가상 조경 생성을 위한 디지털 잎 저작도구 개발 document_id A220517038106

본 연구는 가상 조경을 구성하는 다양한 종류의 디지털 잎을 쉽고 직관적으로 제작할 수 있는 저작도구 개발 방법을 제안한다. 제안하는 저작도구의 핵심 시스템은 영상 워핑기반의 잎몸 윤곽선 변형 방법, 잎맥의 절차적 모델링 그리고 잎의 색과 명암 등을 표현하기 위한 수리모델기반 시각화 방법으로 구성된다. 우선 잎 영상을 입력으로 받아 잎몸에 대한 윤곽선 정보를 찾고, 특징기반 영상 워핑을 활용하여 다양한 잎몸 형상을 직관적인 구조에서 쉽게 생성할 수 있는 잎몸 변형 방법을 설계한다. 그리고 계산된 잎몸 윤곽선을 기반으로 잎몸 형상에 적합한 자연스러운 잎맥 패턴을 생성하는 일반화된 절차적 모델링 방법을 저작도구에 맞게 구현한다. 마지막으로 약수 함수의 합성 기반의 수리모델을 활용하여 잎의 색, 명암 그리고 시간에 따른 변화를 표현할 수 있는 시각화 기능을 적용한다. 제안한 저작도구를 활용하여 제작된 디지털 잎이 다양한 3차원 디지털 콘텐츠 분야에 활용 가능하도록 텍스쳐 지원 기능을 제공한다. 제안한 디지털 잎 저작도구는 Visual Studio 2010, MFC, DirectXSDK 그리고 OpenCV 라이브러리를 사용하여 개발하였으며, 성능 실험에 사용된 PC는 Intel core i7 4790, 8GB RAM, Geforce GTX 960 GPU를 탑재하고 있다. 또한 노말 맵을 포함한 디지털 잎의 3차원 렌더링은 Unity3D 5.2엔진을 사용하였다. 본 연구에서는 제안한 저작도구가 지원하는 모든 기능을 통해 사용자가 원하는 디지털 잎을 효율적으로 생성하여 게임, 애니메이션과 같은 디지털 영상 컨텐츠 분야에 효과적으로 활용가능한지 여부를 세 단계의 실험을 통해 확인한다. 우선 잎몸 윤곽선변형을 통해 유사한 패턴의 다양한 잎을 효과적으로 생성할 수있는지 여부에 대한 실험을 진행한다. 사용자가 원하는 형상의 잎 영상을 입력으로 한 다음 격자 방식을 이용하여 각기 다른 모양의 잎몸 형상을 자동으로 생성한다. 사용자는 저작도구를 활용하여 디지털 잎 영상을 입력하고 윤곽선 계산 버튼, 제어선 생성버튼 그리고 워핑 버튼 순으로 메뉴를 선택하면 그림 12와 같은 다양한 잎몸 형상을 제작할 수 있다. 다음은 잎맥의 절차적 모델링으로 잎몸에 적합한 자연스러운 잎맥 패턴이 단계적으로 성장하여 디지털 잎을 생성하는지 여부를 실험을 통해 확인한다. 그림 12는 이를 나타낸 것으로 네 종류의 잎몸 모두 잎몸에 적합한 잎맥 패턴이 생성됨을 확인할 수 있다. 사용자는 저작도구의 기능들 가운데 성장 모델에 필요한 길이, 방향, 곡선 단계를 입력한다. 그러면 이들 값을 기준으로 −μ +μ 범위의 난수를 생성한다. 그리고 이를 토대로 성장 버튼을 선택하면 한 단계씩잎맥이 성장하게 된다. 주 잎맥과 곁 잎맥 성장이 완료되어 잎 조직의 중심이 잡히면, 확산 버튼을 눌러 작은 그물맥을 생성한다. 마지막은 잎의 시각화로 이 역시 다양한 잎의 색상 패턴을 효율적으로 생성가능한지 여부를 확인하는 것으로 사용자가 원하는 색상을 저작도구의 색 선택 메뉴를 활용하여 입력하면, 수리 모델을사용하여 N개의 색상 테이블을 자동 생성하고 노이즈 텍스쳐, 잎맥 확산 텍스쳐를 차례로 생성한 다음 합성 버튼을 클릭함으로써 최종 잎을 생성하게 된다. 그림 12는 사용자가 입력한 두 색으로 만들어내는 다양한 패턴의 잎을 나타낸 것이며, 그림 12는 제작된 잎을 텍스쳐로 하여 3차원 장면으로 렌더링한 결과이다. 제안하는 저작도구의 잎맥 모델링은 기본적으로 잎몸에 적합한 패턴을 생성함을 목표로 하고 있다. 따라서 생성되는 잎맥 패턴이 실제 잎의 조직구조와 유사한 형태로 생성될 수 있다. 그림13은 실제 잎 영상과 저작도구를 사용하여 생성된 잎맥 패턴을 비교한 결과로 제안한 방법을 통해 사실적인 잎맥 패턴을 효과적으로 생성할 수 있음을 확인할 수 있다. 본 연구는 자연을 배경으로 하는 3차원 디지털 콘텐츠를 제작하는데 중요한 요소인 디지털 잎을 효과적으로 제작할 수 있는 저작도구 개발 방법을 연구하였다. 이는 식물을 구성하는 다양한 다수의 잎들을 쉽고 직관적인 구조에서 변형 및 모델링하고 자연스럽게 시각화하는 모든 기능을 포함하는 방법이다. 우선 잎의 전체적인 형상을 나타내는 잎몸에 대한 기능으로 잎몸 윤곽선변형 방법을 설계한다. 이는 잎의 윤곽선과 특징기반 영상 워핑을 활용하여 잎날이나 이가 있는 잎몸 등 다양한 형상의 잎몸을 사용자가 원하는 형상이나 유사한 잎몸 패턴을 동시에 효과적으로 제작하도록 하였다. 계산된 잎몸 형상에 적합한 자연스러운 잎맥 패턴을 절차적인 구조에서 생성할 수 있도록 윤곽선을 기반으로 하는 성장 모델과 확산 방법을 설계하여 저작도구를 통해 구현함으로써 주 잎맥, 곁 잎맥 그리고 작은 그물맥들까지 동시에 효과적으로 생성하도록 한다. 또한 약수 함수의 합성 곱이 갖는 일정한 패턴과 일반화된 생성 함수를 통해 디지털 잎이 갖는다양한 색상을 자동으로 계산하는 수리 모델과 노이즈 텍스쳐와 잎맥 확산 텍스쳐를 합성하여 최종 잎을 생성하는 시각화 방법을 저작도구를 통해 구현한다. 제안한 저작도구는 다양한 잎몸 형상과 잎맥 패턴에 잎의 색상까지 모두 포함하고 있어 하나의 잎에 대해 기존의 연구들과 비교하였을 경우 상대적으로 비사실적인 느낌을 받을 수 있다. 향후 현재의 일반화된 생성 구조를 유지하면서 사실성을 높일수 있는 식물학적 구조의 연구와 렌더링 방법에 대한 연구를 진행할 것이다. 뿐만 아니라 일반 사용자가 본 연구의 저작도구를 사용하여 원하는 디지털 잎을 효과적으로 제작할 수 있는 지에대하여 설문과 같은 실험을 진행함으로써 저작도구의 효율성을 검증하도록 한다. 또한 저작도구를 사용하여 생성된 다수의 다양한 잎들을 활용하여 자연스러운 가상 조경을 생성할 수 있는지 여부도 진행할 계획이다.