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Lecture #2

Lecture #2. 제 1 장. 컴퓨터 그래픽스 시스템과 모델. 강의 개요. 컴퓨터 그래픽스 개론 및 3 D 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

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Presentation Transcript

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

  2. 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

  3. 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

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

  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. 컴퓨터 그래픽스의 응용 • 정보의 표시 • 설계 • 시뮬레이션 • 사용자 인터페이스

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

  8. 의학 - CT, MRI 3차원 이미지 생성

  9. 설계 (Computer Aided Design) • VLSI 회로 설계 • 기계

  10. 건축 설계 Wireframe 투시 렌더링

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

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

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

  14. 영화의 장면들 꽃 섬광

  15. 실제로는 만들기 불가능한 장면

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

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

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

  19. 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

  20. 그래픽 시스템 • 범용 컴퓨터 시스템의 구성 요소들을 모두 포함 그래픽 시스템의 구성

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

  22. 화소와 프레임 버퍼(2) • 프레임 버퍼( Frame Buffer) • 출력될 화소가 저장되는 메모리 • 프레임 버퍼의 깊이(depth) • 각 화소에 사용된 비트 수 • 24 비트 • 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

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

  24. 출력 장치 • 가장 보편적인 출력 장치 : 음극선관(CRT) • 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

  25. CRT(Cathode-Ray Tube)

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

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

  28. 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

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

  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 모형을 제시

  31. 객체와 관측자(1) • 이미지 형성의 두 요소 • 객체(Object) • 관측자(Viewer) • 객 체 • 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 : 중심 정점과 원 표면의 하나의 정점으로 정의

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

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

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

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

  36. 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

  37. 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)

  38. 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

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

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

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

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

  43. 바늘 구멍 카메라의 투영 • y : z = yp : d • x : z = xp : d

  44. 화각(Field of view)

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

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

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

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

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

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

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