컴퓨터그래픽스 분야의 기술 현황

 Computer graphics
 전산학의 한 분야
 외양 : 화려하고 세련된 느낌
 내부 : 수학 계산이 필수적인 학문 분야
 지난 40년 사이에 고급 학문에서, 실생활로

< 40년 전 / 후 >

 디자인 관점에서의 접근
 미술 도구로서 사용
 얼마나 미학적인가?

 공학/전산학적 접근
 프로그램의 개발
 얼마나 효율적인가?

 가장 접근하기 쉬운 예
 최초 : 그래픽스의 한 분야
 현재 : 항상 적용되어야 한다 ?

 

 국제 표준화 기구의 정의
 컴퓨터를 이용하여
화면으로의 또는 화면으로부터의 데이터들을
변환하는 방법 및 기술
 methods and techniques for converting data to and from a graphic display via
computer
 너무나 광범위하다...
 각 분야들을 통해서, 전체를 보는 관점

 

그래픽스 하드웨어의 발달 (1/5)
 60년대의 컴퓨터 구조

 

 타블렛, 마우스의 도입  2차원 컴퓨터 그래픽스

 3차원 그래픽스  GPU (Graphics Processing Unit)

 

 GPU  programmable video card

 

 현재, 가까운 미래 ?

 

 가상 현실용의 입력 기구
 특징 : 사용자에게 피드백

3차원 컴퓨터 그래픽스
 가장 중요한 변화 ?
 2차원 그래픽스  3차원 그래픽스
 3차원 카메라 모델의 도입
 카메라를 흉내낸다

3차원 컴퓨터 그래픽스 분야의 분류
 렌더링 (Rendering)
 화면 출력
 모델링 (Modeling)
 물체를 디자인 (모사)
 애니메이션 (Animation)
 동영상 제작

 하드웨어 (Hardware)
 기타 분야들

렌더링 (Rendering)
 기본 모델은 바늘구멍 사진기
 3D  2D 로 mapping
 object : 3D
 viewer : 3D(= camera)
 image : 2D (camera의 film)

 

빛을 고려한 렌더링
 light : 3D 에서 정의됨

 

광학의 도입
 Geometric optics(기하 광학) 사용
 반사, 굴절, 회절을 해석해야 한다!
 그래픽스 소프트웨어
 모두 지원 !
 그래픽스 하드웨어
 점점 지원하는 추세

 

모델링 단계

Wire-frame     /    Flat Shading

 

Sophisticated Shading       /        Texture, Shadow

 

고급 렌더링 기법들
 Ray tracing
 Radiosity
 Motion blur
 Depth of field

 

고급 렌더링 기법 I: Ray Tracing (1/2)

 빛의 진행을 추적하자 !
 Forward ray tracing : 실세계
 광원  물체  카메라

 Backward ray tracing
 계산량을 줄이려면, 역추적
 카메라  픽셀  물체  광원

 

고급 렌더링 기법 I: Ray Tracing (2/2)
 실제 ray를 trace 하는 효과가 있으므로, 다양한 효과

 

 

그림 1
shadow rays
그림자 처리 가능

그림 2
mirror effect
거울 처리 가능

그림3
refraction & reflection
투명한 물체 처리 가능

 단점: 처리 시간 (실시간 처리 불가능)

 

고급 렌더링 기법 I: Ray Tracing의 결과 I

 

고급 렌더링 기법 I: Ray Tracing의 결과 II

 

고급 렌더링 기법 II: Radiosity

 

 기본 아이디어
 빛을 에너지로 해석
 에너지 균형(energy equilibrium)을 계산하면, 매우 사실적인 화면 출력 가능 !
 주로 사방이 막힌 실내에 적용

 

 

고급 렌더링 기법 II: Radiosity의 적용 결과 I
 부드러운/온화한 분위기의 실내 화면에 최적

 

 

고급 렌더링 기법 II: Radiosity의 적용 결과 II

 

Ray-Tracing + Radiosity의 적용 결과

 

고급 렌더링 기법 III: Motion Blur
 운동하는 물체를 제대로 표현하기

 

 

고급 렌더링 기법 III: Motion Blur를 적용한 결과

 

고급 렌더링 기법 IV: Depth of Field
 사진에서, focus를 어디에 두느냐 ?

 

 

 만드는 법?
 accumulation buffer 기법

 

고급 렌더링 기법 IV: Depth of Field의 적용 결과

 

 

모델링
 3차원 물체의 모델링
 상당한 수학적 모델들이 연구되었음

 

Polygon Surface Model
 물체의 표면을 이루는 다각형(polygon)들로 표현
 vertex (꼭지점) + edge (변) + face (면)
 가장 많이 쓰이는 표현 방법

 

 장점 : simple, H/W 지원 가능
 단점 : curve, surface 표현이 어려움

 

Half Edge / Winged Edge
 모든 vertex, edge, face를 linked list로 구현
 half edge : 방향성을 가지는 edge 반쪽

 

 

변형 기법들

 

물리 기반 모델링
 물리학 법칙을 이용한 모델링 기법들
 실세계에 가까운 표현
 천, 옷의 모델링
 연기, 물, 파도 등등
 다각형 만으로는 표현 불가능
 모델링 + 애니메이션 기법 필요
 물리 기반 모델링/애니메이션

 

 

애니메이션
 컴퓨터 그래픽스 기술을 이용한 동영상의 제작

상영 시간 76분
총 110,000 프레임
2,048  872 해상도

 

키-프레임 애니메이션
 만화 영화 제작 기법
 키-프레임 : 스토리 보드의 중요 자세
 주 만화가가 제작  사람이 설정
 그 사이의 프레임
 보조 만화가가 제작  컴퓨터가 자동 생성

 

 

 

모션 캡쳐 애니메이션 (1/2)
 사람의 동작을 직접 캡쳐(capture) 해서 사용

 

모션 캡쳐 애니메이션 (2/2)
 모션 캡쳐 라이브러리 제작 후, 사용

 

물리 기반 모델링 / 애니메이션
 컴퓨터 그래픽스 + 물리 법칙
 물리 법칙을 simulate
 사실적인 동작 생성에 성공

 

 

 Real-time Example
 Virtual Mobile System

 

 

Virtual Mobile System (1/3)
 미술 분야들

 

 

Virtual Mobile System (2/3)
 3D model + physically-based modeling

 

 

Virtual Mobile System (3/3)
 가속 기법의 적용 : real-time display 가능

 

 

 

 

천의 모델링 결과

Smoke Simulation

Water Simulation

게임 분야에의 응용 (1/2)
 가장 상업적인 그래픽스 응용
 그래픽스 분야의 발달과 거의 비슷하게 진행

 

게임 분야에의 응용 (2/2)
 최신 게임들의 예 ?
 레이싱 게임들 : 물리 기반, 실시간 애니메이션

 

 

온라인 게임 분야에의 응용
 Rogue, net-hack : single user, text based
 MUD : multi-user dungeon
 network 기술의 가세
 Graphics-based MUD : 바람의 나라, 리니지

 

결론
 컴퓨터 그래픽스
 생활 속에 파고든 학문 분야
 앞으로의 전망
 더욱 더 생활 속으로