그래픽스 시스템과 모델

그래픽스 시스템과 모델그래픽스 시스템과 모델

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

컴퓨터 그래픽스의 응용컴퓨터 그래픽스의 응용

정보의 표시

설계

시뮬레이션

사용자 인터페이스

정보의 표시정보의 표시

건축 도면 지도 통계 데이터 표현 의학과학적 시각화

피부 : 투명 근육 : 불투명

지구 멘틀 - 등온도면

CT, MRICT, MRI

3 차원 이미지 생성

CT (Computed Tomography)MRI (Magnetic Resonance Imaging)

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

VLSI 회로 설계

기계

건축설계건축설계

Wireframe 투시 렌더링

반복적 설계과정반복적 설계과정

설계도구를 이용한 설계 설계의 가시화 설계의 테스트 - 시뮬레이션 설계의 수정

시뮬레이션 시뮬레이션

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

시뮬레이션 시뮬레이션 (con’t)(con’t)

TV, 영화 , 광고 사진 수준의 이미지 생성

영화의 장면 : 공장 내부 로봇 “ Ed”

영화의 장면들영화의 장면들

실제로는 만들기 불가능한 장면실제로는 만들기 불가능한 장면

고급 렌더링 기법들 고급 렌더링 기법들

광선 추적(Ray Tracing)

기법 방사성 (Radiosity)

기법

조명 , 무늬 ,

환경 사상

가상현실가상현실

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

손의 상태 감지 센서

Avatar : 가상 공간에서 서로 상호

작용

사용자 인터페이스사용자 인터페이스

윈도우 , 아이콘 , 메뉴 활용지시장치 – 마우스

예 ) Windows ME X- 윈도우 웹 브라우저

그래픽스 시스템그래픽스 시스템

범용 컴퓨터 시스템의 구성 요소들을 모두 포함

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

해상도 : 픽셀의 수 , 그림의 정밀도 결정

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

이미지 이미지 : : 물리적물리적 , , 합성합성

물리적 이미지 카메라나 인간의 시각 시스템 등의 광학 시스템에 의해 생성

물리적 영상획득과정 ( 사람 )

물리적 영상획득과정 ( 카메라 )

망막

필름

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

합성 이미지 컴퓨터에 의해 생성

물리적 이미지와 합성 이미지의 형성 과정이 비슷

물리적 영상획득의 시뮬레이션

객체와 관측자객체와 관측자

이미지 형성의 두 요소 객체

• 이미지 형성 과정이나 관측자에 무관하게 공간상에 존재

관측자• 객체들의 이미지를 형성하는 주체

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

빛 빛 (Light)(Light)

전자기파의 한 형태파장 : 350nm - 780nm

그림 1.8 : The Electromagnetic Spectrum

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

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 )

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

삼색 이론삼색 이론

세가지 추상체의 감도 곡선 세가지 추상체 필름이나 CRT 에 세가지 색을

사용

바늘 구멍 카메라바늘 구멍 카메라

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

바늘 구멍 카메라의 투영바늘 구멍 카메라의 투영

• y : z = yp : d• x : z = xp : d

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

합성 카메라 모형 합성 카메라 모형 (con’t)(con’t)

단순 삼각 함수 계산으로 이미지를 계산• 필름을 렌즈 앞쪽으로 이동

합성 카메라 모형 합성 카메라 모형 (con’t)(con’t)

이미지 생성 모델

투영선 (Projector)

투영중심 (Center of Projection)

투영면

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

응용 프로그래머 인터페이스응용 프로그래머 인터페이스

그래픽 시스템과의 상호 작용 API 를 통한 인터페이스

그래픽스 시스템에 대한 응용 프로그래머의 모델

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

APIAPI 함수들함수들

객체관측자광원재질의 특성

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();

관측자 정의관측자 정의

기본적으로 필요한 명세 위치 방향 초점 거리 필름 면

OpenGLOpenGL 의 관측자 명세의 관측자 명세

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

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

일련의 이미지들 일련의 이미지들 (con’t)(con’t)

선구조 이미지 평면 다각형 (2 차원으로 보임 )

광원 , 단순 음영법 사용 세련된 음영법 사용

무늬 사상 프랙탈

안개효과

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

그래픽스 시스템 구조그래픽스 시스템 구조

초기 그래픽 시스템

디스플레이 처리기디스플레이 처리기

Display-processor 구조

산술 연산의 파이프라인

이미지 생성 과정이 파이프라인 구조에 적합 많은 정점을 비슷한 방식으로 처리

파이프라인 구조파이프라인 구조

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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