그래픽스 시스템과 모델

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그래픽스 시스템과 모델그래픽스 시스템과 모델


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컴퓨터 그래픽스의 응용 그래픽스 시스템 물리적 이미지 / 합성이미지 인간의 시각 시스템 바늘구멍 카메라 합성 카메라 모형 프로그래머 인터페이스 그래픽스 구조


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컴퓨터 그래픽스의 응용컴퓨터 그래픽스의 응용

정보의 표시

설계

시뮬레이션

사용자 인터페이스


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정보의 표시정보의 표시

건축 도면 지도 통계 데이터 표현 의학과학적 시각화

피부 : 투명 근육 : 불투명

지구 멘틀 - 등온도면


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CT, MRICT, MRI

3 차원 이미지 생성

CT (Computed Tomography)MRI (Magnetic Resonance Imaging)


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설계 설계 ((CAD : Computer Aided Design)CAD : Computer Aided Design)

VLSI 회로 설계

기계


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건축설계건축설계

Wireframe 투시 렌더링


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반복적 설계과정반복적 설계과정

설계도구를 이용한 설계 설계의 가시화 설계의 테스트 - 시뮬레이션 설계의 수정


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시뮬레이션 시뮬레이션

비행 시뮬레이션 : 조종사 훈련로봇 시뮬레이터 로봇의 설계 , 이동 경로 계획 , 행동 시뮬레이션


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시뮬레이션 시뮬레이션 (con’t)(con’t)

TV, 영화 , 광고 사진 수준의 이미지 생성

영화의 장면 : 공장 내부 로봇 “ Ed”


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영화의 장면들영화의 장면들


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실제로는 만들기 불가능한 장면실제로는 만들기 불가능한 장면


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고급 렌더링 기법들 고급 렌더링 기법들

광선 추적(Ray Tracing)

기법 방사성 (Radiosity)

기법

조명 , 무늬 ,

환경 사상


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가상현실가상현실

HMD, 위치 추적 , 힘 - 감지 글러브수술 훈련 , 우주 비행사 훈련

HMD

손의 상태 감지 센서

Avatar : 가상 공간에서 서로 상호

작용


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사용자 인터페이스사용자 인터페이스

윈도우 , 아이콘 , 메뉴 활용지시장치 – 마우스

예 ) Windows ME X- 윈도우 웹 브라우저


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그래픽스 시스템그래픽스 시스템

범용 컴퓨터 시스템의 구성 요소들을 모두 포함


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픽셀과 프레임 버퍼픽셀과 프레임 버퍼

프레임 버퍼 픽셀이 저장되는 메모리

프레임 버퍼의 깊이 (depth)• 각 픽셀에 사용된 비트 수• 24 비트

대부분의 이미지를 사실적으로 표현 전색 (Full-color) = 진색 (true color) = RGB color 라

함

해상도 : 픽셀의 수 , 그림의 정밀도 결정


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출력 장치출력 장치

가장 보편적인 출력 장치 래스터 주사 (raster scan) CRT

재생 (Refresh) 인광체가 빛을 발하는 시간이 극히 짧음 최소 50 Hz 이상 재생 필요


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이미지 이미지 : : 물리적물리적 , , 합성합성

물리적 이미지 카메라나 인간의 시각 시스템 등의 광학 시스템에 의해 생성

물리적 영상획득과정 ( 사람 )

물리적 영상획득과정 ( 카메라 )

망막

필름


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이미지 이미지 : : 물리적물리적 , , 합성 합성 (con’t)(con’t)

합성 이미지 컴퓨터에 의해 생성

물리적 이미지와 합성 이미지의 형성 과정이 비슷

물리적 영상획득의 시뮬레이션


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객체와 관측자객체와 관측자

이미지 형성의 두 요소 객체

• 이미지 형성 과정이나 관측자에 무관하게 공간상에 존재

관측자• 객체들의 이미지를 형성하는 주체


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빛 과 이미지빛 과 이미지

빛이 없으면 이미지에 아무것도 보이지 않음

그림 1.7 : A camera system with a light source

물리적 접근

- 광원 물체의 표면 반사광 카메라 렌즈


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빛 빛 (Light)(Light)

전자기파의 한 형태파장 : 350nm - 780nm

그림 1.8 : The Electromagnetic Spectrum


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광선 추적 광선 추적 ((Ray Tracing)Ray Tracing)

광원으로부터 광선을 따라감으로써 이미지 형성의 모형 설정

광선 (ray) : 한 점으로부터 나가서 특정 방향으로 무한하게 진행하는 반직선

광선과 표면의 상호 작용 정반사 (specular) : 거울 난반사 (diffuse) : 백묵 굴절 : 투명 유리 , 물


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인간의 시각 시스템인간의 시각 시스템

각막 (cornea)수정체 (lens)홍체 (iris)망막 (retina)간상체 (rod) : 야간추상체 (cone) : 주간 , 3 가지 종류 ( 각각 다른 파장에 반응 )


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인간의 시각 시스템 인간의 시각 시스템 (con’t)(con’t)

조도 (Intensity) : 빛 에너지의 물리적인 척도휘도 (brightness) : 사람이 인식하는 빛의 세기 녹색에 보다 민감

CIE 표준 관측자 곡선

녹색 영역


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삼색 이론삼색 이론

세가지 추상체의 감도 곡선 세가지 추상체 필름이나 CRT 에 세가지 색을

사용


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바늘 구멍 카메라바늘 구멍 카메라

기하학적 모형에 근거한 이미지 형성 방법 카메라의 방향 z 축 한 점으로부터는 하나의 광선만 통과


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바늘 구멍 카메라의 투영바늘 구멍 카메라의 투영

• y : z = yp : d• x : z = xp : d

dz

yy

dz

xx

p

p


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합성 카메라 모형합성 카메라 모형

합성카메라 모형 컴퓨터에 의한 이미지 생성이 광학 시스템을

이용한 이미지 생성과 비슷한 것으로 봄

몇 가지 원리들 객체는 관측자에

독립적으로 기술됨 삼각함수에 연산에

의해 이미지 계산 가능


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합성 카메라 모형 합성 카메라 모형 (con’t)(con’t)

단순 삼각 함수 계산으로 이미지를 계산• 필름을 렌즈 앞쪽으로 이동


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합성 카메라 모형 합성 카메라 모형 (con’t)(con’t)

이미지 생성 모델

투영선 (Projector)

투영중심 (Center of Projection)

투영면


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화각 화각 (FOV : Field Of View)(FOV : Field Of View)

투영면에 절단 윈도우 (clipping window) 를 정의함으로써 화각을 기술

클리핑 (a) 원래 위치 (b) 이동된 윈도우


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응용 프로그래머 인터페이스응용 프로그래머 인터페이스

그래픽 시스템과의 상호 작용 API 를 통한 인터페이스

그래픽스 시스템에 대한 응용 프로그래머의 모델


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응용 프로그래머 인터페이스응용 프로그래머 인터페이스

하드웨어에 대한 구체적인 내용을 알 필요가 없도록 해줌

합성 카메라 모형이 OpenGL, PHIGS, GKS-3D 등의 API 들의 기반이 됨 객체 , 관측자 , 광원 , 표면 재질들에 대한 지정

함수가 필요


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APIAPI 함수들함수들

객체관측자광원재질의 특성


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객체 객체 (Object)(Object)

API 에서 제공하는 기본 객체 점 , 선분 , 사각형 , 다각형 , 텍스트 등

OpenGL 의 삼각형 정의

glBegin(GL_POLYGON); glVertex3f(0.0, 0.0, 0.0); glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0); glVertex3f(0.0, 0.0, 1.0);glEnd();


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관측자 정의관측자 정의

기본적으로 필요한 명세 위치 방향 초점 거리 필름 면


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OpenGLOpenGL 의 관측자 명세의 관측자 명세

gluLookAt(cop_x,cop_y,cop_z, at_x, at_y, at_z, ...);gluPerspective(field_of_view, …);


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일련의 이미지들일련의 이미지들

색 그림판 선 구조 이미지 (wireframe image) 평면 다각형 (2 차원으로 보임 ) 평면 다각형 ( 은면 제거 알고리즘이 수행됨 ) 광원 사용 , 단순 음영법 (flat shading) 사용 세련된 음영법 사용 (smooth shading) 무늬 사상 (texture mapping) 사용 프랙탈 (fractals) 안개 효과 사용


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일련의 이미지들 일련의 이미지들 (con’t)(con’t)

선구조 이미지 평면 다각형 (2 차원으로 보임 )


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광원 , 단순 음영법 사용 세련된 음영법 사용


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무늬 사상 프랙탈


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안개효과


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모델링 모델링 - - 렌더링 패러다임렌더링 패러다임

모델링 - 렌더링 패러다임 모델링과 렌더링을 분리할 수 있음 모델링 : 고도로 대화적 , 상세한 이미지 작업 불필요 그래픽 워크스테이션에서 실행 렌더링 : 방대한 계산필요 , 계산 전용기계에서 실행

The modeling-rendering pipeline

모델기 렌더기중간파일


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그래픽스 시스템 구조그래픽스 시스템 구조

초기 그래픽 시스템


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디스플레이 처리기디스플레이 처리기

Display-processor 구조


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산술 연산의 파이프라인

이미지 생성 과정이 파이프라인 구조에 적합 많은 정점을 비슷한 방식으로 처리

파이프라인 구조파이프라인 구조


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기하 파이프라인기하 파이프라인

정점들

변환변환

절단절단

투영투영

래스터화래스터화

화소들

변환 : 객체 좌표계 카메라 좌표계 스크린 좌표계

절단 : 화각 밖의 객체를 제거

투영 : 3 차원 객체 2 차원 객체

래스터화 : 객체 프레임 버퍼의 화소

그래픽스 시스템과 모델

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