1 Lecture #2 제 1 장. 컴퓨터 그래픽스 시스템과 모델. 2 강의 개요 컴퓨터 그래픽스 개론 및 3D 그래픽스에 대한 개념을 설명한다. n 강의 내용 1. 컴퓨터 그래픽스의 응용 2. 그래픽스 시스템 3. 물리적 이미지 / 합성이미지 4. 인간의 시각 시스템.

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1 1 Lecture #2 제 1 장. 컴퓨터 그래픽스 시스템과 모델

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

3 3 컴퓨터 그래픽스 컴퓨터를 사용하여 그림을 만들어내는 모든 면을 다룬다. 40 년 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

4 4 시각화 (Visualization) 다른 분야와의 관계 기 호기 호 기 호기 호 이미지 통상적 컴퓨팅 영상처리 컴퓨터 그래픽스 컴퓨터 비전 데이터

5 5 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.

6 6 컴퓨터 그래픽스의 응용 n 정보의 표시 n 설계 n 시뮬레이션 n 사용자 인터페이스

7 7 정보의 표시 n 건축 도면 n 지도 n 통계 데이터 표현 n 의학 n 과학적 시각화 (Scientific Visualization) 피부 : 투명 근육 : 불투명 지구 멘틀 - 등온도면

8 8 의학 - CT, MRI 3 차원 이미지 생성

9 9 설계 (Computer Aided Design) n VLSI 회로 설계 n 기계

10 10 건축 설계 Wireframe 투시 렌더링

11 11 반복적 설계과정 u 설계도구를 이용한 설계 u 설계의 가시화 u 설계의 테스트 - 시뮬레이션 u 설계의 수정

12 12 시뮬레이션 (1) n 비행 시뮬레이션 : 조종사 훈련 n 로봇 시뮬레이터 u 로봇의 설계, 이동 경로 계획, 행동 시뮬레이션

13 13 시뮬레이션 (2) n TV, 영화, 광고 u 사진 수준의 이미지 생성 영화의 장면 : 공장 내부 로봇 “Ed”

14 14 영화의 장면들 꽃 섬광

15 15 실제로는 만들기 불가능한 장면

16 16 고급 렌더링 기법들 광선 추적 (ray tracing) 기법 방사성 (radiosity) 기법 조명, 무늬, 환경 사상

17 17 가상현실 n HMD, 위치 추적, 힘 - 감지 글러브 n 수술 훈련, 우주 비행사 훈련 HMD 손의 상태 감지 센서 Avatar ( 화신 ) : 가상 공간에 서 서로 상호 작용

18 18 사용자 인터페이스 n 윈도우, 아이콘, 메뉴 활용 n 지시장치 – 마우스 예 ) u Windows ME u X- 윈도우 u 웹 브라우저

19 19 컴퓨터 그래픽스의 전망 n 컴퓨터 기술의 발전으로 컴퓨터 그래픽스을 적용하는 모든 분야에서 3D CG 를 채택 n 컴퓨터 네트워크 기술과 결합 n 3 차원 사용자 인터페이스 n 가상 현실 기술의 발전

20 20 그래픽 시스템 n 범용 컴퓨터 시스템의 구성 요소들을 모두 포함 그래픽 시스템의 구성

21 21 화소와 프레임 버퍼 (1) n 대부분의 그래픽스 시스템은 래스터 (raster) 방식을 지원 u 그림은 화소 (pixel) 의 배열인 래스터로 생성됨 u 비교 : 벡터 방식

22 22 화소와 프레임 버퍼 (2) n 프레임 버퍼 ( Frame Buffer) u 출력될 화소가 저장되는 메모리 u 프레임 버퍼의 깊이 (depth) F 각 화소에 사용된 비트 수 F 24 비트 대부분의 이미지를 사실적으로 표현 전색 (Full-color) / 진색 (true color) / RGB color u 해상도 (resolution): 화소의 수, 그림의 정밀도 결정 cf) 윈도우 바탕 화면의 등록정보 n 주사 변환 (scan conversion)/ 래스터화 (rasterization) u 2D 또는 3D 기하학적 도형  화소 할당으로 변환

23 23 프로세서 장치 프로세서 장치 n 프로세서 u 단순 시스템 : CPU 가 모두 수행 u 고급 시스템 : 독립적인 그래픽 프로세서 사용

24 24 출력 장치 n 가장 보편적인 출력 장치 : 음극선관 (CRT) u 임의 주사 (Random scan) CRT u 래스터 주사 (Raster scan) CRT n 재생 (Refresh) u 인광체가 빛을 발하는 시간이 극히 짧음 u 깜박임 ( flicking) 을 방지하기 위해 최소 50 Hz 이상 재생 필요 u 재생 속도 : 50 Hz~75 Hz n 래스터 주사 CRT 에서 scan 방식 u 비월 (Interlaced) : (e.g) TV 브라운관 u 비비월 (Non-interlaced) : (e.g) 일반 컴퓨터 모니터

25 25 CRT(Cathode-Ray Tube) CRT(Cathode-Ray Tube)

26 26 컬러 CRT n RGB 삼색의 인광체를 삼색조 (triad) 로 배열 n 셰도우 마스크 (shadow-mask) u 전자를 조준하기 쉽게 해주는 장치

27 27 기타 출력 장치 n LCD(Liquid Crystal Display) u 수정체의 빛의 굴절 성질을 이용 n 평면 TV (PDP) u 플라즈마 이용

28 28 입력 장치 n 키보드 n 최소한 하나 이상의 지시 장치를 지원 u 디스플레이 장치상의 특정 위치를 지정하고 프로세스에 신호를 주기 위해 하나 이상의 버튼을 제공 u 마우스 u 광펜 u 조이스틱 u 데이터 타블릿 (Data Tablet) 등

29 29 이미지 : 물리적 이미지 n 물리적 이미지 u 카메라나 인간의 시각 시스템 등의 광학 시스템에 의해 생성 n 물리적 영상획득과정 : 사람 망막 필름 n 물리적 영상획득과정 : 카메라

30 30 이미지 : 합성 이미지  합성 이미지  컴퓨터에 의해 생성된 이미지  물리적 이미지와 합성 이미지의 형성 과정이 비슷  물리적 영상획득의 시뮬레이션  물리적 이미지 생성 과정을 바탕으로 컴퓨터 그래픽스 모 형을 제시

31 31 객체와 관측자 (1) 객체와 관측자 (1) n 이미지 형성의 두 요소 u 객체 (Object) u 관측자 (Viewer) n객 체n객 체 u 이미지 형성 과정이나 관측자에 무관하게 공간상에 존재 u 정점 (vertex) 이라 불리는 공간상의 위치들의 집합으로 객체들을 정의하거나 근사 F 직선 : 두 개의 정점으로 정의 F 삼각성 : 세 개의 정점으로 정의 F 원 : 중심 정점과 원 표면의 하나의 정점으로 정의

32 32 객체와 관측자 (2) n 관측자 u 객체들을 관측하여 그들의 이미지를 형성하는 주체 u 관측자 명세 : 위치, 보는 방향, 렌즈, 투영 등

33 33 객체와 관측자 (3) n 이미지 u 이미지 : 사람 – 망막, 카메라 – 필름 u 객체와 관측자 : 3 차원 세계에 존재 u 객체의 명세가 관측자의 명세와 결합하여 2 차원 이미지 생성

34 34 빛과 이미지 빛이 없으면  이미지에 아무것도 보이지 않음 A camera system with a light source  물리적 접근 : 광원  물체의 표면  반사광  카메라 렌즈

35 35 빛 n 전자기파의 한 형태 n 파장 : 350nm - 780nm u 프리즘 The Electromagnetic Spectrum

36 36 단순화된 빛의 모델 n 물리적으로 실제의 광원은 아주 복잡 n 빛의 단순화 u 점 광원 (point light) F 모든 방향으로 동일한 에너지 방출 u 단색 광원 (monochromatic light) F 빛의 밝기 만을 다룸 Point Light

37 37 광선 추적 (Ray Tracing) (1) Ray Tracing ( 원기둥 : 난반사, 사각형 : 거 울, 구 : 반투명 ) n 광원으로부터 광선을 따라감 으로써 이미지 형성의 모형 설정 n 광선 (ray) : 한 점으로부터 나가서 특정 방향으로 무한하게 진행하는 반직선 n 광선과 표면의 상호 작용 u 정반사 (specular) : 거울 u 난반사 (diffuse) : 백묵 u 굴절 : 투명 유리, 물

38 38 광선 추적 (Ray Tracing) (2) n 물리적인 현상에 근거한 이미지 형성 기법 n 복잡한 물리적 효과를 시뮬레이션 가능 n 굉장히 사실적인 이미지 생성 가능 n 아주 많은 계산량이 필요  보다 단순화된 방법 필요

39 39 인간의 시각 시스템 (1) 인간의 시각 시스템 n 각막 (cornea) n 수정체 (lens) n 홍체 (iris) n 망막 (retina) n 간상체 (rod) : 야간 n 추상체 (cone) : 주간, 3 가지 종류 ( 각각 다른 파장에 반응 )

40 40 인간의 시각 시스템 (2) n 조도 (Intensity) : 빛 에너지의 물리적인 척도 n 휘도 (brightness) : 사람이 인식하는 빛의 세기 u 녹색에 보다 민감 CIE 표준 관측자 곡선 녹색 영역

41 41 삼색 이론 n 세가지 추상체의 감도 곡선 u 세가지 추상체  필름이나 CRT 에 세가지 색을 사용 추상체 감도 곡선

42 42 바늘 구멍 카메라 바늘구멍 카메라 모델 n 기하학적 모형에 근거한 이미지 형성 방법 u 카메라의 방향 z 축 u 한 점으로부터는 하나의 광선만 통과

43 43 바늘 구멍 카메라의 투영 y : z = y p : d x : z = x p : d

44 44 화각 (Field of view)

45 45 피사계 심도 (depth of field) n 무한대의 DOF u 화각 내의 모든 점들의 초점이 맞음 n 바늘 구멍 카메라의 단점 u 화각 조절 불가능 u 구멍을 통과하는 빛의 양이 작다  렌즈를 사용하여 두 문제를 해결 가능

46 46 합성 카메라 모형 (1) n 합성카메라 모형 u 컴퓨터에 의한 이미지 생성이 광학 시스템을 이용한 이미지 생성과 비슷한 것으로 봄 n 몇 가지 원리들 u 객체는 관측자에 독립적으로 기술됨 u 삼각함수에 연산에 의해 이미지 계산 가능 영상 시스템

47 47 합성 카메라 모형 (2) n 단순 삼각 함수 계산으로 이미지를 계산 u 필름을 렌즈 앞쪽으로 이동 이미지 형성의 등가적 표현들

48 48 합성 카메라 모형 (3) n 이미지 생성 모델 투영선 (Projector) 투영중심 (Center of Projection) 투영면 합성 카메라를 이용한 이미지 형성

49 49 화각 n 투영면에 절단 윈도우 (clipping window) 를 정의함으로써 화각을 기술 클리핑 : (a) 원래 위치 (b) 이동된 윈도우

50 50 영상 생성과정 --- 개념적 (i) 객체의 형상과 위치 { (x, y, z) } (ii) 객체의 재질 (iii) 카메라 – 위치 – 방향 – 초점거리 – 화각 (iv) 조명

51 51 영상 생성과정 --- 알고리즘 describe_camera (); describe_objects (); describe_light (); move_camera (); move_objects (); project (); display ();