분광특성기반의 광선추적기법을 이용한 리어램프의 점등실사영상의 재현

Lamp-lit Image Rendering of Rear Lamp Using Spectral-based Ray Tracing Technique

 

I. 연구의 개요

 

자동차 및 건축물의 가상경험, 그리고 항공 시뮬레이션 등과 같은 시제품 개발에 앞선 가상의 3차원 체험기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 라이팅 시뮬레이션을 위한 필수요건으로 광원과 3차원 환경에 대한 정확한 모델링을 들 수 있고, 이러한 3차원 형상 모델링과 광원의 빛 방사특성 등을 고려한 사실감 있는 영상을 랜더링하기 위해서 광선추적기법(ray tracing method) 기술이 많이 사용되고 있다.

  본 연구는 이러한 라이팅 환경의 정확한 시뮬레이션을 위한 분광특성기반의 랜더링 기법을 제안하였다. 관찰자의 시야에 들어오는 영상을 보다 정확하게 재현하기 위해 분광에너지 기반의 광선추적기법을 제안하고 추적된 빛에너지의 정확한 색자극 변환을 위해 디스플레이 특성화과정을 수행하였다. 아울러 광선추적기법[1,2]을 이용한 정확한 빛에너지의 추적을 위해 광원과 3차원 물체의 특성을 물리적인 분광특성에 기반하여 모델링하였다. 본 연구에서는 검증을 위하여 자동차 리어 램프(rear lamp)에서의 광원과 3차원 기하모델을 사용하였고, 위치별 물리적 색자극을 비교하고 결과영상을 관찰실험을 통해 확인함으로써 실제의 인지영상과 유사한 실사영상을 재현하였다.

 

II. 분광특성기반의 광선추적기법

 

2.1 광선추적기법을 이용한 빛에너지 추정

광선추적기법은 거울이나 투명한 물체 등을 더욱 현실에 가깝게 표현할 수 있는 강력한 랜더링 기법이다[1]. 역방향 추적기법은 관찰시점이 되는 인간의 눈에서 시공간(viewing space)이 되는 스크린으로 이어지는 광선(ray)의 경로를 하나하나 추적하여 눈에 들어오는 빛만을 찾아내는 효율적인 방법이다. 먼저, 3차원 리어 램프 모델과 사용되는 광원의 정보를 가상의 3차원 공간좌표로 설정하고, 스크린으로 표현되는 시공간을 통과하는 광선들의 경로를 따라 반사와 굴절을 반복하여 추적함으로써 최종적인 빛의 스펙트럼 에너지를 추정한다.

 

 

그림 1. 분광특성기반의 광선추적기법 과정

 

  시점에서 출발한 광선과 3차원 공간상의 물체간의 교차점에서의 빛에너지를 계산하기 위한 음영모델은 빛의 물리적 현상을 고려하기 위해 파장의 함수로 확장되어 다음과 같이 표현되고, 국부조명모델과 전역조명모델로 구분된다.

 

. 랜더링 시뮬레이션 및 결과

 

제안한 분광특성기반의 역방향 광선추적기법을 이용하여 자동차 리어램프의 점등실사영상을 재현하는 시뮬레이션 실험을 하였다. 가상의 공간상에 위치한 리어램프는 반사경(reflector), 렌즈 core, 렌즈cavity 로 이루어지며 30만~40만개의 삼각메쉬로 구성되었다. 다음의 표 2에서는 시뮬레이션 수행 시 측정기반으로 설정된 모든 환경변수를 나타내고 있다.

다음의 그림 2는 실험에 사용된 광원과 반사경 및 렌즈의 분광광도계(spectro-radiometer, CS-1000)로 측정한 분광특성을 보여주고 있다.

 

(a)                      (b)                       (c)

그림 2. 측정된 분광특성: (a)P21W와 PY21W의 분광방사곡선 (b)반사경의 분광반사특성 (c)렌즈의 분광투과특성

 

  제안한 알고리즘을 적용한 랜더링 결과를 검증하기 위해서 랜더링 결과에서의 특정지점의 분광에너지 분포와 실제 분광광도계로 측정한 분광에너지를 비교분석하였다. 다음의 그림 3의 (a)는 리어램프 B150 모델의 랜더링 결과를 보여주며 알고리즘의 검증을 위해 세 지점 center, right, bottom을 선택하여 랜더링 결과와 측정결과를 그림 3의 (b)에서 보여주고 있다.

 

(a)

(b)

그림 3. 시뮬레이션 결과와 측정결과의 비교: (a)랜더링결과와 촬영영상의 비교 및 세 지점 선택 (b)세 지점에 대한 랜더링 결과와 측정치의 분광분포

 

  장비의 적분영역과 랜더링 결과에서의 적분영역의 차이로 인한 총에너지의 불일치는 존재하지만 그림 3에서 볼 수 있듯이 추정된 분광에너지의 분포는 측정결과와 매우 유사하게 근접함을 알 수 있다.

  알고리즘의 검증을 위해 다른 모델들에게도 동일한 시뮬레이션을 수행하여 촬영영상과 측정결과를 비교하였다. 그림 4과 다음의 그림 5에서는 이러한 결과영상들을 보여주고 있다.

 

 

그림 4. GK 모델 리어램프의 촬영영상과 랜더링 결과

 

그림 5. 방향지시등 램프의 사진영상과 랜더링 결과

 

  실험으로부터 제안한 알고리즘은 3D 리어램프의 가상의 실사영상 재현과 향후 라이팅 모델의 시제품 개발에 앞선 물리적 기반 시뮬레이션에 적용할 수 있음을 검증하였다.

 

. 결론

 

  본 연구는 3차원 영상의 현실감 있는 재현을 위해 기존의 단순한 RGB 기반의 랜더링 방법이 아닌 광원과 물체의 실제적인 분광분포를 고려한 물리적 기반에서 모델링 하였으므로, 시제품의 개발에 앞선 가상의 모델실험을 위한 실사영상의 재현분야에 응용할 수 있는 모델링 알고리즘이다. 알고리즘의 성능평가를 위해 제안된 분광분포기반의 색 결정법과 RGB기반의 색 결정법을 이용하여 실사영상 재현하였고, 이를 실제로 촬영된 샘플영상과 비교하여 제안된 방법의 우수성을 검증하였다.

 

참고문헌

 

[1] Andrew Woo, Pierre Poulin, and Alain Fournier, "A Survey of Shadow Algorithms," IEEE Computer Graphics and Applications, Vol. 10, No. 6, Nov. 1990, pp. 13  32.

[2] J. Arvo, "Backward Ray Tracing," Tutorial Notes on the Developments in Ray Tracing SIGGRAPH 86, Aug. 1986.

[3] Alan Watt, 3D Computer Graphics, Addison- Wesley, 2000.

[4] Peter Shirley and Changyaw Wang, "Direct Lighting Calculation by Monte Carlo Integration," Proceedings of the 2nd Eurographics Rendering Workshop, June 1991.

[5] Roy S. Berns, "Methods for characterizing CRT displays," Displays, Vol. 16, No. 4, 1996, pp. 173 182.