처럼, 본 발명에 따르면, 렌더링 시간과 장면의 품질 사이에서 밸런스를 유지하면서 사용자의 의도 대로 조명 효과를 편집할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 파라미터 인터페이스를 통하여 전체적인 조명감을 설정하는 과정이 예시되어 있다. 도 8b에서, 두개골 형상의 3차원 오브젝트는 이득, 색조, 채도 및 색상 보정 순으로 파라미터들의 조절이 인가된다. 도 8b에서 3차원 오브젝트는 조명광의 효과를 극대화할 수 있도록 무채색으로 채색되어 있다. 오른쪽 컬럼은 각각의 파라미터 조절에 따른 히스토그램을 나타낸다.
첫 이미지에서 애초에 5 개의 스포트 조명광들이 각각의 위치에서 조명 효과를 주고 있음을 알 수 있다. 먼저 사용자가 이 오브젝트에 대한 조명광들의 이득을 조절하자, 어두운 픽셀들이 줄어들고 밝은 픽셀들이 늘어났다. 다음으로, 사용자는 조명광의 색조를 차갑게 조절하였다. 이어서 사용자는 조명광의 채도를 무채색으로 만들었다. 이때, 사용자의 무채색 파라미터 입력에 의해 데이터 맵에서 데이터 클러스터링이 다시 설정되고 결합되어, 조명광의 수는 4 개로 줄었다. 마지막으로 사용자는 조명광의 색상을 녹색톤으로 만들었다.
이처럼, 본 발명에 따르면 조명 효과를 파라미터들의 조절을 통해 쉽게 편집할 수 있고, 그러한 조명 효과를 얻기 위한 조명광의 수가 최적화되므로, 렌더링 시간도 최소화될 수 있다.
도 8c를 참조하면, 복잡한 다수의 오브젝트들과 배경을 가지고 조명 효과를 편집하는 실제 예제가 나타나 있다. 두 마리의 코끼리들은 총 85,024개의 삼각형들로 이루어진 오브젝트이다. 각각의 케이스마다 몇 번의 이터레이션을 거쳐 최종 결과가 얻어졌다. 예를 들어 맨 우측의 케이스 3에서, 데이터 맵은 총 11,016개의 데이터로 구축되었고, 매 이터레이션마다 이들로부터 8개의 조명광들을 추정하는 데에 약 0.374초가 걸렸다. 이 정도의 반환 시간은 사용자가 불편함 없이 자신의 입력을 사실상 실시간으로 피드백 받으면서 조명 효과를 편집할 수 있는 시간이다. 각 케이스들은 2년 경력의 아마추어 애니메이터에 의해 최종 결과까지 약 10분에서 20분 정도의 시간이 소요되었다.
도 8d를 참조하면, 멘탈 레이(Mental-Ray)에서 IBL(image-based lighting)를 이용한 결과와, 본 발명의 실시예에 따른 조명 효과 편집에서 환경 매핑한 결과가 시간과 품질 면에서 비교된다. 모든 이미지들은 동일한 조건에서 산출되었다.
IBL을 통한 산출물(왼쪽)은 대단히 높은 품질이지만, 해당 프레임 한 장을 산출하기 위해 16초가 걸렸다. 반면에, 본 발명에 따른 조명 효과 편집 방법의 환경 매핑에 의한 산출물(가운데)은 19 개의 조명광들로써 5.8초 만에 무난한 품질을 가지고 산출되었다. 본 발명에 따른 조명 효과 편집 방법의 환경 매핑을 하드웨어 렌더링한 결과, 동일한 프레임은 0.1초 만에 산출되었다.
통상적으로 IBL은 대량의 렌더링 연산 후에 고품질의 결과물을 내놓는다. 산출 시간이 중요한 상황에서라면, IBL은 속도와 이미지 품질 사이에 유연한 트레 이드오프를 판단하기 어렵다. 반면에, 본 발명에 따른 조명 효과 편집 방법에서는, 속도와 이미지 품질 사이에서 다양한 수준의 트레이드오프를 결정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법을 예시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법 중 스케칭 인터페이스를 통한 스케칭 트랙을 예시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법 중 파라미터 인터페이스를 통한 파라미터 조절 트랙을 예시한 개념도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법 중 데이터 매핑 단계를 설명하기 위한 순서도이고, 도 4b는 데이터 매핑 단계를 예시한 개념도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법 중 데이터 클러스터링 단계를 설명하기 위한 순서도이고, 도 5b는 본 발명에서 다양한 클러스터링 기법에 따라 데이터 클러스터링을 한 결과를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법에서 클러스터들로부터 스포트 조명광들을 생성하는 과정을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 장치를 예시한 블록도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법에서 스케칭 인터페이스를 통해 조명광 추정을 수행하는 시나리오를 예시한 도면이고, 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법에서 파라미터 인터페이스를 통해 전 체 조명감 보정을 수행하는 시나리오를 예시한 도면이며, 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 효과 편집 방법을 통해 배경과 오브젝트들에 조명 효과를 주는 과정을 예시한 도면이고, 도 8d는 종래 기술의 환경 매핑 결과와, 본 발명의 실시예에 따른 조명 효과 편집에서의 환경 매핑 결과를 시간과 품질 면에서 비교한 도면이다.

Claims (20)

  1. 사용자의 입력에 따라 예측 가능한 조명 효과를 피드백하여 3차원 그래픽의 조명 효과를 편집하는 방법으로서,
    사용자가 3차원 오브젝트의 버텍스(vertex)에 원하는 조명 효과를 입력할 수 있는 스케칭 인터페이스(sketching interface)를 제공하는 단계;
    상기 스케칭 인터페이스를 통해 사용자의 조명 효과 입력이 인가된 버텍스들을 상기 3차원 오브젝트를 둘러 싸는 바운딩 스피어(bounding sphere)의 점들에 소정의 매핑 함수에 따라 매핑하여, 매핑된 점들의 데이터를 포함하는 데이터 맵을 산출하는 단계;
    상기 데이터 맵 상의 데이터들을 클러스터링하여 클러스터들을 산출하는 단계; 및
    상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들(spot light)을 생성하는 단계를 포함하는 조명 효과 편집 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스케칭 인터페이스는 상기 3차원 오브젝트의 표면 질감의 특성이 일반 매핑인지 하이라이트 매핑인지 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 스케칭 인터페이스는 상기 3차원 오브젝트의 버텍 스들에 다수의 조명 효과들의 데이터를 누적시킬 수 있도록 사용자의 입력을 브러시 스트로크를 통해 인가할 수 있는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 데이터 맵을 산출하는 단계는
    상기 스케칭 인터페이스를 통해 사용자의 입력이 인가된 버텍스들의 법선들의 평균 방향으로 투사된 상기 버텍스들이 상기 바운딩 스피어의 표면과 교차하는 점들을 상기 버텍스들과 매핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 매핑 함수는 람베르시안 셰이딩 모델(Lambertian shading model)에 따른 매핑 함수인 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 매핑 함수는 퐁 스페큘러 모델(Phong specular model)에 따른 매핑 함수인 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 매핑 함수는 환경 매핑(environment mapping)에 따른 매핑 함수이고, 환경 이미지(environment image)의 복수의 픽셀 데이터들을 샘플링하여 매핑하는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 클러스터들을 산출하는 단계는,
    상기 데이터 맵의 데이터들을 K-평균 기법을 통해 k개(
    Figure 112009073278921-PAT00128
    Figure 112009073278921-PAT00129
    ,
    Figure 112009073278921-PAT00130
    Figure 112009073278921-PAT00131
    는 클러스터 중심이 서로 뭉치지 않도록 일정한 간격으로 상기 데이터 맵의 데이터들을 샘플링할 수 있는 최대 샘플링 횟수)로 클러스터링하는 단계;
    상기 k개의 클러스터들에 대해 클러스터 유효성을 측정하는 단계; 및
    가장 큰 클러스터 유효성을 가지는 k개의 클러스터들을 최적의 클러스터들로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 클러스터들을 산출하는 단계는,
    상기 데이터 맵의 데이터들을 K-평균 기법을 통해 k개(
    Figure 112009073278921-PAT00132
    Figure 112009073278921-PAT00133
    ,
    Figure 112009073278921-PAT00134
    Figure 112009073278921-PAT00135
    는 사용자 입력 스트로크의 횟수)의 클러스터들로 클러스터링하는 단계;
    상기 k개의 클러스터들에 대해 클러스터 유효성을 측정하는 단계; 및
    가장 큰 클러스터 유효성을 가지는 k개의 클러스터들을 최적의 클러스터들로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 K-평균 기법에 적용하는 클러스터 중심의 초기 위치는 사용자 입력 스트로크에 의한 입력 데이터들의 위치들의 평균에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 클러스터 유효성은 레이 함수에 의해 측정되며,
    상기 최적의 클러스터들의 개수는
    Figure 112009073278921-PAT00136
    Figure 112009073278921-PAT00137
    인 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 데이터 맵은 상기 바운딩 스피어 상에 매핑된 데이터들의 극좌표 값들에서 반지름을 제외한 각도 성분을 2차원적으로 배열한 것임을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들을 생성하는 단계는,
    스포트 조명광들
    Figure 112009073278921-PAT00138
    Figure 112009073278921-PAT00139
    (
    Figure 112009073278921-PAT00140
    Figure 112009073278921-PAT00141
    ,
    Figure 112009073278921-PAT00142
    Figure 112009073278921-PAT00143
    는
    Figure 112009073278921-PAT00144
    Figure 112009073278921-PAT00145
    의 최대값)의 광원 위치, 방향, 색상 및 스포트 앵글(spot angle)이 각각
    Figure 112009073278921-PAT00146
    에 의해 생성되며, 여기서
    Figure 112009073278921-PAT00147
    Figure 112009073278921-PAT00148
    은 클러스터
    Figure 112009073278921-PAT00149
    Figure 112009073278921-PAT00150
    에 속하는 데이터들의 위치 평균이고,
    Figure 112009073278921-PAT00151
    Figure 112009073278921-PAT00152
    은 사용자가 지정한 조명광과 바운딩 스피어 사이의 거리이며,
    Figure 112009073278921-PAT00153
    Figure 112009073278921-PAT00154
    은 조명광
    Figure 112009073278921-PAT00155
    Figure 112009073278921-PAT00156
    의 방향이며,
    Figure 112009073278921-PAT00157
    Figure 112009073278921-PAT00158
    은 클러스터
    Figure 112009073278921-PAT00159
    Figure 112009073278921-PAT00160
    에 속하는 데이터들의 평균 법선 방향이고,
    Figure 112009073278921-PAT00161
    Figure 112009073278921-PAT00162
    은 클러스터
    Figure 112009073278921-PAT00163
    Figure 112009073278921-PAT00164
    에 속하는 데이터들의 평균 색상이며,
    Figure 112009073278921-PAT00165
    은 조명광
    Figure 112009073278921-PAT00167
    Figure 112009073278921-PAT00168
    의 광원의 위치이고,
    Figure 112009073278921-PAT00169
    Figure 112009073278921-PAT00170
    는 클러스터
    Figure 112009073278921-PAT00171
    Figure 112009073278921-PAT00172
    에 속하는
    Figure 112009073278921-PAT00173
    Figure 112009073278921-PAT00174
    번째 데이터가 목표하는 버텍스의 위치인 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  14. 사용자의 입력에 따라 예측 가능한 조명 효과를 피드백하여 3차원 그래픽의 조명 효과를 편집하는 방법으로서,
    사용자가 데이터 맵의 파라미터들을 조절할 수 있는 파라미터 조절 인터페이스를 제공하는 단계;
    상기 파라미터 조절 인터페이스를 통해 인가된 사용자의 파라미터 조절 입력을 상기 데이터 맵에 반영하는 단계;
    상기 반영된 데이터 맵 상의 데이터들을 클러스터링하여 클러스터들을 산출하는 단계; 및
    상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들을 생성하는 단계를 포함하는 조명 효과 편집 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 데이터 맵의 파라미터들은 적어도 각 색상 성분들의 이득(gain), 명암비(contrast), 색조(hue), 채도(saturation), 색보정(color balance)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 데이터 맵의 파라미터들은 적어도 오프셋(offset)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 오프셋 파라미터의 조절에 의해 3차원 그래픽 장면의 앰비언트 조명광(ambient light)을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 효과 편집 방법.
  18. 사용자의 입력에 따라 예측 가능한 조명 효과를 피드백하여 3차원 그래픽의 조명 효과를 편집하는 방법으로서,
    사용자가 3차원 오브젝트의 버텍스에 원하는 조명 효과를 입력할 수 있는 스케칭 인터페이스 또는 사용자가 데이터 맵의 파라미터들을 조절할 수 있는 파라미터 조절 인터페이스를 제공하는 단계;
    상기 스케칭 인터페이스를 통해 사용자의 조명 효과 입력이 인가된 버텍스들을 상기 3차원 오브젝트를 둘러싸는 바운딩 스피어의 점들에 소정의 매핑 함수에 따라 매핑하여, 매핑된 점들의 데이터를 포함하는 데이터 맵을 산출하는 단계;
    상기 파라미터 조절 인터페이스를 통해 인가된 사용자의 파라미터 조절 입력 을 상기 데이터 맵에 반영하는 단계;
    상기 데이터 맵 상의 데이터들을 클러스터링하여 클러스터들을 산출하는 단계; 및
    상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들을 생성하는 단계를 포함하는 조명 효과 편집 방법.
  19. 사용자의 입력에 따라 예측 가능한 조명 효과를 피드백하여 3차원 그래픽의 조명 효과를 편집하는 조명 효과 편집 장치로서,
    사용자가 3차원 오브젝트의 버텍스에 원하는 조명 효과를 입력할 수 있는 스케칭 인터페이스;
    사용자가 데이터 맵의 파라미터들을 조절할 수 있는 파라미터 조절 인터페이스;
    상기 스케칭 인터페이스를 통해 사용자의 조명 효과 입력이 인가된 버텍스들을 상기 3차원 오브젝트를 둘러 싸는 바운딩 스피어의 점들에 소정의 매핑 함수에 따라 매핑하여 매핑된 점들의 데이터를 포함하는 데이터 맵을 산출하며, 상기 파라미터 조절 인터페이스를 통해 인가된 사용자의 파라미터 조절 입력을 상기 데이터 맵에 반영하는 데이터 매핑부;
    상기 데이터 맵 상의 데이터들을 클러스터링하여 클러스터들을 산출하는 데이터 클러스터링부; 및
    상기 클러스터들을 기초로 스포트 조명광들을 생성하는 조명광 추정부를 포 함하는 조명 효과 편집 장치.
  20. 컴퓨터를 청구항 18의 조명 효과 편집 장치로써 기능시키기 위한 프로그램이 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체.
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