제1장. 컴퓨터 그래픽스 시스템과 모델 1 정보통신공학과 박동규

강의 개요 컴퓨터 그래픽스 개론 및 3D 그래픽스에 대한 개념을 설명한다. 강의 내용 1. 컴퓨터 그래픽스의 응용 2. 그래픽스 시스템 3. 물리적 이미지/합성이미지 4. 인간의 시각 시스템 5. 바늘구멍 카메라 6. 합성 카메라 모형

컴퓨터 그래픽스 컴퓨터를 사용하여 그림을 만들어내는 모든 면을 다룬다. 40년 전 CRT(Cathode-Ray Tube)에 몇 라인을 출력하는 것에서 시작 현재는 실제 사진과 구별하기 힘든 영상을 제작 실시간으로 가상 환경을 출력 가능 컴퓨터 그래픽스를 이용한 장편 영화를 제작

OpenGL 특정 그래픽 소프트웨어 시스템 중의 하나 (Silicon Graphics 회사에서 개발) 실시간 3D 그래픽스 제작용 API (Application Programmer’s Interface) 다른 대중적인 그래픽 시스템 대부분의 특징을 갖고 있다. 그래픽 응용프로그램을 제작하는데 있어 넓게 적용되고 있다.

1.1 컴퓨터 그래픽스의 응용 정보의 표시 설계 시뮬레이션 사용자 인터페이스

정보의 표시 건축 도면 지도 통계 데이터 표현 의학 과학적 시각화(Scientific Visualization) 피부 : 투명 근육 : 불투명 지구 멘틀 - 등온도면

의학 - CT, MRI 3차원 이미지 생성

설계 (Computer Aided Design) VLSI 회로 설계 기계

건축 설계 Wireframe 투시 렌더링

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

컴퓨터 그래픽스의 전망 컴퓨터 기술의 발전으로 컴퓨터 그래픽스을 적용하는 모든 분야에서 3D CG를 채택 컴퓨터 네트워크 기술과 결합 3차원 사용자 인터페이스 가상 현실 기술의 발전

1.2 그래픽스 시스템 범용 컴퓨터 시스템의 구성 요소들을 모두 포함 그래픽 시스템의 구성

픽셀과 프레임 버퍼(1) 대부분의 그래픽스 시스템은 래스터(raster) 방식을 지원 그림은 화소(pixel)의 배열인 래스터로 생성됨 비교 : 벡터 방식

화소와 프레임 버퍼(2) 프레임 버퍼( Frame Buffer) 출력될 화소가 저장되는 메모리 프레임 버퍼의 깊이(depth) 각 화소에 사용된 비트 수 24 비트(약 1600만 색상) 대부분의 이미지를 사실적으로 표현 전색(Full-color) / 진색(true color) / RGB color 해상도(resolution): 화소의 수, 그림의 정밀도 결정 cf) 윈도우 바탕 화면의 등록정보 주사 변환(scan conversion)/래스터화(rasterization) 2D 또는 3D 기하학적 도형  화소 할당으로 변환

프로세서 장치 프로세서 단순 시스템 : CPU가 모두 수행 고급 시스템 : 독립적인 그래픽 프로세서 사용

출력 장치 가장 보편적인 출력 장치 : 음극선관(CRT) 재생(Refresh) 래스터 주사 CRT에서 scan 방식 임의 주사(Random scan) CRT 래스터 주사(Raster scan) CRT 재생(Refresh) 인광체가 빛을 발하는 시간이 극히 짧음 깜박임( flicking)을 방지하기 위해 최소 50 Hz 이상 재생 필요 재생 속도 : 50 Hz~75 Hz 래스터 주사 CRT에서 scan 방식 비월(Interlaced) : (e.g) TV 브라운관 비비월(Non-interlaced) : (e.g) 일반 컴퓨터 모니터

CRT(Cathode-Ray Tube) 컴퓨터의 출력은 디지털 아날로그 변환기 (digital-to-analog converter)에 의해 x,y (수직,수평) 편향판 사이의 전압으로 변환. 충분한 양의 전자선이 형광 물질에 도달하면 CRT 표면에서 빛이 방출. CRT는 line-drawing device (calligraphic)로 사용되거나 프레임 버퍼 (raster mode) 출력에 사용

컬러 CRT RGB 삼색의 인광체를 삼색조(triad)로 배열 셰도우 마스크(shadow-mask) 전자를 조준하기 쉽게 해주는 장치

기타 출력 장치 LCD(Liquid Crystal Display) 평면 TV (PDP) 발광부와 수정체의 성질을 이용하여 빛을 선택적으로 투과시키는 디스플레이 장치 경량화로 인하여 노트북, PDA, 모바일 단말기에 널리 이용 최근 양산화 추세에 있음 평면 TV (PDP) 이온과 전자의 혼합물질인 플라즈마를 디스플레이에 응용 러시아에서 군사용으로 최초로 개발

입력 장치 키보드 최소한 하나 이상의 지시 장치를 지원 디스플레이 장치상의 특정 위치를 지정하고 프로세스에 신호를 주기 위해 하나 이상의 버튼을 제공 마우스 광펜 조이스틱 데이터 타블릿(Data Tablet) 등

1.3 영상 : 물리적 영상과 합성 영상 물리적 이미지 물리적 영상획득과정 : 사람 물리적 영상획득과정 : 카메라 망막 필름 카메라나 인간의 시각 시스템 등의 광학 시스템에 의해 생성 물리적 영상획득과정 : 사람 물리적 영상획득과정 : 카메라 망막 필름

이미지: 합성 이미지 합성 이미지 물리적 이미지와 합성 이미지의 형성 과정이 비슷 컴퓨터에 의해 생성된 이미지 물리적 영상획득의 시뮬레이션 물리적 이미지 생성 과정을 바탕으로 컴퓨터 그래픽스 모형을 제시

객체와 관측자(1) 이미지 형성의 두 요소 객 체 객체(Object) 관측자(Viewer) 이미지 형성 과정이나 관측자에 무관하게 공간상에 존재 정점(vertex)이라 불리는 공간상의 위치들의 집합으로 객체들을 정의하거나 근사 직선 : 두 개의 정점으로 정의 삼각성 : 세 개의 정점으로 정의 원 : 중심점과 원 표면의 하나의 정점으로 정의

객체와 관측자(2) 관측자 객체들을 관측하여 그들의 이미지를 형성하는 주체 관측자 명세 : 위치, 보는 방향, 렌즈 , 투영 등

객체와 관측자(3) 이미지 이미지 : 사람 – 망막, 카메라 – 필름 객체와 관측자: 3차원 세계에 존재 객체의 명세가 관측자의 명세와 결합하여 2차원 이미지 생성

빛과 이미지 빛이 없으면  이미지에 아무것도 보이지 않음 물리적 접근 : 광원  물체의 표면  반사광  카메라 렌즈 A camera system with a light source 물리적 접근 : 광원  물체의 표면  반사광  카메라 렌즈

The Electromagnetic Spectrum 빛 전자기파의 한 형태 파장 : 350nm - 780nm 프리즘 The Electromagnetic Spectrum

단순화된 빛의 모델 물리적으로 실제의 광원은 아주 복잡 빛의 단순화 점 광원(point light) 모든 방향으로 동일한 에너지 방출 단색 광원(monochromatic light) 빛의 밝기 만을 다룸 Point Light

(원기둥 : 난반사, 사각형 : 거울, 구 : 반투명) 광선 추적(Ray Tracing) (1) 광원으로부터 광선을 따라감 으로써 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 Ray Tracing (원기둥 : 난반사, 사각형 : 거울, 구 : 반투명)

광선 추적(Ray Tracing) (2) 물리적인 현상에 근거한 이미지 형성 기법 복잡한 물리적 효과를 시뮬레이션 가능 굉장히 사실적인 이미지 생성 가능 아주 많은 계산량이 필요  보다 단순화된 방법 필요

인간의 시각 시스템 각막(cornea) 수정체(lens) 홍체(iris) 망막(retina) 간상체(rod) : 야간 추상체(cone) : 주간, 3가지 종류(각각 다른 파장에 반응) 인간의 시각 시스템

인간의 시각 시스템 빛은 각막(cornea)을 통해 눈에 들어옴. 홍채(iris)는 동공을 통해 눈으로 들어오는 빛의 양을 조절. 동공(pupil)은 눈의 중앙에 검게 보이는 부분으로 열린 틈. 동공을 통과한 빛은 수정체(lens)를 통과하여 눈 후면의 감광 표면인 망막(retina)의 중심부근, 황반 (fovea)에 초점을 맞춤. 사람의 수정체는 관찰자와 물체 사이의 거리에 따라 수정체에 붙어 있는 모양근이 수축하거나 이완하여 초점에 맞도록 함. 물체가 가까우면 이 근육이 수축하여 수정체가 불룩해짐. 물체가 멀면 이 근육이 이완하여 수정체가 평평해짐. 망막은 카메라의 필름 같은 역할. 망막은 두 가지 광수용기(Photoreceptor), 즉 간상체(Rods)와 원추체(Cones)로 되어 있음. 망막은 빛을 신경신호로 바꿔서 뇌로 보내줌

인간의 시각 시스템 간상체(rods) 원추체 (Cones) 주로 어두울 때 활동 흑백의 음영(Luminance)망을 구분함 밝은 곳에 있다가 어두운 곳에 갑자기 들어가면 처음에는 아무것도 보이지 않다가 차차 주위가 보이기 시작. 처음 7~8분동안은 원추체가 작용하여 어두운 곳의 대상들을 보게 되며, 그 다음 약 40분 정도까지 간상체가 작용하여 대상들을 분명히 식별하게 됨. 간상체는 파란색 스펙트럼에 민감함 원추체 (Cones) 밝은 환경에서 작용 원추체의 밀집이 바로 시력(visual acuity)을 결정 원추체에는 세 가지가 있는데, 각각 삼원색(red, green, blue)에 대응하는 빛의 파장 범위에 대하여 민감함. 색깔을 보려면 원추체가 활성화되어야 하므로, 어두운 상태에서는 색각(color vision)이 존재하지 않게 됨.

인간의 시각 시스템 조도(Intensity) : 빛 에너지의 물리적인 척도 휘도(brightness) : 사람이 인식하는 빛의 세기 녹색에 보다 민감 녹색 영역 CIE 표준 관측자 곡선

삼색 이론 세가지 추상체의 감도 곡선 세가지 추상체  필름이나 CRT에 세가지 색을 사용 추상체 감도 곡선

바늘 구멍 카메라 Pinhole camera는 상자의 한쪽 면에 작은 구멍이 나있고 필름이 안쪽의 반대쪽 면에 놓인 상자 기하학적 모형에 근거한 이미지 형성 방법 카메라의 방향 z 축 한 점으로부터는 하나의 광선만 통과 바늘구멍 카메라 모델

바늘 구멍 카메라의 투영 y : z = yp : -d x : z = xp : -d

화각(Field of view)

피사계 심도(depth of field) 무한대의 DOF 바늘 구멍 카메라의 단점 화각 내의 모든 점들의 초점이 맞음 화각 조절 불가능 구멍을 통과하는 빛의 양이 작다  렌즈를 사용하여 두 문제를 해결 가능

합성 카메라 모형 (1) 합성카메라 모형 몇 가지 원리들 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 영상 시스템

합성 카메라 모형 (2) 단순 삼각 함수 계산으로 이미지를 계산 필름을 렌즈 앞쪽으로 이동 이미지 형성의 등가적 표현들

합성 카메라 모형 (3) 이미지 생성 모델 합성 카메라를 이용한 이미지 형성 투영면 투영선(Projector) 투영중심(Center of Projection) 투영면 합성 카메라를 이용한 이미지 형성

클리핑 : (a) 원래 위치 (b) 이동된 윈도우 화각 투영면에 절단 윈도우(clipping window)를 정의함으로써 화각을 기술 클리핑 : (a) 원래 위치 (b) 이동된 윈도우