3차원 지오메트리 프로세서 및 이의 제어 방법{THREE DIMENSION GIOMETRY PROCESSOR AND CONTROL METHOD THEREOF}

도 1은 종래기술에 따른 지오메트리 처리 과정의 순서도.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 3차원 지오메트리 프로세서의 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 3차원 지오메트리 처리 과정의 순서도.

도 4는 본 발명에 따른 조명 계산 과정의 순서도.

본 발명은 3차원 지오메트리 프로세서 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지오메트리 처리 과정에서 연산량을 줄일 수 있는 3차원 지오메트리 프로세서 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

3차원 컴퓨터 그래픽 기술은 컴퓨터 분야뿐만 아니라 게임, 영상, 교육, 출판, 군사, 의료 분야 등 모든 분야에 걸쳐서 사용되는 핵심 기반 기술이다.

현재, 3차원 컴퓨터 그래픽에 있어서 게임, 가상 현실, 과학적 시각화(scientific visualization), VRML(virtual reality modeling language)과 같이 응 용 분야가 확대되고 있는 실정이다.

한편, 3차원 그래픽 처리를 위해 개발된 하드웨어 가속기는 과거에 고가의 컴퓨터 시스템에만 채택되었지만 최근에는 개인용 컴퓨터에 3차원 그래픽 가속기가 기본적으로 장착되어 있으며, 점차 휴대폰, PDA 등 휴대용 정보기기에서도 3차원 그래픽 표현에 대한 사용자의 요구가 증가하면서 3차원 그래픽 가속기가 장착되고 있는 실정이다.

3차원 그래픽 처리는 데이터베이스 트래버셜(Database Traversal), 지오메트리 처리(Geometry Processing) 및 래스터라이제이션(Rasterization)과 같은 3가지 단계를 순차적으로 처리하는 과정이며, 이중 지오메트리 처리는 데이터베이스 트래버셜 단계에서 생성된 데이터를 파이프라인 방식으로 기하학적으로 변환시키는 과정이다.

과거에는 이와 같은 지오메트리 처리를 범용 프로세서가 담당하였으나, 점차적으로 CPU와 독립된 전용 그래픽 프로세서가 지오메트리 처리 과정을 수행하는 추세이다.

도 1은 종래기술에 따른 지오메트리 파이프라인 구조를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 모델/시야 변환(100)은 그래픽 객체를 시야 공간(eye space)으로 옮기는 과정으로서, 4x4 행렬의 곱셈으로 수행된다. 모델/시야 변환 후, 그래픽 객체를 조금 더 현실감이 있게 표현하기 위해 OpenGL(Open Graphics Library)에서 정의한 조명 계산 수식을 수행하여 해당 물체의 각 정점 색상을 계산하는 조명 계산(Lighting Calculation, 104)을 수행한다.

조명 계산(104)에서 사용되는 수식은 아래의 수학식 1과 같다.

수학식 1에 나타난 바와 같이, 조명 계산을 위해서는 상당히 많은 연산 과정이 수행되며, 광원의 개수가 많아질수록 연산량이 기하 급수적으로 증가한다.

한편, 투영 처리(102)는 시각 절두체라는 공간으로 해당 그래픽 객체를 옮기는 작업이다. 여기서 시각 절두체는 시야에 속하는 부분을 의미한다.

투영 처리된 객체는 트리비얼 리젝션/백페이스 컬링(Trivial Rejection/Backface Culling, 106)된다.

이는 시각 절두체에서 완전히 밖에 있는 객체와 시야에 보이지 않는 객체의 뒷면을 제거하는 과정이며, 데이터량을 감소시켜 불필요한 연산을 줄이기 위한 과정이다.

다음으로, 클리핑(Clipping, 108)이 수행되는데, 상기한 트리비얼 리젝션/백페이스 컬링이 완전히 보이지 않는 부분을 제거하는 것이라면 클리핑은 시각 절두체에 걸쳐 있는 부분을 보정하는 것으로서, 시각 절두체 밖에 있는 정점은 제거하 고 대신 시각 절두체에 걸쳐 있는 부분에 대해 새로운 정점을 생성하는 과정이다.

상기와 같은 과정을 거친 그래픽 객체는 3차원으로 표현될 수 있는 데이터지만, 이러한 그래픽은 2차원 디스플레이에 표시되므로 뷰포트 변환(110)은 기하학적으로 변환된 데이터를 2차원 화면 좌표계로 변환한다.

종래기술에 따른 지오메트리 처리 과정에서 조명 계산은 모델/시야 변환 후에 수행되기 때문에 조명 계산이 그래픽 객체 전체에 대한 정점 단위로 이루어지는데, 수학식 1을 이용하여 정점 단위로 조명 계산하는 경우, 연산량이 매우 많아 지오메트리 처리 과정 전체가 지연되는 문제점이 있었다.

OpenGL에서 허용되는 광원의 수는 최소 8개까지 지원할 수 있는데, 최소 8개 이상의 광원에 대해 정점 단위로 조명 계산하면 연산량이 상당이 많아질 수밖에 없어 전체적인 처리 시간을 지연시키게 된다.

또한, 조명 계산 과정에서의 시간 지연으로 다른 파이프라인에서의 데이터 처리 과정이 함께 지연되는 문제점이 있었다.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 조명 계산 과정에서 연산량을 줄일 수 있는 3차원 지오메트리 프로세서 및 이의 제어 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 조명 계산 시간의 단축으로 지오메트리 프로세서의 성능을 개선할 수 있는 3차원 지오메트리 프로세서 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 복수의 그래픽 객체의 공간을 동일한 공간으로 변환하는 모델/시야 변환부; 상기 변환된 그래픽 객체의 시야 영역을 정규 시야 영역인 시각 절두체로 변환하는 투영 처리부; 상기 그래픽 객체를 구성하는 프리미티브(primitive)가 상기 시각 절두체에 포함되는지 여부에 관한 판단 정보를 출력하는 컬링부-상기 프리미티브는 적어도 3개의 정점으로 이루어짐-; 상기 시각 절두체에 포함되는 프리미티브의 정점에 대해 조명을 계산하는 조명 계산부; 및 상기 조명 계산된 프리미티브 중 상기 시각 절두체에 걸쳐 있는 성분에 대해 새로운 정점을 생성하는 클리핑부를 포함하는 3차원 지오그래피 프로세서가 제공된다.

바람직하게 상기 조명 계산부는 상기 모델/시야 변환부로부터 상기 그래픽 객체의 정점 및 조명의 위치, 종류 및 방향 중 적어도 하나를 포함하는 조명 인자 정보를 수신할 수 있다.

더욱 바람직하게, 상기 조명 계산부는 상기 판단 정보를 이용하여 상기 모델/시야 변환부로부터 수신된 정점 중 상기 시각 절두체에 포함되는 정점에 대해 선택적으로 조명을 계산할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 클리핑부에서 출력된 프리미티브를 2차원으로 디스플레이 되도록 변환하는 뷰포트 변환부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 그래픽 객체를 기하학적으로 변환시키는 지오메트리 프로세서를 제어하는 방법에 있어서, (a) 상기 그래픽 객체의 공간을 동 일한 공간으로 변환하는 모델/시야 변환 단계; (b) 상기 변환된 그래픽 객체의 시야 영역을 정규 시야 영역인 시각 절두체로 변환하는 투영 처리 단계; (c) 상기 그래픽 객체를 구성하는 프리미티브(primitive)가 상기 시각 절두체에 포함되는지 여부에 관한 판단 정보를 출력하는 컬링 단계-상기 프리미티브는 적어도 3개의 정점으로 이루어짐-; (d) 상기 시각 절두체에 포함되는 프리미티브의 정점에 대해 조명을 계산하는 조명 계산 단계; 및 (e) 상기 조명 계산된 프리미티브 중 상기 시각 절두체에 걸쳐 있는 성분에 대해 새로운 정점을 생성하는 클리핑 단계를 포함하는 3차원 지오그래피 프로세서 제어 방법이 제공된다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3차원 지오메트리 프로세서 및 이의 제어 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 3차원 지오메트리 프로세서의 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 지오그래피 프로세서는 모델/시야 변환부(200), 투영 처리부(202), 트리비얼 리젝션/백페이스 컬링부(204, 이하, '컬링부'라 함), 조명 계산부(206), 클리핑부(208) 및 뷰포트 변환부(210)를 포함할 수 있으며, 각 수단은 파이프라인 방식으로 연결된다.

그래픽이 최종적으로 화면에 디스플레이 되기까지 각 그래픽 객체(모델)는 여러 개의 다른 공간 또는 좌표계로 변환된다.

본래 하나의 그래픽 객체는 자신의 고유한 공간에 존재하는데 모델/시야 변 환부(200)는 이러한 객체에 자신의 위치와 방향을 정하도록 해주는 과정을 수행한다.

동일한 그래픽 객체에 대해 여러 가지 모델 변환이 적용될 수 있으며, 객체를 옮기고, 회전시키며, 그 모양과 크기를 줄이거나 늘이는 스케일링 과정이 모델 변환에 포함될 수 있다.

모델/시야 변환에 의해 변형되는 대상은 그래픽 객체의 정점과 법선 벡터들이며, 물체의 좌표는 모델 좌표라고 불리며, 모든 모델들이 모델/시야 변환에 의해 변환되며, 모든 그래픽 객체들은 동일한 공간에 존재하게 된다.

모델/시야 변환된 객체는 투영 처리부(202)에 입력되며, 투영 처리부(202)는 투영 과정을 수행한다.

투영 처리는 시야 영역을 양끝 모서리 점이 (-1,-1-1)과 (1,1,1)의 좌표를 가지는 단위 정육면체로 변환하는 것이다.

이와 같은 단위 정육면체를 정규 시야 영역(canonical view volume) 또는 시각 절두체(frustum)라 한다.

대표적인 투영 방법으로는 평행 투영(parallel projection)이라고 불리는 직교 투영(orthographic projection)과 원근 투영(perspective projection)이 있다.

직교 투영에서 시야 영역은 보통 직사각형 상자 모양이며, 직교 투영에 의해 이러한 시야 영역은 단위 정육면체로 변환된다. 이는 객체 상에서 평행선이 투영 처리 후에도 평행을 유지한다.

원근 투영은 객체가 카메라에서 멀어질수록 투영한 후에 더 작아지게 되며, 평행선은 수평선에서 한 점으로 수렴할 수 있다. 따라서 원근 투영 변환은 사람이 객체의 크기를 인지하는 방법을 이용하는 것으로서, 기하학적 용어로 절두체라는 시야 영역을 이용한다.

여기서, 절두체는 직사각형의 바닥면을 가지며, 정점이 잘려진 피라미드 모양을 갖는다. 본 발명은 원근 투영 방법을 사용할 수 있다는 점에서 정규 시야 영역을 시각 절두체라는 용어로 사용할 것이나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 정규 시야 영역이 반드시 시각 절두체로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 컬링부(204)는 투영이 이루어진 후, 시각 절두체(frustum) 밖에 존재하는 요소들을 제거할 수 있는 판단 정보를 생성하며, 이에 따라 불필요한 연산 과정이 제거될 수 있다.

일반적으로 그래픽 객체는 프리미티브(primitive)라는 기본 단위를 통해 표현될 수 있는데, 여기서 프리미티브는 일반적으로 3개의 정점으로 이루어진 삼각형으로서, 그래픽 객체 표현의 기본 단위이다.

또한, 컬링부(204)에서 생성하는 판단 정보는 그래픽 객체를 구성하는 프리미티브가 상기 시각 절두체에 포함되는지 여부에 관한 정보를 의미한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 컬링부(204)에 생성한 판단 정보는 조명 계산부(206)로 출력되며, 조명 계산부(206)는 시각 절두체에 포함되는 정점에 대해서만 선택적으로 조명을 계산하는 과정을 수행한다.

조명 계산은 그래픽 객체를 보다 현실감이 있게 표현하기 위해, 그래픽 객체에 한 개 또는 그 이상의 광원을 집어넣는 것으로서, 사용자는 광원을 온/오프 함 으로써 그 광원이 최종 이미지에 영향을 미치도록 할지 선택할 수 있다.

조명의 종류는 크게 세가지로 분류될 수 있는데, 전체적으로 모든 방향으로부터 비추어지는 환경광(ambient light), 특정한 방향으로부터 비추어지지만 반사는 여러 방향으로 이루어지는 확산광(diffuse light), 확산광처럼 유 방향성 빛이지만 특정한 방향으로 뚜렷하게 빛을 반사시키는 반사광(specular light)이 그것이다.

조명 계산부(206)는 광원에 의해 영향을 받게 되는 그래픽 객체들이 정해지면 전술한 수학식 1을 이용하여 그래픽 객체의 각 정점 색상을 계산한다.

조명 계산에서, 그래픽 객체를 구성하는 각 정점에서의 색상은 광원의 위치와 속성, 정점이 위치와 법선 벡터, 정점을 포함하고 있는 물체의 특성(물성)과 같은 조명 인자 정보를 이용하여 계산하여, 이러한 조명 인자 정보는 모델/시야 변환부(200)로부터 수신할 수 있다.

삼각형의 각 정점에서의 색상은 화면상에 렌더링되는 시점에서 삼각형 위의 점들로 보간된다. 이러한 보간 기법을 Gouraud 셰이딩이라고 하며, 조금 더 정교한 조명 효과를 표현하기 위해 래스터화 과정에서 픽셀 셰이딩(pixel shading) 기법이 사용될 수 있다.

이처럼, 조명 계산은 그래픽 객체의 정점에 대한 색상을 계산하는 것으로서, 종래에는 모델/시야 변환된 모든 모델의 정점에 대해 조명 계산 과정을 수행하였다.

그러나, 이러한 처리 방법은 컬링부(204)에 시각 절두체를 벗어난 정점에 대 해서도 계산 과정을 수행하기 때문에 불필요한 연산 시간을 증가시키는 문제점이 있었으므로 본 발명에 따른 조명 계산부(206)는 컬링부(204)에서 출력된 판단 정보를 이용하여 시각 절두체에 포함된 정점에 대해서만 선택적으로 조명 계산 과정을 수행한다.

조명 계산부(206)는 모델/시야 변환부(200)로부터 그래픽 객체의 정점을 수신하는데, 이는 정점이 투영 과정을 거치는 경우에 왜곡이 발생할 수 있기 때문이다. 그러나, 모델/시야 변환부(200)로부터 정점을 수신한다고 하더라도 본 발명에 따르면, 조명 계산부(206)는 프리미티브 단위로 조명을 계산한다.

이는 트리비얼 리젝션/백페이스 컬링(컬리 과정)이 프리미티브 단위로 이루어지기 때문에 상기한 판단 정보도 프리미티브 단위로 시각 절두체에 포함되는지에 관한 정보를 포함하기 때문이다.

조명 계산된 프리미티브 정보는 클리핑부(208)로 입력되며, 클리핑부(208)는 시각 절두체에 걸쳐 있는 부분을 보정하는 과정을 수행한다.

클리핑부(208)에는 시각 절두체에 완전히 포함되는 프리미티브(기하 요소)나 시각 절두체에 부분적으로 포함되는 프리미티브가 전달되며, 클리핑부(208)는 시각 절두체에 부분적으로 포함된 프리미티브를 클리핑(Clipping)한다.

클리핑 과정은 예를 들어, 프리미티브에서 하나의 정점은 시각 절두체 바깥쪽에 있고, 다른 정점은 안쪽에 있는 경우, 해당 프리미티브에서 시각 절두체 경계를 기준으로 바깥쪽에 있는 정점을 그 성분과 시각 절두체의 교차점에 위치하는 새로운 정점으로 대치하는 것이다.

뷰포트 변환부(210)에는 클리핑 과정에 의해 시각 절두체에 포함되는 프리미티브 정보들만이 전달된다.

뷰포트 변환부(210)에 입력되는 프리미티브의 좌표는 아직까지 3차원이나 이를 2차원 화면에 출력해야 하기 때문에 뷰포트 변환부(210)는 각 프리미티브의 x와 y 좌표들을 화면 좌표계(screen coordinates) 형성을 위해 변환한다.

일반적으로 z좌표를 포함하는 좌표계를 윈도우 좌표계(window coordinates)라 하는데, 하나의 화면은 (x1,y1)을 최소 모서리로 가지고 (x2,y2)를 최대 모서리로 가지는 윈도우 내에 렌더링되어야 한다.

여기서, x1<x2이며, y1<y2이며, 뷰포트 변환은 크기 변환 연산과 평행 이동을 연속적으로 수행하는 것이라 할 수 있다.

이처럼 화면 매핑된 프리미티브 정보(기하 요소)는 래스터화 단계로 전달된다.

본 발명에 따르면, 트리비얼 리젝션 및 백페이스 컬링과 같은 컬링 과정이 수행된 정점에 대해서만 프리미티브 단위로 조명을 계산하는데, 상기한 컬링에 의해 대략 60%의 정점에 대한 조명 계산 과정이 생략되기 때문에 조명 계산부(206)는 조명 계산 시간을 단축시킬 수 있으며 이에 따라 전체적인 프로세서 성능을 높일 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 3차원 지오메트리 처리 과정의 순서도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 지오메트리 프로세서는 범용 프로세서 등에서 처리된 그래픽 객체의 정점 정보를 수신하며(S300), 수신된 그래픽 객체에 대 해 모델/시야 변환 과정을 수행한다(S302).

전술한 바와 같이, 모델/시야 변환은 물체를 구성하는 복수의 그래픽 객체를 동일한 공간으로 이동시키는 것이다.

다음으로, 모델/시야 변환된 그래픽 객체를 투영 처리하며(304), 이는 객체를 시각 절두체를 옮기는 과정이다.

투영 처리된 그래픽 객체는 컬링 처리되는데(S306), 여기서 컬링 처리는 트리비얼 리젝션 및 백페이스 컬링을 포함하는 것으로서, 그래픽 객체를 구성하는 기본 단위인 프리미티브 중 상기한 시각 절두체에 포함되는 프리미티브가 어느 것인지 판단하는 과정이다.

본 발명에 따른 지오메트리 프로세서는 컬링된 정점에 대해 조명을 계산하며(308). 이에 따라 종래에 비해 조명 계산이 필요한 정점의 수가 시각 절두체에서 벗어난 정점 수만큼 감소할 수 있게 된다.

여기서, 조명 계산은 프리미티브 단위로 이루어지며, 조명 계산된 프리미티브는 시각 절두체의 부분적으로 포함된 성분을 보정하는 클리핑 과정을 거치게 된다(S310).

이후, 화면 매핑이 수행되며(S312), 이는 클리핑까지 거친 기하 요소가 3차원이므로 이를 2차원 디스플레이에 표현하기 위해 2차원으로 변환하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 조명 계산 과정의 순서도이다.

도 4는 조명 계산부(206)의 처리 과정을 도시한 것으로서, 도 4를 참조하면, 조명 계산부(206)는 모델/시야 변환부(200)로부터 그래픽 객체를 구성하는 정점 정 보 및 조명 인자 정보를 수신한다(S400).

조명 인자 정보는 조명 계산을 위해 필요한 조명의 종류, 위치 및 방향 정보 중 하나를 포함할 수 있다.

이후, 컬링부(204)로부터 그래픽 객체를 구성하는 프리미티브가 시각 절두체에 포함되는지 여부에 관한 판단 정보를 수신한다(S400).

본 발명에 따른 조명 계산부는 판단 정보를 이용하여 상기 수신된 정점이 시각 절두체에 포함되는지 여부를 판단하며(S404), 시각 절두체에 포함되는 정점에 대해서만 선택적으로 조명을 계산하는 과정을 수행한다(S406).

여기서, 시각 절두체에 포함되는 정점은 시각 절두체에 포함되는 프리미티브에 속하는 정점을 의미한다.

이처럼 프리미티브 단위로 조명 계산이 이루어진 후, 조명 계산부(206)는 처리된 정보를 클리핑부(208)로 출력한다(S408).

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 그래픽 객체를 구성하는 정점에 대한 조명 계산 시간을 줄일 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 시각 절두체에 포함된 정점에 대해서만 프리미티브 단위 로 조명 계산이 수행되기 때문에 지오메트리 프로세서의 전체 처리 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.