15장. 그래픽스 응용

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15장. 그래픽스 응용

학습목표

• 쿼드트리, 옥트리 등 공간 자료구조를 이해한다.

• 쿼드트리, KD 트리, BSP 트리의 차이점을 이해한다.

• 로프팅, CSG, 매스-스프링 모델, 마칭 큐브 등의 모델링 방법을 이해한다.

• 프랙탈 시스템, 파티클 시스템 등의 모델링 방법과 모핑의 기본원리를 이해한다.

• 애니메이션의 기본원리를 이해한다.

• 사원수, 그래픽 사용자 인터페이스, 가상현실 등의 개념을 이해한다.

• GLSL의 필요성, GLSL과 지엘 파이프라인과의 관계를 이해한다.

쿼드 트리(Quad Trees)

공간 자료구조(Spatial Data Structure)

• 저장 공간을 적게 차지하면서도 빠른 연산을 가능하게 하는 자료구조 쿼드 트리

• 연속적으로 4 개의 사각형으로 분할

• 사각형 내부가 모두 동일해져 단일 색이 될 때까지 반복

• 링크가 4 개라는 점에서 쿼드트리(Quad Tree)

• 공간적 응집성(Spatial Coherence)을 이용

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옥트리(Octrees)

공간분할(Spatial Subdivision, Spatial Partition)

• 옥트리(8진트리, Octree, Octal Trees)는 3차원 공간을 분할

▪ cf. 쿼드트리: 2차원 공간을 분할

• x, y, z 방향 8개의 육면체로 분할

• 분할: 물체의 종류, 내부 색 등 여러 가지 속성을 기준으로 함.

가변 공간분할(Adaptive Spatial Subdivision)

• 일정 크기로 분할하지 않고, 필요한 부분만 지속적으로 분할

• 필요 부분만 작은 단위로 표현. 기타 부분은 큰 단위로 표현.

복셀(Voxel: Volume Element)

복셀

• 물체 자체를 표현. cf.옥트리는 물체를 포함하는 전체 장면

• 3차원 물체를 작은 크기의 육면체(복셀)의 집합으로 표현

• 복셀의 크기는 고정. cf. 옥트리의 육면체 분할

• 물체 표면보다는 내부구조를 모델링: 복셀 단위로 속성을 저장 경계부피(Bounding Volume)

• 주어진 물체를 둘러싸는 최소 부피의 육면체

• 경계부피에 대해 복셀 크기가 될 때까지 연속적으로 분할

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공간분할(Spatial Subdivision)

기하 근접성 질의(Geometric Proximity Queries)

• 물체간의 교차, 이격 등을 판단

균등 공간분할(Uniform Spatial Subdivision)

• 일정 크기의 셀(Cell)로 분할. 셀 별로 물체정보를 저장

• A를 중심으로 점차로 주변의 모든 셀을 검색

차등 공간분할(Non-uniform Spatial Subdivision)

• 쿼드트리 또는 옥트리

• 트리 검색

트리의 균형성

쿼드 트리, 옥트리

• 불균형으로 인한 검색시간 증가

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KD 트리와 BSP 트리

물체의 분포를 기준으로 분할

• KD: 수직, 수평 분할

• BSP(Binary Space Partition): 임의 방향 분할 BSP 트리

• 더 좋은 균형이므로 트리 높이 저하. 빠른 검색

• 사선을 기준으로 하는 상하판단에 시간을 소요

물체 모델링

로프팅

• 물체 단면과 경로를 지정함으로써 물체 표면을 모델링. 


CSG

• 기본 물체의 조합에 의해 새로운 물체를 모델링
 물리적 모델

• 물체 사이에 교환되는 힘의 상호작용을 물리적으로 표현한 모델

• 예: 매스-스프링 모델(Mass-Spring Model) 
 부피 가시화 모델

• 물체 표면은 물론 물체 내부를 포함하여 하나의 부피로서 표현 프러시져 모델

• 프로그램에 의해서 물체 정점 좌표를 계산하는 방법

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로프팅(Lofting)

2차원 형상(Shape)과 3차원 경로(Path)를 제시

형상을 경로를 따라 끌고다님 = 스위핑(Sweeping: 쓸고 지나가기)

p(u) 곡선의 제어점을 q(v)를 따라서 일정 간격으로 이동 형상 오리엔테이션은 경로에 수직 또는 변화

로프팅(Lofting)

회전표면(Surface of Revolution) 또는 레이드(Lathe)

• 형상 = 프로파일(옆모습, Profile), 경로 = 회전

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로프팅(Lofting)

회전표면

• 경로를 따라가며 크기변화

CSG(Constructive Solid Geometry)

• 합집합(Union), 교집합(Intersection), 차집합(Subtraction)

• 기본물체(Primitive Object)의 조합 = 불리언 복합물(Boolean Compound).캐드(CAD: Computer Aided Design)에 주로 사용

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CSG 트리

CSG 트리(CSG Tree)

• 내부 노드(Internal Node)에는 연산의 종류

• 외부 노드(External Node)에 기본 물체를 표시한 이진트리 네스트 구조(Nested Structure)

• 트리의 루트(Root)로 갈수록 더 상위 레벨의 복합물

매스-스프링 모델

매스-스프링 모델(Mass-Spring Model)

• 물리적 모델링(Physically-based Modeling)의 일종

• 힘의 상호작용을 감안한 모델. 천의 각 부분사이에 당기는 힘이 존재한다고 간주 하고 스프링의 탄성계수 값을 조정

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매스-스프링 모델

매스 사이에 정지 상태의 스프링 길이를 보존

• 정점 사이의 간선(Edge)의 길이를 보존

• 인근 매스로 힘이 전파됨.

부피 가시화 모델 부피 가시화(Volume Visualization)

• 또는 부피 재구성(Volume Reconstruction)

• 주어진 3차원 데이터로부터 동일한 스칼라 양을 지닌 등고면(Iso-Surface, Equi-potential Surface)을 다각형의 집합으로 표현

예: CT 영상의 재구성

• 2차원 편면 영상(Slice Images)을 조합하여 3차원 부피로 재구성

• 1-5mm 간격으로 촬영된 50 개 정도의 2차원 편면 영상

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마칭 스퀘어(Marching Square)

2차원 등고선 추정

• 어떤 점에서의 밀도가 구하고자 하는 등고선 밀도보다 작다면 이는 추정하고자 하는 등고선보다 바깥쪽.

• 영상일 경우 회색도(灰色度, Gray Level)가 밀도에 해당

• 동일 회색도를 지닌 부분의 등고선을 추출

마칭 스퀘어(Marching Square)

내부점에서 외부점으로 나가는 선분의 중앙을 등고선이 지나간다고 가정 둘째그림: 좌하단 모서리만 내부점이고 나머지 모두 외부점일 경우

4 개의 모서리 각각이 내부점 또는 외부점일 수 있으므로 2⁴ = 16 가지 경우가 존재

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마칭 큐브(Marching Cube)

두 개의 편면 영상 사이 간격을 채우는 육면체

큐브의 8 모서리에서 밀도가 등고면의 밀도보다 큰지 작은지를 판단

• 2⁸ = 256 가지가 존재. 대칭적인 경우를 감안하면 15개의 경우

프랙탈 이론(Fractal Theory) 프랙탈 차원(Fractal Dimension)

• 1967년 만델브로트(Mandelbrot) “영국의 해안선 길이는 얼마인가?”

• 스페인과 포르투갈의 국경선의 길이: 스페인 사전- 616 마일, 포르투갈 사전- 758 마일

해안선 길이측정

• 정밀히 측정할수록 더욱 늘어남. cf. 인위적 경계선

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프랙탈 이론(Fractal Theory)

프랙탈 차원

• 소수차원(Fractal Dimension): 1.3차원, 2.2차원

• cf. 유클리드 기하학의 정수차원(Integer Dimensions)

• 수많은 선의 굴곡이 모여서 마치 면과도 유사. 1차원보다 크고 2차원보다 작은 소수 차원

• 


측정 복잡도(Measurement Complexity)

• 측정 결과 길이가 늘어나는 비율

• 굴곡이 심할수록 크기가 커짐

• 유클리드 차원 + 측정 복잡도 = 프랙탈 차원

반복 시스템(Iterative System) 변환 결과에 또다른 변환을 가하기를 반복

• 변환은 결정적(Deterministic) 또는 비결정적(Non-Deterministic)

• 예: 코흐곡선(Koch Curve)

▪ 변환규칙, 변환과정, 최종결과

• 하나의 선분이 4 부분으로 나뉘었으므로 Number of Parts = 4. 나뉜 선분 의 길이는 원래 선분의 길이의 1/3이므로 Scale Factor = 3. 코흐 곡선의 차 원 = 1(직선) + D(0.26) = 1.26 차원

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카오스 게임(Chaos Game)

중점의 궤적(Locus)이 어떤 모습일지를 예측하라.

카오스 이론 = “무질서(Chaotic, Random)하고 불규칙적(Irregular)으로 보 이는 현상이 지속적으로 가해질 때 최종 결과는 결코 무질서하지 않고, 오히려 질서 정연한(Orderly, Regular) 규칙을 지닌 결정적(Deterministic) 모습이 된다”

유인체(Attractor)

다중 축소복사(MRCM: Multiple Reduction Copy Machine) 이론

• 원래의 영상을 축소복사. 예를 들어 삼각형 형태로 조합

유인체(Attractor) = 최종모습

• 초기영상을 점차로 끌어 당겨 최종적으로 자기 모습을 닮도록 함.

• 예: 시어핀스키 가스켓(Sierpinski Gasket)

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다중 축소복사

어파인 변환

자기 유사성(Self-Similarity)

자기유사성: 자기 자신의 모습을 축소하여 자신의 부분 부분에 반복하여 적용함으로 써 더욱 세부적인 모습을 생성

다중 축소복사 = 반복함수 시스템(IFS: Iterative Function System)

식물문법(Plant Grammar)

• 1. S -> a

• 2. S -> [ S[b]S]

• 3. S -> [ S[c] S[c] S]

• 예:

• S ➝ [ S[c] S[c] S ] ➝ [ [S[b]S] [c] [S[b]S] [c] [S[b]S] ] ➝

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프랙탈 영상압축

영상 내부의 자기 유사성을 활용

부분간의 크기조절 인수나 회전각 등 선형 변환 계수만을 저장 최대 200 - 2000배의 압축을

• cf. JPEG 압축: 최대 20 - 50배

• 예: 마이크로소프트 사의 엔카르타 사전(Encarta Dictionary)의 정지영상과 동영상

프랙탈 산(Fractal Mountain)

터레인 모델링(Terrain Modeling)

Rand(0, 1) 함수: 0에서 1 사이의 난수. 산의 높이가 비 결정적(Non- deterministic)

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프랙탈 패턴 복소수에 대한 변환함수

프랙탈 패턴

• 유인체가 수렴하는 초기점 위치와 발산하는 초기점 위치 사이의 경계

• 예: 변환함수 = 제곱 함수, 변환함수 = 임의함수

만델브로트 프랙탈(Mandelbrot Fractal)

수렴 또는 발산의 속도를 기준으로 컬러링 순차적 부분확대 모습

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줄리아 프랙탈(Julia Fractal)

파티클 시스템(Particle System)

불꽃, 연기, 구름, 분수, 반사된 물결 등 비정형(Amorphous) 물체를 여러 개의 작은 입자를 사용하여 근사적으로 표현

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파티클 시스템(Particle System)

점묘법을 사용: 물체 윤곽이 뿌옇게 보이기에 Fuzzy Object 입자 속성

• 모습(Shape), 위치(Position), 속도(Velocity), 색(Color), 온도 (Temperature), 수명(Lifetime), 질량(Mass)

입자의 생명주기(Life Cycle)

• 생성(Generation), 활동(Movement), 소멸(Death) for each frame { 프레임 별로

generate new particles; 새로운 입자 생성 remove old particles; 오랜 입자 소멸

for each particle { 개별 입자에 대해

resolve forces by vector addition; 여러 힘의 합력을 구함 calculate a, v, x; 가속도, 속도, 위치를 구함 apply rendering algorithm; 렌더링

} }

파티클 시스템(Particle System)

집단 시스템(Flocking System)

• 하나의 입자 속성이 다른 입자의 행위(Behavior)에 영향

(a) 나머지 모든 새가 날아가는 속도의 평균 속도를 취함

• 모든 새들이 같은 방향으로 날아야 함.

(b) 전체 새 무리의 중심을 향함

• p가 무리를 벗어나지 않아야 함.

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파티클 시스템(Particle System)

단순화된 렌더링

• 입자 수가 많아 정밀한 렌더링에 한계

• 은면제거를 가하지 않음

• 앞물체가 뒷 물체를 가리면 블렌딩을 사용

• 에일리어싱을 방지하기 위해 여러 입자를 겹쳐서 칠함.

스프레이 렌더링(Spray Rendering)

플래쉬 렌더링(Flash Rendering), 프로우브 렌더링(Probe Rendering)

• 렌더링을 적용하는 방법

• 보고자 하는 부분만을 골라서 가시화하는 기법

• 스프레이를 뿌린 부분만 렌더링을 가함.

• 파티클 시스템과 결합되어 사용

• 자연과학 분야의 데이터 가시화(Scientific Visualization) 


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모핑(Morphing)

상호 혼합(Cross Dissolving)

• 두 영상의 화소 컬러를 보간

• 두 화소 색이 서로 섞여 중간 프레임을 만들냄.

• 형상의 구조적인 특징이 변해 가는 모습을 파악하기 어려움.

• 두 개의 얼굴의 중간 프레임은 전혀 얼굴같지 않을 수 있음.

모핑(Morphing)

메쉬 워핑(Mesh Warping)

• 형상의 특징적인 위치를 제어점으로 정의. 형상이 변화

• 4개의 제어점으로 구성된 사각형 메쉬가 사변형 메쉬로 변환

• 화소가 변하는 것이 아니라 제어점이 이동

제어점의 이동

• 선형 보간법: A = (1, 1)에서 A' = (5, 5)로 변환될 때 중간에 하나의 프레

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모핑(Morphing)

제어점 A(1, 1)가 A'(5, 5)로 갈 경우 A에 인접한 화소 B(2, 2)는 어디로?

워핑 함수(Warping Function)

• A와 B 사이의 거리에 가중치를 부여해서 B'을 A' 부근에 위치시킴.

• 가중치 적용방식을 결정하는 함수.

▪ 예: 거리에 비례, 거리 제곱에

• 주어진 화소와 제어점간의 결합력을 표시

• 워핑 함수의 종류에 따라 모핑 결과가 달라짐.

모핑(Morphing)

16개의 정점 쌍(Vertex Pair)을 명시

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애니메이션(Animation)

애니메이션

• 애니메이션(Animation)= Bringing to Life

• 프레임(Frame, Still Frame): 정지된 상태의 그림

• 약 1/16초 동안의 잔상

• 영화: 초당 약 24 프레임(동일 프레임을 2번 반복), 비디오 필름:초당 30 프레 임. TV: 초당 60개의 반 프레임(Half Frame).

수작업 애니메이션(Hand-Drawn Animation) 개별 프레임을 카메라 필름으로 캡쳐

• 프레임 비율(Frame Rate): 느린 속도를 요할 때는 단위 시간에 더욱 많은 프 레임을 보여주어야 함

• 레지스트레이션(Registration): 프레임 간에 상대적인 위치를 고정하는 작업.

페그(Peg)를 사용. 조명 테이블(Light Table) 에 의해 이전 물체의 상대적인 위치를 확인

셀 애니메이션(Cell Animation)

• 셀로판지(Celluloid Plastic Sheets).별도의 레이어를 최종적으로 중첩시 킴. 변하지 않는 부분을 그릴 필요가 없음.

• 애니메이터(Animator): 스케치, 잉커(Inker): 셀에 윤곽선 추적, 컬러리스 트(Colorist): 색칠

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로토 스코우핑(Rotoscoping)

“애니메이션을 위해 실제 움직임을 추적하는 작업”

• 비디오 카메라를 사용한 동작 캡쳐(Motion Capture)

• 캐릭터의 윤곽을 추적(Tracing)

“실제 움직임과 애니메이션을 소프트웨어에 의해 결합하는 작업”

애니메이션

프레임 기반 애니메이션(Frame-Based Animation)

• 미리 생성된 정지영상. 배경과 객체가 서로 섞여서 하나의 정지영상

• 그래픽 객체(Graphical Object)라는 개념이 없음.

캐스트 기반 애니메이션(Cast-Based Animation)

• 레이어에 의해 배경과 그래픽 객체를 별도로 취급.

• 스프라이트(Sprite): 캐스트(배우, Cast)에 해당하는 객체. 위치, 속도, 가시 성 등의 속성과 상호 작용에 관한 메쏘드(Method)를 지님.

• 페이스(Face): 상황 별로 서로 다른 모습의 스프라이트

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키 프레임 애니메이션

키 프레임(原畵, Key Frame)

• 특징적인 프레임. 동작이나 표정 등에서 급격한 변화가 일어나는 곳 인 비튄 프레임(動畫, Inbetween Frame)

• 키 프레임을 채우는 중간 프레임. 컴퓨터에 의해 생성 가능 동작 경로(Motion Path)

• 물체나 인물의 동선.동선을 따라가되 움직임의 중간 중간에 가장 중요한 포인트 가 되는 위치에 키 프레임을 그림.

트위닝

트위닝(Tweening)

• 원화로부터 동화를 채우는 작업. 일종의 보간작업

• 데이터 압축효율을 높이기 위해서 원화는 그림 전체를, 동화는 직전 원화와의 차 이만을 저장하기도 함. 벡터 그래픽 형식으로 표현하는 것이 유리(정점에 대한 보간)

• 예: 플래쉬 애니메이션

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트위닝

색, 크기, 회전각 가속과 감속 제어

스토리 보딩(Story Boarding) 애니메이션의 요소

• 전달하고자 하는 스토리

▪ 조직적이고 또 그물같이 얽혀진 시나리오

• 중요 장면을 스케치한 스토리 보드

▪ 장면(Scene), 행동(Action), 장면의 전환(Scene Transition) 등의 관점에서 볼 때 중요한 부분으로 나눔.

▪ 빠른 속도로 진행. 몇 커트의 스케치로 흐름을 표현

• 액션, 음향효과 등을 위한 스크립트

▪ 예: 1) 도입 장면. 주인공이 절벽 위에 멈춰 선다. (0초에서 4초간, 프레임 1-60) 2) 비가 내린다. (4초에서 9초간, 프레임 61-120)

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물체의 회전 애니메이션에서 물체의 오리엔테이션

• 위치뿐만 아니라 오리엔테이션이 변화

• 이동 경로는 스플라인에 의해 제어 가능

• 오리엔테이션은 회전변환. 적절한 보간이 이루어져야 함

4가지 표현방법

• 회전행렬 (Rotation Matrix)

• 오일러 각 표현 (Euler Angle)

• 축-각 표현 (Axis-Angle)

• 사원수 (Quarternion)

회전행렬 표현 예: (3차원 회전. 동차좌표 생략)

정규직교성(Orthonormality)

• 정규성(定規, Normality): 컬럼 벡터 = 단위 벡터

• 직교성(直交, Orthogonality): 컬럼 벡터 간의 내적은 0 자유도(DOF: Degree of Freedom) 3

• 3 ☓ 3 행렬에 모두 9 개의 계수.

• 정규직교성으로 인한 6 개의 제약조건

• 3의 자유도를 9개의 계수로 나타냄. 비효율

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회전행렬 표현

우변 행렬은 더 이상 회전행렬이 아님.

• 정규직교성을 만족하지 못함.

• 크기조절이나 전단변환이 가해져 강체모습을 상실 표류(Drift)

• 각도를 조금씩 증가하면서 연속된 회전

• 새로운 회전행렬을 이전행렬에 곱해서 새로운 복합행렬 생성

• 부동소수 연산으로 인한 오류로 인해 정규직교성 상실

오일러 각 표현

3개의 각도만으로 회전을 표현

• z 축 기준의 회전각을 롤(Roll), x 축 기준의 회전각을 피치(Pitch), y 축 기준 의 회전각을 요(Yaw)

• 자유도 3에 3개의 계수를 저장하므로 저장 공간 면에서 유리

• 회전각 자체를 그대로 저장하므로 표류의 문제 없음.

• 최종적으로는 회전행렬로 변환

회전각 α, β, γ일때 x, y, z 축을 기준의 순차적 회전결과

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오일러 각 표현

오일러 각에 의한 회전

• 항상 현 시점에서의 모델 좌표계를 기준으로 회전.

• 회전의 결과 좌표축 방향이 바뀐다는 점에 유의

• 처음 z 축 기준 회전 결과 모델 좌표계의 x, y 축 방향이 이전과는 달라짐.

• 회전을 적용하는 순서가 중요함. 교환법칙이 성립하지 않음

오일러 각 표현

단점 1. 복합 변환의 결과를 예측하기 어려움.

• 오리엔테이션을 보간하기 위해서 오일러 각 자체를 보간

• 오일러 각 (10, 20, 30)에 의해 회전하고 회전결과를 기준으로 (40, 50, 60) 에 의해 회전하면, 원래 물체를 (50, 70, 90)에 의해 회전한 것과는 다름. 첫 번째 회전 결과 좌표축 방향이 변해 버리기 때문

단점 2. 김벌락(Gimbal Lock) 현상

• x 축 기준으로 그림에 표시된 방향으로 일정 각도를 회전. 이어서 z 축을 기준으 로 90도 회전하면 x 축과 y 축이 나란해 짐

• 현재 상태에서 y 축을 기준으로 회전을 가하면 이전에 x 축 기준으로 이미 회전 한 각도에 영향을 미침. 회전결과 x, y, z 축이 독립성을 잃을 수 있음

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오일러 각 표현

단점 3: 오리엔테이션이 변하는 경로가 유일하지 않음

• y축을 기준 180도 회전

▪ z축을 기준으로 180도 회전 + x축을 기준으로 180도 회전

• 회전각을 직접적으로 보간해서는 오리엔테이션이 변하는 경로를 예측하기 어려 움.

축-각 표현

회전축과 회전각을 사용: 회전축은 단위벡터로 나타냄

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사원수(Quaternion)

축-각 표현을 수학적으로 개선

• 축 관련 변수 3개와 회전각 관련 변수 1개를 하나의 4차원 변수로

• w = 스칼라 부(Scalar Part) 또는 실수 부(Real Part), v = 벡터 부 (Vector Part) 또는 허수 부(Imaginary Part). 단위 4원수: 벡터의 길이 (노름, Norm) = 1

• 단위 사원수(Unit Quaternion)만이 회전에 사용됨.

축각 표현과의 관계

사원수 연산

단위 사원수 노름 값은 1이므로 공액 사원수 자체가 역 사원수

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사원수 연산

공액 곱셈(Conjugate Product)

• 사원수 q를 사용하여 실제로 회전을 가하는 작업

• 원점으로부터 물체 위의 점 p를 향한 벡터 P

• P 앞쪽에 q를 곱하고 뒤쪽에 q의 공액 사원수를 곱하여 계산

• P는 3차원 벡터. 이를 사원수로 만들려면 스칼라 부분인 w를 0으로 


사원수에 의한 보간

사원수 q₁, q₂ 에 의해 연속적으로 회전하였다면 그 결과는 원래의 물체에 대해 사원 수 q₁*q₂ 으로 회전한 것과 동일

예:사원수 q에 의해 회전하고 그 결과를 다시 에 의해 회전

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4차원 가상원구(Hypersphere)

사원수 q는 물체 위치가 아니라 물체 오리엔테이션을 의미 물체 오리엔테이션의 보간

• 원구면을 따라가면서 사원수를 선택

• 오일러 각에 의해 보간할 경우 그림 (a)와 유사.

▪ 오리엔테이션의 변화가 매우 부자연스러움.

LERP

러프(LERP: Linear intERPolation)

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SLERP

슬러프(SLERP: Spherical Linear intERPolation)

• LERP의 경우 오리엔테이션이 바뀌는 속력이 변화함

• 중심각 θ를 일정하게 증가시키면서 보간 .

사원수의 보간

중복성

• 완전히 동일한 회전을 의미함.

원구 표면을 따라가면서 최단경로를 택했을 때 가장 자연스러움

• 그림의 경우 q2을 선택

• 벡터 내적에 의해 선택가능

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가상현실

Virtual Reality — a three dimensional, computer generated

simulation in which one can navigate around, interact with, and be immersed in another environment

(John Briggs - The Futurist) 가상현실 - 컴퓨터에 의해 생성된 3차원 시뮬레이션. 사람은 또 다른 환경에 몰입하 여 돌아다니거나 상호작용을 할 수 있음.

(존 브릭스 - 미래학자)

Virtual Reality — the use of computer technology to create the effect of an interactive three-dimensional world in which the objects have a sense of spatial presence.

(Steve Bryson - NASA Ames) 가상현실 - 컴퓨터 기술을 사용하여 상호작용이 가능한 3차원 세계를 생성하는 것.

생성된 세계의 내부 물체는 마치 현실공간에 존재하는 느낌을 줌.

(스티브 브라이슨 - 미 항공 우주국 에임즈 연구센터)

가상현실

가상현실(VR: Virtual Reality) 또는 가상환경(Virtual Environment)

• 원격 조작에서 출발

• 방사능에 오염된 지역의 폐기물을 처리

• 작업자는 현장에서 멀리 떨어져 있음.

• 실제 현장 작업은 로봇이나 자동제어 기계가 처리

• 조작자가 마치 현장에 있는 것처럼 느끼면서 작업을 제어 현실감(Reality) 또는 원격 현장감(Tele-presence)

• 가상현실의 핵심

• 작업자가 정말로 현장에 있는 것과 똑같이 느끼게 하는 것이 중요

• 현실감이 증폭될수록 인간의 인식이나 직관 또는 판단이 제대로 동작

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현실감 증폭

HMD(Headmount Display)

• 입체영상, 넓은 시야각, 경량

전방향 입체음향

• 360도 원구의 모든 방향에서 분리된 소리 데이터 글로브

• 출력장치: 촉각

• 입력장치: 제어부피 내에서 사용자 움직임을 지정

가상현실

가상현실 = 감각환경(Sensory Environment)

가상현실 = 합성환경(Synthetic Environment, Artificial Environment)

• "실제로 존재하지 않음“

가상현실 = 대화환경(Interactive Environment)

• 끊임없이 사용자와의 상호작용을 하면서 변화.

▪ cf. 일반적 시뮬레이션

• 가상보행(Virtual Walkthrough)

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GLSL

"오픈지엘은 프로그램 언어가 아니다. 어떤 작업을 활성화/비활성화 하거나 작업의 파 라미터를 명시하는 정도이지 렌더링 알고리즘은 본질적으로 고정되어 있다. 이렇게 하 는 이유 중 하나는 효율이다. 그래픽 하드웨어는 일반적으로 어떤 작업을 정해진 순서 에 따라 실행함으로써 효율 향상을 기한다. 따라서 이러한 작업 과정을 임의의 알고리 즘으로 대체하기는 어렵다. 결국 프로그램 가능성(Programmability)은 하드웨어 를 최대한 활용하는 API와는 서로 모순된다."

Seal and Akeley,

"The Design of the OpenGL Graphics Interface," 1994

GLSL(GL Shading Language)

지엘• 파이프라인마다 고정된 알고리즘을 그래픽 처리의 속도를 향상

• 그래픽 카드가 지원하는 한 지엘 확장 기능(ARB Extension)을 사용가능. 지 엘의 설계목적인 프로그램의 이식성(Portability)을 저해

지엘 셰이딩 언어(GLSL: GL Shading Language)

• 사용자 프로그램에 의해 파이프라인 일부를 대체

• 호환성을 확보하기 위해 셰이딩 언어는 하드웨어에 무관한 고급언어

• 지엘 코드와 섞여서 동작

• 고정된 파이프라인을 사용치 않기 때문에 속도 면에 유의. 셰이딩 언어 또는 컴파 일러는 병렬처리를 최대한 활용

ARB-GL2 워크 그룹

• 2003년초 드래프트 오픈지엘 셰이딩 언어

• 새로운 컴파일러에 의해 "C" 언어와 유사한 고급언어로 코딩

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파이프라인 프로세스의 대체

정점 셰이더(Vertex Shader)

프래그먼트 셰이더(Fragment Shader)

정점 셰이더와 프래그먼트 셰이더

정점 셰이더

• 입력: 정점의 위치, 색, 법선벡터 등

• 델뷰 행렬과 투상행렬을 사용하여 정점의 위치를 변환하거나 법선벡터를 변환하 고 재 정규화

• 지엘의 상태변수를 접근할 수 있기 때문에 텍스쳐와 조명에 활용

• 텍스쳐 영상을 직접 이용할 수 있음.

프래그먼트 셰이더

• 입력: 정점의 위치, 색, 법선벡터 등을 보간한 값

• 안개효과, 컬러 섬, 화소 확대, 텍스쳐 접근 등의 기능을 대신

• 시저 테스트, 알파 테스트, 깊이 테스트, 스텐실 테스트, 디더링 등 파이프라인 기능은 대체할 수 없음.

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openGL ES

openGL ES

openGL ES의 특징

• 1) 기본요소 렌더링에 있어서 openGL에서 사용하는 glBegin...glEnd를 없 애는 대신 정점 배열(Vertex Array)를 사용하였다.

• 2) 대부분의 임베디드 프로세서가 부동소수 연산 기능이 없는 점을 감안하여 정 점의 좌표를 표현하는데 있어서 고정소수 타입(Fixed Point Type: 예를 들어 GL의 경우 0.05=0.5e-1, ES의 경우 0.05=0.05)을 사용하도록 하였다.

• 3) 경량 인터페이스를 제공하기 위해 쿼드(Quad)/폴리곤(Polygon) 기본요 소, 폴리곤 모드, 앤티에일리아스를 적용한 다각형 렌더링, 폴리곤 스티플

(Polygon Stipple), 프런트 버퍼 드로잉(Front Buffer Drawing), 이밸 류에이터(Evaluator), 비트맵, 3D 텍스쳐, A 버퍼, 화소 복사, 디스플레이 리스트(Display List), 사용자 정의 절단 다각형(User-defined Clipping Plane), 컬러 인덱스 모드 등 많은 기능을 제거하였다.

• 4) GLshort, GLbyte, GLubyte, 함수 접미어를 사용하지 않으며 float, short, byte 자료형만 사용이 가능하다.

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openGL ES

OpenGL ES 1.1

• 1) 멀티 텍스쳐링(Multitexturing)

• 2) 자동 밉맵 생성(Automatic MipMap Generation)

• 3) 고정소수 연산 및 부동소수 연산(Fixed Point and Floating Point Profiles)

• 4) 사용자 정의 절단 다각형(User-defined Clipping Plane)

• 5) 점 렌더링 기능(Point Rendering)

현재로서 구글 운영체제인 안드로이드(Android 1.6)가 OpenGL ES 1.1을 지 원한다.

openGL ES

OpenGL ES 2.0

• 렌더링 파이프라인에 의한 대부분의 고정 렌더링 기능을 제거하는 대신 지엘의 셰이딩 언어에 해당하는 GLSL ES를 사용하여 이를 프로그램 할 수 있도록 한 것이다. 예를 들어 조명에 있어서 물체 정의 및 광원 파라미터 등을 정의하는 대 신 프로그래머가 작성한 셰이더가 작동하도록 한 것이다.

• 1) 정점/프래그먼트 셰이더(Vertex/Fragment Shader) 사용

• 2) 고급 언어(GLSL ES) 지원

• 3) 광원 속성(Light Attributes) 사용

• 4) 텍스쳐(Texture), 의존 텍스쳐(Dependent Texture), 큐브 맵(Cube Maps)

• 5) 프레임 버퍼 오브젝트(Frame Buffer Object) 사용

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openGL ES

Fixed Function Pipeline

openGL ES

Programmable Pipeline