포톤 탐사법을 이용한 개선된 점진적 포톤 매핑

이상길,신병석 (사)한국컴퓨터그래픽스학회 2010 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.16 No.3

Photon mapping is a traditional global illumination method using many photons emitted from the light source for photo-realistic rendering. However, this method needs a lot of resources to perform tracing of millions of photons. Progressive photon mapping solves this problem. Typical progressive photon mapping performs ray tracing at first to find the hit points on diffuse surface of objects. Next, light source repeatedly emits a small number of photons in photon tracing pass, and power of photons in each sphere that has a fixed radius with the hit points in the center is accumulated. This method requires less resources than previous photon mapping, but it spends much time for gathering enough photons since each of photons progresses through a random direction and rendering high quality image. To improve the method, we propose photon probing that calculates variance of photons in the sphere and controls radius of sphere. In addition, we apply cone filter in radiance estimation step for reducing aliasing at the edges in result image. 포톤 매핑은 대표적인 전역 조명 방법으로써 광원에서 많은 수의 포톤을 방출하여 이를 이용해 사실적인 렌더링을 수행한다. 하지만 매우 많은 수의 포톤을 추적하기 때문에 실시간 렌더링이 힘들고 많은 양의 메모리를 사용하는 문제가 있다. 이러한 문제를 개선한 방법이 점진적 포톤 매핑이다. 기존의 점진적 포톤 매핑은 먼저 광선 추적법을 통해 각 광선과 물체와의 충돌 위치를 찾는다. 다음으로 포톤 추적 단계에서는 반복적으로 적은 수의 포톤을 방출하고, 충돌 위치를 중심으로 하며 고정된 반지름을 가지는 구 안에 들어오는 포톤으로 포톤의 밝기를 누적한다. 이 방법은 포톤 매핑보다 자원을 적게 소모하지만, 방출된 포톤이 임의의 방향으로 진행하기 때문에 충분한 포톤을 확보하고 부드러운 영상을 렌더링하기 위해 많은 시간이 필요하다. 이를 보완하기 위해 본 논문에서는 포톤 탐사 단계를 추가하여 구 안에 들어오는 포톤들의 분포를 계산하고 그에 따라 구의 반지름을 조절하는 방법을 제안한다. 또한 래디언스 추정 과정에 콘 필터를 적용하여 영상을 선명히 렌더링한다.

정적인 장면을 위한 포톤 매핑 기반의 고품질 실시간 전역조명 기법

장병준(Byungjoon Chang),진봉준(Bongjun Jin),임인성(Insung Ihm) 한국정보과학회 2011 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.17 No.10

포톤 매핑 방법은 전역 조명 효과를 생성하기 위하여 널리 사용되는 렌더링 방법 중의 하나이다. 이 방법은 렌더링 시 사용하는 포톤의 수가 증가할수록 결과 영상의 화질은 향상되지만, 그에 비례하여 렌더링 시간 및 저장 공간에 대한 부담이 늘어나는 단점을 갖고 있다. 본 논문은 고정된 기하물체와 광원으로 구성된 정적인 장면을 광선 추적법을 사용하여 렌더링 하고자 할 때, 충분히 많은 수의 포톤 추적을 통해 고화질의 영상을 생성하면서 동적인 카메라 움직임을 효과적으로 처리해주는 전역 조명 생성기법을 제안한다. 또한 그림자 가시성 정보를 전처리를 통해 장면에 적용함으로써, 상당한 비용을 요구하는 그림자 광선에 대한 성능을 향상시킬 수 있는 효율적인 렌더링 방법을 제안한다. 이러한 노력을 통하여 기본적인 광선 추적법 정도의 비용만으로 정적인 장면에 대해 다루기 힘든 물체간의 간접 난반사를 포함하는 고화질의 전역 조명 효과를 효과적으로 생성할 수 있음을 보인다. Phton mapping is one of the most frequently applied rendering methods for generating global illumination effects. While the image quality improves as more photons are emitted during rendering, the requirement for the computation time and memory space increases proportionally to the number of used photons. This paper presents a global illumination technique suitable for ray-tracing a static scene with fixed geometry and lights, which effectively handles the dynamic camera motion while using enoughly many photons for producing high-quality rendering images. In addition, we suggest an efficient technique that considerably reduces the cost for tracing shadow rays by storing shadow visibility information into the static scene and exploiting it during rendering. Combining such efforts, we demonstrate that high-quality global illumination including the intractable diffuse inter-reflection between objects can be effectively produced for static scenes only at the expense of basic recursive ray tracing.

N색 분산 포톤매핑을 이용한 빛의 스펙트럼 표현

곽용식,류승택 (사)한국컴퓨터그래픽스학회 2010 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.16 No.2

The color of object is a main role that people recognize outdoor entity with its shape. We can perceive the object due to the existence of light such as direct sunlight. Light is classified by wavelength into radio, microwave, infrared, the visible region we perceive as light, ultraviolet, X-rays and gamma rays. White light is all of the colors of light combined within the visible light spectrum. When white light is separated through a prism, we see the visible light spectrum. The various wavelengths of visible light are separated into colors. In this paper, we construct white light as the seven colors of rainbow and suggest the method of N-way color dispersion photon mapping to simulate the natural dispersion phenomenon. 물체의 색은 모양과 더불어 사람이 바깥세상의 사물을 알아보는데 중요한 역할을 한다. 이런 색상을 인식하는 것은 태양과 같은 빛이 존재하기 때문이다. 빛은 여러 파장들로 구성되어 있으며, 눈에 보이지 않는 적외선, 자외선의 영역과 색을 인식시켜 줄 수 있는 눈에 보이는 가시광선 영역 등으로 이루어져 있다. 이러한 모든 파장의 빛이 균등하게 혼합되면 그 빛은 흰 색을 띄게 되며, 이를 백색광이라고 한다. 백색광이 굴절이 이루어지면 그 구성되어져 있는 가시광선 영역이 여러 가지 색으로 갈라지는데 이것을 분산현상이라 한다. 본 논문에서는, 백색광을 무지개의 대표적인 일곱 가지 색상으로 구성하고 자연의 분상현상을 시뮬레이션하기 위해 N색 분산 포톤 매핑 방법을 제안하였다.

연기 파티클에 대한 포톤 매핑 기반의 렌더링 기법

송기동,임인성 (사)한국컴퓨터그래픽스학회 2008 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.14 No.4

To realistically produce fluids such as smoke for the visual effects in the films or animations, we need two main processes: a physics-based modeling of smoke and a rendering of smoke simulation data, based on light transport theory. In the computer graphics community, the physics-based fluids simulation is generally adopted for smoke modeling. Recently, the interest of the particle-based Lagrangian simulation methods is increasing due to the advantages at simulation time, instead of the grid-based Eulerian simulation methods which was widely used. As a result, because the smoke rendering technique depends heavily on the modeling method, the research for rendering of the particle-based smoke data still remains challenging while the research for rendering of the grid-based smoke data is actively in progress. This paper focuses on realistic rendering technique for the smoke particles produced by Lagrangian simulation method. This paper introduces a technique which is called particle map, that is the expansion and modification of photon mapping technique for the particle data. And then, this paper suggests the novel particle map technique and shows the differences and improvements, compared to previous work. In addition, this paper presents irradiance map technique which is the pre-calculation of the multiple scattering term in the volume rendering equation to enhance efficiency at rendering time. 연기와 같은 유체의 모습을 영화나 애니메이션에서의 특수 효과에 활용하기 위해는 연기를 사실적으로 모델링하는 과정과 모델링 된 연기 내부에서의 빛의 흐름이 잘 반영된 렌더링 과정이 필요하다. 컴퓨터 그래픽스 분야에서는 연기 모델링의 사실성을 살리기 위해 물리 기반의 유체 시뮬레이션 기법을 많이 차용하고 있는데, 그 동안 시뮬레이션 기법으로 주로 연구되어 온, 격자 기반의 Euler 방법과는 근본적으로 다른, 파티클 기반의 Lagrange 방법이 시뮬레이션 단계에서 얻을 수 있는 장점 때문에 최근 관심이 높아지고 있다. 연기 렌더링은 연기 모델링 방법에 종속적일 수밖에 없으므로, 결과적으로 격자 기반의 시뮬레이션 결과에 대한 렌더링 방법 은 많이 연구되고 있는 데 비해, 파티클 형태로 산출된 연기 데이터에 대하여 사실적인 영상을 생성해주는 렌더링 기술에 대한 연구는 아직 부족한 상황이다. 이에, 본 논문에서는 Lagrange 기법을 적용하여 생성한 파티클 집합 형태의 연기 시뮬레이션 데이터를 사실적으로 렌더링하기 위해, 전역 조영을 위한 최신 렌더링 기술인 포톤 매핑 기법을 파티클 데이터에 맞게 변형 및 확장한 파티클맵 기법을 소개하고, 개선된 파티클맵 기법을 제시하여, 기존 연구와의 차이점을 보여준다. 또한 렌더링 과정에서 효율성을 높이기 위해 볼륨 렌더링 방정식의 다중 산란 항을 미리 계산하는 광도맵이라는 방법을 제시한다.

전역 조명 알고리즘에서의 조화 평균 거리 계산의 분석

차득현(Deukhyun Cha),임인성(Insung Ihm) 한국정보과학회 2010 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.16 No.2

전역 조명(global illumination) 효과를 사실적으로 렌더링하기 위해서는 복잡한 경로를 통해 입사하는 빛의 정보 해당하는 직접 조명 및 간접 조명을 정확하게 계산해주어야 한다. 이 과정에서 주어진 물체 표면 지점에 대해 계산되는 간접 조명 정보는 주변 환경의 기하적인 형태에 큰 영향을 받게 된다. 조화 평균 거리(harmonic mean distance)는 3차원 공간상에서 주어진 한 지점에서 보이는 물체들과의 거리를 나타내는 척도로 많이 사용되는 수학적 도구로서, 광휘 캐시(irradiance/radiance cache)나 환경폐색(ambient occlusion) 등의 렌더링 효과를 생성하는데 주요하게 사용된다. 본 논문에서는 대표적인 고품질 전역 조명 렌더링 알고리즘인 최종 수집(final gathering) 방법 및 포톤 매핑(photon mapping) 기법을 통해 다양한 환경에서 계산되는 조화 평균 거리에 대한 근사값의 정확성에 대해 분석한다. 이러한 분석 결과를 기반으로 효과적인 조화 평균 거리 계산의 근사화 기법 개발에 있어서 고려해야 할 점들과 방향을 제시한다. In order to render global illumination realistically, we need to accurately compute the direct and indirect illumination that represents the light information incoming through complex light paths. In this process, the indirect illumination at given point is greatly affected by surrounding geometries. Harmonic mean distance is a mathematical tool which is often used as a metric indicating the distance from a surface point to its visible objects in 3D space, and plays a key role in such advanced global illumination algorithms as irradiance/radiance caching and ambient occlusion. In this paper, we analyze the accuracy of harmonic mean distance estimated against various environments in the final gathering and photon mapping methods. Based on the experimental results, we discuss our experiences and future directions that may help develop an effective harmonic mean distance computation method in the future.

GPU 기반 반투과 매체 렌더링의 향상 기법

차득현(Deukhyun Cha),이용일(Yong-il Yi),임인성(Insung Ihm) 한국정보과학회 2010 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.16 No.12

구름, 연기, 가스 등과 같은 반투과 매체(participating media)를 사실적으로 가시화해주기 위해서는 그 내부에서 빛이 진행하는 과정을 물리적으로 시뮬레이션 해주어야 한다. 이 과정은 볼륨 렌더링 방정식이라는 적분 방정식을 통하여 표현할 수 있으나, 이를 정밀하게 푸는 것은 상당한 계산 시간을 요한다. 최근 GPU의 성능 향상에 힘입어, 반투과 매체에 대한 고속의 렌더링 기법들이 소개되고 있으나, 아직도 해결해야할 문제들이 많이 남아있다. 본 논문에서는 기존의 GPU 기반의 반투과 매체 렌더러의 기능/성능 향상을 위하여 적용한 렌더링 기법들을 설명하고, 그러한 노력들이 어떠한 개선 효과를 달성하였는지 분석한다. 이러한 기법들은 추후 각종 디지털콘텐츠 제작에 있어 특수 효과 생성을 위한 고속의 사실적인 볼륨 렌더러 구축에 유용하게 적용될 수 있을 것이다. In order to realistically visualize such participating media as cloud, smoke, and gas, the light transport process must be physically simulated inside the media. While it is known that this process is well described physically through the volume rendering equation, it usually takes a great deal of computation time for obtaining high-precision solutions. Recently, GPU-based, fast rendering methods have been proposed for the realistic simulation of participating media, however, there still remain several problems to be resolved. In this article, we describe our rendering techniques applied to enhance the performances and features of our GPU-assisted participating media renderer, and analyze how such efforts have actually improved the renderer. The presented techniques will be effectively used in volume renderers for creating various digital contents in the special effects industries.