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Lecture #2 - PowerPoint PPT Presentation


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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
lecture 2

Lecture #2

제 1 장. 컴퓨터 그래픽스 시스템과 모델

slide2
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

slide3
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
slide4

시각화(Visualization)

통상적 컴퓨팅

컴퓨터 그래픽스

컴퓨터 비전

영상처리

다른 분야와의 관계

데이터

기 호

이미지

opengl
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.
slide6
컴퓨터 그래픽스의 응용
  • 정보의 표시
  • 설계
  • 시뮬레이션
  • 사용자 인터페이스
slide7

피부 : 투명

근육 : 불투명

지구 멘틀

- 등온도면

정보의 표시
  • 건축 도면
  • 지도
  • 통계 데이터 표현
  • 의학
  • 과학적 시각화(Scientific Visualization)
ct mri
의학 - CT, MRI

3차원 이미지 생성

computer aided design
설계 (Computer Aided Design)
  • VLSI 회로 설계
  • 기계
slide10
건축 설계

Wireframe

투시 렌더링

slide11
반복적 설계과정
  • 설계도구를 이용한 설계
  • 설계의 가시화
  • 설계의 테스트 - 시뮬레이션
  • 설계의 수정
slide12
시뮬레이션(1)
  • 비행 시뮬레이션 : 조종사 훈련
  • 로봇 시뮬레이터
    • 로봇의 설계, 이동 경로 계획, 행동 시뮬레이션
slide13
시뮬레이션(2)
  • TV, 영화, 광고
    • 사진 수준의 이미지 생성

영화의 장면 : 공장 내부

로봇 “Ed”

slide16
고급 렌더링 기법들

광선 추적(ray tracing) 기법

조명, 무늬, 환경 사상

방사성(radiosity) 기법

slide17
가상현실
  • HMD, 위치 추적, 힘-감지 글러브
  • 수술 훈련, 우주 비행사 훈련

Avatar (화신) : 가상 공간에서 서로 상호 작용

HMD

손의 상태 감지 센서

slide18
사용자 인터페이스
  • 윈도우, 아이콘, 메뉴 활용
  • 지시장치 – 마우스

예)

    • Windows ME
    • X-윈도우
    • 웹 브라우저
slide19
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
slide20
그래픽 시스템
  • 범용 컴퓨터 시스템의 구성 요소들을 모두 포함

그래픽 시스템의 구성

slide21
화소와 프레임 버퍼(1)
  • 대부분의 그래픽스 시스템은 래스터(raster) 방식을 지원
    • 그림은 화소(pixel)의 배열인 래스터로 생성됨
    • 비교 : 벡터 방식
slide22
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
slide23
프로세서 장치
  • 프로세서
    • 단순 시스템 : CPU가 모두 수행
    • 고급 시스템 : 독립적인 그래픽 프로세서 사용
slide24
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
slide26
컬러 CRT
  • RGB 삼색의 인광체를 삼색조(triad)로 배열
  • 셰도우 마스크(shadow-mask)
    • 전자를 조준하기 쉽게 해주는 장치
slide27
기타 출력 장치
  • LCD(Liquid Crystal Display)
    • 수정체의 빛의 굴절 성질을 이용
  • 평면 TV (PDP)
    • 플라즈마 이용
slide28
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
slide29

망막

필름

이미지: 물리적 이미지
  • 물리적 이미지
    • 카메라나 인간의 시각 시스템 등의 광학 시스템에 의해 생성
  • 물리적 영상획득과정 : 사람
  • 물리적 영상획득과정 : 카메라
slide30
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
slide31
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
slide32
객체와 관측자(2)
  • 관측자
    • 객체들을 관측하여 그들의 이미지를 형성하는 주체
    • 관측자 명세 : 위치, 보는 방향, 렌즈 , 투영 등
slide33
객체와 관측자(3)
  • 이미지
    • 이미지 : 사람 – 망막, 카메라 – 필름
    • 객체와 관측자: 3차원 세계에 존재
    • 객체의 명세가 관측자의 명세와 결합하여 2차원 이미지 생성
slide34

A camera system with a light source

빛과 이미지
  • 빛이 없으면 이미지에 아무것도 보이지 않음
  • 물리적 접근 :
  • 광원  물체의 표면  반사광  카메라 렌즈
slide35
  • 전자기파의 한 형태
  • 파장 : 350nm - 780nm
    • 프리즘

The Electromagnetic Spectrum

slide36
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

ray tracing 1
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)

ray tracing 2
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
slide39
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

slide40

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

slide41
삼색 이론
  • 세가지 추상체의 감도 곡선
    • 세가지 추상체  필름이나 CRT에 세가지 색을 사용

추상체 감도 곡선

slide42
바늘 구멍 카메라
  • 기하학적 모형에 근거한 이미지 형성 방법
    • 카메라의 방향 z 축
    • 한 점으로부터는 하나의 광선만 통과

바늘구멍 카메라 모델

slide43
바늘 구멍 카메라의 투영
  • y : z = yp : d
  • x : z = xp : d
depth of field
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

slide46
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

slide47
합성 카메라 모형 (2)
  • 단순 삼각 함수 계산으로 이미지를 계산
    • 필름을 렌즈 앞쪽으로 이동

이미지 형성의 등가적 표현들

slide48

투영면

투영선(Projector)

투영중심(Center of Projection)

합성 카메라 모형 (3)
  • 이미지 생성 모델

합성 카메라를 이용한 이미지 형성

slide49
화각
  • 투영면에 절단 윈도우(clipping window)를 정의함으로써 화각을 기술

클리핑 : (a) 원래 위치 (b) 이동된 윈도우

slide50
영상 생성과정 --- 개념적

(i) 객체의 형상과 위치 { (x, y, z) }

(ii) 객체의 재질

(iii) 카메라

  • 위치
  • 방향
  • 초점거리
  • 화각

(iv) 조명

slide51
영상 생성과정 --- 알고리즘

describe_camera ();

describe_objects ();

describe_light ();

move_camera ();

move_objects ();

project ();

display ();