Earticle

본 연구에서는 화염에 대해서 카툰 렌더링 및 연필 렌더링을 구현하는 비사실적 렌더링 기법을 제안한다. 이를 위해서 본 연구팀에서 수행한 연소 모델을 이용한 화염에 대한 복합 모델을 이용해서 화염 애니메이션을 생성하고, 이 화염 애니메이션에 대해서 평균 이동 기법을 적용해서 카툰 렌더링 효과를 구현하며 화염의 연소 방향을 연필 스트로크 흐름으로 활용해서 연필 렌더링을 구현한다. 화염에 대한 이러한 비사실적 렌더링 기법은 애니메이션이나 게임 등과 같은 다양한 콘텐츠를 제작할 때 매우 유용하게 사용될 수 있다.

We present non-photorealistic rendering techniques for producing cartoon-style rendering and pencil drawing on flame. The first step of our approach is to build flame animation using our previous flame animation framework, which exploits a combustion model. We apply a mean shift technique for producing cartoon-style rendering of flame, and apply pencil stroke flow for producing pencil rendering of flame. These non-photorealistic rendering techniques can be used in creating various contents such as commercial animations and games.

본 논문에서는 윤곽선 그래프를 이용해서 게임 캐릭터의 동적인 모습에 비사실적 렌더링을 적용하는 기법을 제시한다. 윤곽선 그래프는 캐릭터의 신체 구조를 고려하여 윤곽선을 표현한 것으로 캐릭터의 다양한 자세에 대해서 각각어느 신체 구조의 윤곽선이 연결되고 있음을 알려준다. 이러한 정보를 이용해서 캐릭터에게 실감나는 윤곽선을 부여하는 방법이 제시되어 있다. 본 논문의 결과는 일반적인 쉐이딩 결과와 비교되며, 카툰 쉐이딩 결과와 비교되고 결합되어 새로운 렌더링 기법을 보여준다.

We present a new NPR technique to render dynamic shapes of game characters using a contour graph. The contour graph that represents the joint-based contours of a character reveals the information that which contours should be connected during the motions of a character. Based on this information, we present a scheme that renders various contours on a character. Finally, we compare our result with shaded and cartoon-shaded characters. We also combine the contours with cartoon-shaded figures and show a new NPR technique.

비사실적 렌더링 기술은 게임에서 렌더링 기법으로 가장 흔하게 사용되고 있다. 이는 게임에서 가장 중요한 특성인실시간 성능이라는 점에서 기인했다고 할 수 있다. 본 연구에서는 게임에 적용할 수 있는 비사실적 렌더링 기법에 대해 살펴보고, 현재 적용사례 및 이를 바탕으로 앞으로의 기술 발전 방향에 대해 살펴보고자 한다.

Non-photorealistic rendering techniques are widely used in games. It is because one of the most important features in game rendering is real-time performance. In this paper, non-photorealistic rendering research trend is reviewed and we will present a future research direction for game rendering.

최근 들어 컴퓨터 그래픽의 한 분야인 비사실적 렌더링(Non Photorealitic Rendering) 기술 개발에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있고, 그 결과로 유화, 수채화, 동양화, 만화와 같은 전통 회화 기법을 재현한 시도들을 많이 볼 수 있다. 하지만, 이러한 연구들이 보여주는 결과 영상들이 모델로 삼고 있는 매체의 실제 특성과 합리성에 어긋나는 경우가 자주 발생한다. 그 이유는 매체에 대한 예술적 접근을 통해 분석하고 연구하기 보다는, NPR 연구가 본래 컴퓨터 공학의 한 분야로서 지나치게 공학적이고 기술적인 측면에서 접근하고 있기 때문이다. 본 논문은 보다 정확한 회화적 렌더링 구현을 위해 예술 매체에서 추출해야 할 특성과 화가가 작업하는 과정에서 나타나는 특징들을 분석하여 알고리즘화를 위한 방향을 제시하고 개발 과정에 참여하는 것이 목적이다. 따라서, 우선 현실의 회화적 재현에서 나타나는 특성과, 동영상에의 적용을 위한 애니메이션적 재현의 특징을 고찰하였다. 또한, 유화와 인상주의 화풍에서 드러나는 특징들과 페인트 온 글래스 애니메이션 기법을 분석하고, 이를 통해 나타난 여러 특징들 중, 알고리즘화하기 위해 필요한 요소들로 추출하여 재정의 하였고, 그것들을 토대로 알고리즘화 하였다. 그리고, 이러한 연구과정을 통해 NPR 연구에 있어서 미학적인 접근의 중요성과 예술과 공학의 협력적 연구의 가능성을 강조하고자 한다.

Processing images into artwork remains an active area of research within the field of non-photorealistic rendering and are followed by the digital representations of the traditional artwork such as oil painting, water painting, oriental painting and cartoons. However, the images created from those researches fail to represent some critical attributes of the real painting. This means that the researches are just based on the technical approach rather than the aesthetic analysis on the real painting. This paper, to develop more appealing NPR technique, demonstrates how to analyze the traditional artwork aesthetically, what should be considered in the algorithm development technically and what can be shown by the algorithm developed from this approach. In particular, both the pictorial representation of the reality for still image manipulation and the characteristics of the animation for moving image are the major subjects of our aesthetic analysis. Additionally, the adjustment of the general features of oil paintings, Impressionism paintings and the paint-on-glass technique to engineering elements is preceded by that analysis. Finally, this paper emphasizes the importance of the aesthetic approach and the potentiality of the collaboration between artists and engineers in the NPR research.

컴퓨터 그래픽 기술 중 비사실적 랜더링 기술은 매년 발전을 거듭하고 있다. 비사실적 랜더링 기술은 일러스트, 애니메이션, 만화와 같은 예술적인 스타일에 영감을 받은 것입니다. 이러한 비사실적 랜더링 기술을 위한 많은 응용 프로그램들은 특히 애니메이션, 게임 산업 등에서 인기가 있다. 전통적인 컴퓨터 그래픽스에서는 비사실적 렌더링 기술에 많은 관심을 가지고 있지만, 많은 계산 시간을 요구하기 때문에 실시간으로 사용하지는않았다. 그러나 최근 몇 년 동안 비사실적 랜더링은 그래픽 가속기를 이용하여 훨씬 다양한 고급 랜더링 및 실시간 기술을 선보이고 있다. 본 논문은 비사실적 랜더링을 위한 GPU 프로그래밍 기법에 대해 설명한다.

NPR(Non-Photorealistic rendering) technique is developing by every years. NPR is inspired on artistic styles, which is painting, drawing, technical illustration, animation and cartoon. There have many application programs for NPR, which is popular and useful of animations, even on game industrial. In traditional computer graphics focused on non-photorealism, but this method need much more memory and time. Recent years, Many NPR methods present advanced rendering technique and real time technique using graphic accelerator. This paper propose to explain NPR with GPU programming.

최근 3차원 그래픽 기법 중에서도 비실사(Non-Photorealistic Rendering) 기법은 3차원 그래픽의 변형을 통해 사용자와의 원활한 커뮤니케이션을 이끌어 낼 수 있다는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 비실사 기법에서는 실루엣 에지를 찾아내고 디스플레이 하는 것이 중요한 과정이며 여러 가지 연구가 행해지고 있다. 지금까지 실루엣 에지 렌더링 연구는 데스크탑 플랫폼에서는 많이 이루어졌지만 모바일 기기에서의 구현을 위한 노력은 부족하였다. 본 논문은 모바일 기기 환경에서의 비실사 기법 적음을 위한 실루엣 에지 렌더링 기법을 제안한다. 모바일 기기 환경에서의 부족한 리소스와 폴리곤 제한을 극복하기 위하여 기존 연구보다 폴리곤 연산의 숫자를 감소시키는 기법을 제시하였다. 이 기법의 적용은 모바일 기기에서의 렌더링 프레임률을 높여주어 원활한 비실사 기법 적용에 도움을 준다.

비사실적 렌더링(NPR; Non-Photorealistic Rendering)은 2차원 영상과 3차원 모델을 대상으로 하는 방법이 다르며 각각의 대상에 NPR을 적용하여 두 콘텐츠를 혼합하면 이질감이 나타나는 문제점이 있다. 본 논문에서는 3차원 객체와 영상에 있어서 각각의 대상에 카툰 및 스케치와 같은 비사실적 효과를 적용하여 조화롭게 혼합하는 기법을 제시한다. 제안 기법은 2차원 영상의 데이터를 분석하여 컬러 분포 특징을 얻고 이를 이용하여 실사 영상이나 3D 객체의 컬러 수를 줄인다. 단순화된 컬러맵과 윤곽선 에지 데이터로부터 비사실적 렌더링을 실시한다. 컬러맵 정보의 추출 및 적용 과정에서 자연스러운 장면 연출을 위해서 영상분할 과정이 필요하다. 그러나 영상분할 기법은 많은 연산을 필요로 한다. 특히 크기가 큰 입력에 대해서는 비사실적 렌더링에 많은 시간이 소요된다. 처리 시간이 많은 영상분할의 고속화를 위하여 GPU(Graphics Processing Unit)를 이용한 병렬 컴퓨팅을 할 수 있는 GPGPU(General-Purpose GPU)를 사용한다. GPGPU의 사용으로 알고리즘의 수행속도를 크게 개선하였다. 또한 영상분할 후 단순화된 컬러를 추출하여 일련의 컬러맵을 생성한 뒤 3D 객체에 NPR을 적용할 때 추출해낸 컬러맵을 적용하여 2차원 영상과 3차원 객채 간의 이질감을 줄이고 조화롭게 하였다.

When rendering both three-dimensional objects and photo images together, the non-photorealistic rendering results are in visual discord since the two contents have their own independent color distributions. This paper proposes a non-photorealistic rendering technique which renders both three-dimensional objects and photo images such as cartoons and sketches. The proposed technique computes the color distribution property of the photo images and reduces the number of colors of both photo images and 3D objects. NPR is performed based on the reduced colormaps and edge features. To enhance the natural scene presentation, the image region segmentation process is preferred when extracting and applying colormaps. However, the image segmentation technique needs a lot of computational operations. It takes a long time for non-photorealistic rendering for large size frames. To speed up the time-consuming segmentation procedure, we use GPGPU for the parallel computing using the GPU. As a result, we significantly improve the execution speed of the algorithm.

애니메이션에서 가장 중요하게 고려해야 할 문제는 프레임간 유사성을 어떻게 유지하느냐 이다. 각 프레임간 영상의 유사성이 없으면 프레임이 바뀔 때 좋지 못한 영상을 보여주기 때문이다. 또한 3차원 애니메이션을 위한 비사실적 렌더링에서는 프레임간 유사성뿐 아니라 렌더링을 수행하는 방법도 중요하다. 본 논문에서는 프레임간 유사성을 유지하기 위하여 파티클 시스템을 사용한다. 파티클을 물체의 실제 크기에 따라 분포시킴으로써 적절한 파티클의 수를 유지한다. 이때, 물체가 확대, 축소될 경우에는 화면상에서의 물체의 크기에 따라 동적으로 파티클의 수를 조정하게된다. 그리고 비사실적 렌더링을 위하여 붓의 터치를 표현할 스트로크를 사용하는데 스트로크의 방향, 색, 크기 등을 결정하기 위하여 참조 영상을 사용하는 렌더링 방법을 소개한다. 이렇게 결정된 스트로크들의 속성들은 붓 모양의 텍스쳐를 이용하여 렌더링 된다.

지금까지의 컴퓨터 그래픽스의 방향은 사진과 유사하게 표현하는 Photorealism이 강세였으나, 최근 각종 기술문서나 의학, 교육등 많은 분야에서 사진과 같은 컴퓨터 그래픽스보다는 사물의 특징을 강조하고, 불필요한 부분을 생략해서 표현하는 비사실적 렌더링(Non-Photorealistic Rendering)분야가 새롭게 떠오르고 있다. 비실사기법을 통해 생성된 이미지는 사물의 특징을 부각시켜 시현함으로서 사진과 같은 사실적인 묘사보다는 사물의 특징을 통한 의미전달에 초점을 둔 렌더링 기법이라 할 수 있다. 비실사기법에는 수채화, 수묵화, 유화, 목탄화, 데생과 같은 미술기법과 만화와 같이 표현하는 Cartoon Rendering등 다양한 분야가 있지만 본 논문에서는 모든 그림의 기본 요소가 되는 정을 이용하여 사물을 표현하는 점묘법을 적용한 비실사기법에 대해서 이미 발표된 논문을 살펴보고, 새로운 기법을 제안하고자 한다.

비사실적 랜더링은 비디오 게임, 영화, 애니메이션에서 많은 인기를 누리고 있다. 요즘에는 디지털 예술 분야에서 비사실적 랜더링을 이용한 기술들을 효율적으로 사용하고 있다. 전통적인 컴퓨터 그래픽스는 거의 포토 리얼리즘에 집중되어 있으나, 최근 몇 년 전부터 게임 그래픽 분야에서 비사실적 랜더링 기술이 중요하게 부각되었고, 이러한 기술은 페인팅, 드로잉, 일러스트레이션, 애니메이션 카툰 등의 예술적인 스타일에 영향을 받은 것이다. 본 논문에서는 게임 그래픽에 응용 가능한 비사실적 랜더링 기술에 대해 연구하였다.

Two-Dimensional and Three-Dimensional Non Photorealistic Rendering(NPR) is style that is popular in video games, movies and animations. NPR techniques are developing to more efficient on digital art. Traditional computer graphics, mostly focused on photorealism. But, recent years, NPR style is important to game graphic and it is inspired on artistic styles, which is painting, drawing, technical illustration, animation and cartoon. The goal of this paper explains NPR and how can use NPR technique in game graphic.

점묘화(stippling)는 펜과 잉크를 이용한 수많은 점들로 대상을 표현하는 예술 기법이다. 기존 비사실적 렌더링(Non-Photorealistic Rendering; NPR)에서 점묘화 연구들은 단색의 점들을 사용하여 그레이 영상이나 표면의 재질 등을 표현하였다. 본 논문에서는 2차원 영상의 컬러 정보를 해석하여 다양한 컬러의 점들로 표현하는 새로운 점묘화 기법이 제안된다. 제안된 방법은 입력 영상의 HSV 모델로부터 해석된 정보를 이용하여 컬러 가중치 함수(weight function)를 정의한다. 그리고 정의된 컬러 가중치 함수를 통해 점의 적절한 개수와 크기를 자동으로 계산한다 제안된 방법은 컬러 가중치가 적용된 펜로즈(Penrose) 샘플링을 사용하여 점을 분포하기 위해 소요되는 처리시간을 크게 단축하였다. 그리고 먼셀(Munsell)의 색상모델에 기반한 컬러 지터링(jittering)으로 실제 컬러 점묘화에 가까운 표현을 구현하였다 제안된 컬러 점묘화 기법은 처리속도가 매우 빠르고 다양한 컬러 점들로 영상을 표현하므로 애니메이션, 디지털 아트, 컴퓨터 그래픽 도구 등에 다양하게 활용될 수 있다.

The stippling techniques, which represent objects with numerous points using pen and ink. The previous stippling techniques for Non-Photorsealistc Rendering(NPR) use single-colored points to represent the tone of gray image ur the material of surface. This paper presents a new stippling technique with various colored points based on the analysis of color information. By using the color information of the input image on HSV model, we define the color weight function that allows to determine automatically the number and size of points. The color jittering based on Munsell's color model can generate stippling drawings using various colored points to represent the image. Our color stippling method is expected to be used in many areas such as animation, digital art, video processing and CG tool.

3차원 그래픽을 추상화시켜서 표현하는 비실사(Non-Photorealistic Rendering) 기법은 실사기법에 비해 사용자와의 원활한 커뮤니케이션을 이끌어 낼 수 있고 다양한 예술적 효과를 표현할 수 있다는 점에서 주목을 받고 있다. 지금까지 비실사 기법에 관한 연구는 서양적 미술 기법에 중점을 두고 연구되어 왔으나, 최근 한국적인 미술 기법인 수묵화 기법을 적용한 연구에 관심이 높아지고 있다. 기존의 서양적 비실사 기법에서는 프리폼 스케치 알고리즘에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 사용자는 이를 이용해 마우스나 펜의 조작만으로 쉽게 모델을 제작할 수 있고 다양한 렌더링 기법을 직접 적용해볼 수 있다. 반면에, 동양적 비실사 기법에서는 프리폼 스케치 알고리즘에 관한 연구가 부족하기 때문에 동양적 비실사 기법에 적합한 모델을 생성하기 어렵다. 이에 본 논문에서는 동양적 프리폼 스케치 알고리즘 연구에 대한 기초 연구로 2D스케치로부터 사군자 중 하나인 #난(蘭)# 에 해당하는 3D 모델을 생성할 수 있는 알고리즘을 제안한다.

애니메이션은 포스트 프러덕션 과정에 의해 애초의 기획한 시각적 연출 의도에 맞게 완성된다. 특히나, 3D애니메이션 제작에 있어서 기획의도에 적합한 다양한 시각적 표현 기법은 렌더링, 쉐이딩 등에 의해 연출된다. 따라서 이러한 시각적 효과를 어떤 방식으로 제작할 것인지에 관한 연구는 애니메이션이 출현된 이후 계속적으로 진행 되고 있다. 이 중에서도 최근 애니메이션에서 자주 등장하는 렌더링 방식은 3D로 제작하였지만 2D애니메이션의 느낌을 살린 효과이다. 3D 애니메이션은 이미지를 시각화하는 렌더링 방식에 따라 사실적으로 표현되는 포토리얼리스틱 렌더링(Photorealistic RENDERING)과 사진적 리얼리즘에서 벗어나 셀애니메이션의 경험적 감성의 화면 효과를 살린 비사실적 렌더링(NON-PHOTOREALISTIC RENDERING)으로 구분되는데 이는 2D애니메이션의 시각적 효과를 살린 렌더링 방식은 비사실적, 즉 넌-포토리얼리스틱 렌더링 방식으로 제작된 것이다. 이렇게 제작된 애니메이션은 공간과 애니메이팅에 있어서 3D애니메이션의 공간, 움직임 표현의 깊이를 보유하면서도 친화적인 아날로그 느낌의 화면을 연출할 수 있기에 많이 제작되고 있는 포스트 프러덕션 효과이다. 따라서 본 연구에서는 3D그래픽스 기법 중 넌-포토리얼리스틱(Non-photo Rendering)의 범주에 속하는 카툰렌더링(Cartoon Rendering)기법으로 제작된 디즈니의 대표적인 단편애니메이션 Paperman을 중심으로 기법적 방식을 분석하고 카툰렌더링으로 표현된 씬의 시각적 전달 효과를 분석하여 기획의도에 표현한 합성작업 과정을 살펴보도록 한다. 이어 넌-포토리얼리스틱(Non-photo Rendering)의 범주와 장르가 다양해 지고 있는 추세에 맞춰 그래픽적 표현 한계를 뛰어넘어 보다 효율적이고 다양한 표현방식 후반 기법들이 연구되길 바란다.

Animation is completed in accordance with the original planning of visual direction in the process of post-production. Especially, a variety of visualization skills to meet the planning idea are directed in editing and compositing processes such as rendering and shading in the production of 3D animation. Therefore, the studies how to implement these visual effects have been conducted since the emergence of the animation. The rendering method which appears in the recent animations so often is the effect of 2D animation style although it is applied by 3D technique. 3D animation can be classified as two types including photo realistic and non-photo realistic renderings. The former is to render the images realistically while the latter is to highlight the formative effect with analogue style free from the realism of the photographs. Visual effect of 2D animation is non-realistic, that is, non-photo realistic rendering. The animations produced by this method have the depth of 3D animation expression in terms of space and animating, and can direct the viewer-friendly analogue style visuals, which are widely used as a post-production effect. Hence in this study, we selected a short animation, 'Paperman,' one of Disney's animations, produced by cartoon rendering method which belongs to the class of non-photo rendering technique in 3D graphics, as our subject. We analyzed their techniques and visual effects of the scenes expressed by cartoon rendering method so as to understand whether they meet the original direction idea with the composition work. In addition, we expect further developments of post-production methods, exceeding the limit of graphic expression in alignment with the trend that has become more various in the types and genres of non-photo rendering.