GPU기반 3차원 수묵담채 렌더링 기법

Abstract

예술적인 효과를 표현하기 위한 비사실적 렌더링(Non-Photorealistic Rendering)은 사진과 차이를 구별할 수 없는 이미지를 만들어 내는 것을 목적으로 하는 사실적 렌더링(Photorealistic Rendering)과 상반되는 개념으로, 수채화, 유화, 카툰 등의 다양한 회화적 스타일로 렌더링 하는 기법을 말한다. 기존의 컴퓨터 그래픽스 연구에서 주된 목적으로 했던 사실적 렌더링이 영화 등에 사용되면서 실세계와 거의 구별할 수 없을 정도의 렌더링 결과를 보여주었던 반면, 최근 다양한 예술 기법의 비사실적 렌더링에 대한 연구가 활발히 진행되면서 게임, 애니메이션, 광고 등에서 새로운 표현 기법으로 활용되고 있다. 특히 동양화풍의 3차원 컨텐츠 제작에 활용될 수 있는 수묵담채 렌더링은 최근 산업계에서 그 수요가 증가하고 있음에도 불구하고, 대부분이 디자이너들의 수작업이나 전처리 과정 등을 거쳐서 제작되고 있으며, 게임 등에서 실시간으로 적용될 수 있는 3차원 모델의 자동화된 렌더링 기법을 다룬 연구는 이루어진 바가 없다. 그래픽스 분야에서 진행되었던 기존의 동양화풍 렌더링 연구의 경우, 색채가 동양화의 표현에 있어서 중요한 구성요소 중의 하나임에도 불구하고, 먹색만을 이용한 수묵화의 표현에 한정되어 왔다. 또한 기존의 색채합성에 대한 연구들은 수채화, 유화 등 서양화를 대상으로 한 색채 합성방법만을 고려했기 때문에, 일반적으로 삼색(담색, 중색, 농색)이 단계적으로 번져나가면서 표현되는 수묵담채화의 농담 및 질감 효과의 특성을 반영하기 위해서는 수묵담채화에 이용되는 색채표현법 모델링하고, 그 제작기법을 일반화 하여 3차원 모델에 자동적으로 적용할 수 있는 렌더링 프로세스를 개발할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 수묵담채 렌더링에 적합한 색채표현법과 그 합성법을 중심으로 3D 게임이나 가상현실 등 실시간 환경의 컨텐츠 제작에 활용 가능한 수묵담채 렌더링 기법을 제안한다. 제안된 기법은 사용자가 입력한 임의의 3차원 모델을 이용해 실시간으로 수묵담채화 풍의 렌더링 결과를 생성하는 것을 목표로 하며, 동양적인 색채의 합성을 위해서는 실제 회화매체에 가까운 색상을 재현할 수 있는 Kubelka-Munk(KM)모델을 적용한다. 본 논문에서는 농담 및 질감표현, KM 모델을 적용한 색채 합성, 윤곽선 표현, 원근 및 종이 표현의 네 단계로 나누어 수묵담채 렌더링 알고리즘을 제안하며, 제안된 주요 알고리즘을 정리해 보면 다음과 같다. 첫 번째, 농담과 질감 효과의 경우 일반적으로 삼색이 단계적으로 번져나가면서 표현되는 수묵담채화의 특성에 따라, 실제 그림을 그릴 때에 적용되는 삼색의 혼합방법과 순서가 자동으로 적용될 수 있는 삼색 기반 구조를 통해 표현되었다. 이러한 구조는 기존의 단일 먹색 기반 수묵화 연구에서 제안했던 렌더링 프로세스에서는 표현이 불가능했던 색채에 의한 농담 및 질감 표현을 위해 제안된 것으로, 삼색의 정보가 실제 수묵담채화 제작 기법에 기반하여 자동으로 3차원 모델의 농담 및 질감 표현에 적용될 수 있도록 한다. 두 번째로 삼색 레이어의 색채 합성을 위해서는 안료의 광학적 성질을 반영하여 기존의 색상 모델(RGB, CMYK 등)보다 실제 회화매체에 가까운 색상을 재현할 수 있는 Kubelka-Munk(KM)모델을 적용한다. 본 논문에서는 실제 수묵담채화에 이용되는 전통안료가 착색된 실제 이미지의 색상 분석을 통해 KM모델에 적용할 계수들을 추출하고, 앞에서 설계한 삼색 기반 구조에 따라 색상의 번짐 효과를 표현 할 수 있는 합성 방법을 제시한다. 이와 같은 수묵담채 렌더링 기법의 실시간 처리를 위해서는, 그래픽 하드웨어의 가속기능에 기반한 GPU Shader를 이용하여 3차원 모델의 볼륨정보에 의한 농담 및 질감 표현과 KM 모델의 색상 계산 등에 이용되는 복잡한 계산을 실시간으로 처리함으로서, 결과 영상의 질과 실시간 처리 능력을 동시에 만족시키고자 한다.;Non-photorealistic rendering researches have investigated aesthetic and stylized element into computer graphics by simulating various artistic styles such as cartoon, watercolor, oil painting. In particular, automated rendering techniques in oriental painting style are demanding in the entertainment industry such as game, animation since they makes the contents more unique. Among several factors contributing oriental painting style, coloring method is very special. Generally traditional artists put 3 colors on the different parts of the brush at the same time and they express the tone and diffusion effect affected by correct orders and the way of compound application of these 3 colors. Moreover, the oriental color pigments have unique optical properties on account of using natural materials and their resulting form in solution. Most existing works, however, have only focused on the black ink diffusion and the representation of western color pigments. Therefore, their ink models and rendering frameworks are inappropriate for oriental color-ink style painting. This paper proposes an oriental color-ink model based rendering method which provides an automated way of rendering arbitrary 3D models in oriental style which is also suitable for real-time application such as games and virtual environments. In our approach, we define a novel rendering framework that consists of 4 components for rendering arbitrary 3D models in oriental style :Volume & Color Diffusion expression, Color Composition, Silhouette expression and Depth & Paper expression. To simulate the rich oriental color, we focus on the following two main algorithms : First, we propose a color-ink model consisting of 3-layers according to the different color tones (Base, Mid and Vivid tone) from the real artists’ standpoints. To meet the requirements of the correct order and methods of applying color layers in oriental painting, a new algorithm is suggested for expressing Volume & Diffusion using this 3-layered color model. Secondly, for realistic Color Composition effect, we provide how we could simulate the optical effect of superimposed 3 color layers using Kubelka-Munk (KM) compositing model by finding its coefficients from the true representation of real paint media. We implemented our oriental color-ink model based framework on a GPU, and we finally show the achievement of real-time rendering results where we can render a 212,452 faces at 21.7 fps on a 3.2Ghz, Intel 4P CPU with NVIDIA GeForce 6800 GPU.