데스크탑 상에서의 OpenGL ES 2.0 에뮬레이션

백낙훈 ( Nak Hoon Baek ) 한국정보처리학회 2014 정보처리학회논문지. 컴퓨터 및 통신시스템 Vol.3 No.4

OpenGL ES(OpenGL for Embedded System) 2.0은 현재 스마트 폰과 태블릿 PC에서 가장 널리 사용되고 있는 3차원 그래픽스 API표준이다. 이를 이용하는 개발과정에서는 상대적으로 성능이 떨어지는 모바일 환경보다는 데스크 탑 환경이 선호된다. 따라서, OpenGL 라이브러리만제공되는 데스크 탑 환경에서, 모바일 그래픽스 환경에서의 OpenGL ES 2.0 API를 그대로 에뮬레이션 할 필요가 있다. 본 논문은 PC 상에서OpenGL ES 2.0을 에뮬레이션하기 위해, 기술적 문제점들을 극복하는 방법들과 이에 따른 구현 결과를 제시한다. 구현된 OpenGL ES 2.0 에뮬레이션 라이브러리는 데스크 탑 PC 상에서 동작하고, 공식적인 검증 테스트(conformance test suite)의 96%이상을 통과하여, 구현의 정확성을 보였다. 또한, 상업적으로 제공되는 벤치마크 프로그램들에 대한 테스트에서 기존의 상업적 구현 사례와 동등한 수행 속도를 보였다. OpenGL ES(OpenGL for Embedded System) 2.0 is one of the most widely used 3D graphics API(application progrma interface) standard for smart phones and tablet PCs at this time. During programming with this API, they prefer desktop environment rather than the target mobile environment, which has relatively low computing power. Thus, we need to emulate the OpenGL ES 2.0 API on the desktop PCs, where only OpenGL API libraries are available. In this paper, we present technical difficulties and their solutions to emulate OpenGL ES2.0 on desktop PCs. Our final implementation of OpenGL ES 2.0 emulation library works on desktop PCs and passed over more than 96%of the official CTS(conformance test suites) to prove the correctness of our implementation. Additionally, for the commercially available benchmark programs, our implementation shows equivalent execution speeds to the previous commercial OpenGL ES 2.0 implementations.

OpenGL을 이용한 OpenGL ES 1.1 구현

이환용,백낙훈,Lee, Hwan-Yong,Baek, Nak-Hoon 한국정보처리학회 2009 정보처리학회논문지 A Vol.16 No.3

본 논문에서는 데스크탑과 같이 OpenGL 기능이 전용 하드웨어로 제공되는 환경을 대상으로, OpenGL ES 1.1 표준을 효율적으로 구현하는 방법을 제시한다. OpenGL ES는 기존의 OpenGL 표준을 바탕으로 하였지만, 고정소수점 연산, 이를 수용하는 버퍼 기능, 완전히 새로운 텍스처 처리 등의 도입으로, 임베디드 시스템에 특화된 3차원 그래픽스 라이브러리로 새롭게 제정되어, 구글 안드로이드, 애플 아이폰, 플레이스테이션3 등에서 공식 3차원 그래픽스 API로 채택되었다. 본 논문에서는 OpenGL ES의 특징적 자료형인 고정소수점 표현에 대한 산술 연산들을 개선하였고, 특히 고정소수점 자료형들을 부동소수점 형태로 변환하여 하위의 OpenGL API로 넘기는 과정에서 표준을 준수하면서도 효율적인 처리가 가능하도록 하였다. 새로 도입된 고정소수점 자료형을 허용하는 버퍼 기능에 대해서는 변환된 자료들을 별도의 메모리 공간에서 관리하는 방식으로 속도 향상에 중점을 두었으며, 요구 사항이 완전히 달라진 텍스처 처리 부분은 전체 기능을 별도의 소프트웨어로 완전히 새롭게 구현하였다. 최종 구현 결과인 OpenGL ES 라이브러리는 OpenGL ES 1.1 표준에 규정된 총 200여 함수를 제공하며, 표준인증 테스트를 완전히 통과하여 1.1 표준을 완벽히 만족시켰음을 보였다. 수행 속도 면에서는 OpenGL ES에 특화된 응용 프로그램들에 대한 처리 속도 측정에서 기존의 구현 사례들에 비해 최대 33.147배의 속도 향상을 가져왔으며, 동일한 범주의 구현 사례들 중에서 가장 빠른 구현 결과이다. In this paper, we present an efficient way of implementing OpenGL ES 1.1 standard for the environments with hardware-supported OpenGL API, such as desktop PCs. Although OpenGL ES was started from the existing OpenGL features, it becomes a new three-dimensional graphics library customized for embedded systems through introducing fixed-point arithmetic operations, buffer management with fixed-point data type supports, completely new texture mapping functionalities and others. Currently, it is the official three dimensional graphics library for Google Android, Apple iPhone, PlayStation3, etc. In this paper, we achieved improvements on the arithmetic operations for the fixed-point number representation, which is the most characteristic data type for OpenGL ES. For the conversion of fixed-point data types to the floating-point number representations for the underlying OpenGL, we show the way of efficient conversion processes even with satisfying OpenGL ES standard requirements. We also introduced a simple memory management scheme to mange the converted data for the buffer containing fixed-point numbers. In the case of texture processing, the requirements in both standards are quite different and thus we used completely new software-implementations. Our final implementation result of OpenGL ES library provides all of over than 200 functions in OpenGL ES 1.1 standard and completely passed its conformance test, to show its compliance with the standard. From the efficiency viewpoint, we measured its execution times for several OpenGL ES-specific application programs and achieved at most 33.147 times improvements, to become the fastest one among the OpenGL ES implementations in the same category.

Semi-Lagrangian 이류항 계산의 추적법 개선

박수완,백낙훈,유관우,Park, Su-Wan,Baek, Nak-Hoon,Ryu, Kwan-Woo 한국정보처리학회 2009 정보처리학회논문지 A Vol.16 No.6

일반적으로 사실성 있는 유체를 시뮬레이션하기 위해 Navier-Stokes 방정식을 사용한다. Euler 구조에서 Navier-Stokes 방정식을 풀 때, 이 류항은 비선형이어서 계산이 복잡하기 때문에 근사화한 모델로 Semi-Lagrangian 방법을 사용한다. Semi-Lagrangian 방법에서는 먼저 이류하 는 위치를추적하고, 추적한 위치에서 값을 보간해서 사용한다. Stam이 제안한 방법으로 계산할 경우, 이 과정에서 수치적 소실이 많이 발생하 기 때문에 수치적 소실을 보정하려는 노력들이 있어 왔다. 그러나 대부분의 경우에 보간하는 과정에서의 소실을 줄이려는 노력이거나, 입자를 같이 사용하는 방법이었다. 따라서 본 논문에서는 Euler 구조에서 다른 추가나 변형을 가하지 않고 이류항의 연산에서 추적법을 개선함으로 수 치적 소실을 줄이는 방법을 제안한다. 우리의 방법에서는 현재 격자의 속도로 역추적하는 기존의 방법이 아니라, 현재의 격자로 오게 될 속도 를 가진 격자를 찾아서, 그 격자의 물리량들을 선형 보간하여 사용한다. 이는 직관적으로 생각할 때, 어느 지점의 물리량은 그 지점의 속도로 인해 다음 단계에 다른 지점에 있게 된다는 사실을 그대로 적용한 것이다. 본 논문에서 제안한 방법으로 기체를 시뮬레이션 했을 때 수치적 소 실이 줄었으며, 그로 인해 사실성을 높이면서도 실시간 처리가 가능했다. To realistically simulate fluid, the Navier-Stokes equations are generally used. Solving these Navier-Stokes equations on the Eulerian framework, the non-linear advection terms invoke heavy computation and thus Semi-Lagrangian methods are used as an approximated way of solving them. In the Semi-Lagrangian methods, the locations of advection sources are traced and the physical values at the traced locations are interpolated. In the case of Stam's method, there are relatively many chances of numerical losses, and thus there have been efforts to correct these numerical errors. In most cases, they have focused on the numerical interpolation processes, even simultaneously using particle-based methods. In this paper, we propose a new approach to reduce the numerical losses, through improving the tracing method during the advection calculations, without any modifications on the Eulerian framework itself. In our method, we trace the grids with the velocities which will let themselves to be moved to the current target position, differently from the previous approaches, where velocities of the current target positions are used. From the intuitive point of view, we adopted the simple physical observation: the physical quantities at a specific position will be moved to the new location due to the current velocity. Our method shows reasonable reduction on the numerical losses during the smoke simulations, finally to achieve real-time processing even with enhanced realities.

그래픽 하드웨어를 이용한 분자용 보로노이 다이어그램 계산

이정은,백낙훈,김구진,Lee, Jung-Eun,Baek, Nak-Hoon,Kim, Ku-Jin 한국정보처리학회 2012 정보처리학회논문지 A Vol.19 No.4

본 논문에서는 주어진 단백질 분자에 대해 3차원 보로노이 다이어그램을 계산하는 알고리즘을 제안한다. 분자는 반경이 서로 다른 구의 집합으로 표현되며, 각 구의 반경은 원자의 반데르바스 (van der Waals) 반경에 대응한다. 보로노이 다이어그램은 3차원 공간을 복셀(voxel)의 집합으로 분할한 뒤, 보로노이 다이어그램을 포함하는 복셀을 보수적으로 추출함으로써 구성된다. 분자의 계층적 성질을 이용하여 BVH(bounding volume hierarchy)를 구성하고, CUDA 프로그래밍을 통하여 그래픽 하드웨어 가속을 활용함으로써 계산 시간 효율성을 높인다. 공간이 최대 $2^{24}$개의 복셀로 분할될 경우, 단일 코어 CPU로 구현하는 알고리즘에 비해 계산 속도가 323배 가량 향상 되었다. We present an algorithm that computes a 3 dimensional Voronoi diagram for a protein molecule in this paper. The molecule is represented as a set of spheres with van der Waals radii. The Voronoi diagram is constructed in the 3D space by finding the voxels containing it. For the feasibility of the computation, we represent the molecule as a BVH (bounding volume hierarchy), and our system is accelerated by modern graphics hardware with CUDA programming support. Compared to single-core CPU implementations, experimental results show 323 times faster performance in the computation time, when the space is partitioned into $2^{24}$ voxels.

비행 시뮬레이션을 위한 구름 모델링 및 렌더링

도주영,백낙훈,이창우,유관우,Do, Joo-Young,Baek, Nak-Hoon,Lee, Chang-Woo,Ryu, Wan-Woo 한국정보처리학회 2009 정보처리학회논문지 A Vol.16 No.5

컴퓨터 그래픽스에서 구름과 같은 대기 현상을 모델링하고 렌더링하는 것은 그 복잡성과 규모, 편재성 등으로 인해 상당히 까다로운 연구과제들 중의 하나이다. 본 논문은 컴퓨터 게임이나 항공 시뮬레이션 분야에서 요구되는, 실시간에 처리될 수 있는 구름 모델링과 렌더링 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 사용자가 직관적이고 대화형 편집 과정을 거쳐 권운, 층운, 적운 등의 다양한 형태를 생성할 수 있다. 또한, 메타볼과 계층적 구형 파티클을 사용하여, 세부 묘사를 자동으로 추가할 수 있다. 생성된 파티클들은 다중 순방향 산란과 이방성 산란을 고려하여 빌보드 방식으로 출력함으로써 실시간 처리가 가능하다. Modeling and rendering of atmospheric phenomena such as clouds is one of most difficult research themes in the field of computer graphics, mainly due to its complexity, huge volume, ubiquitousness, etc. In this paper, we represent a system for real-time modeling and rendering of clouds, mainly aiming at the computer games and flight simulation applications. Our implementation generates various kinds of clouds including cirrus, stratus, and cumulus, through intuitive real-timeuser interactions. Then, additional details are automatically attached to them, using our own methods based on meta-balls or hierarchical spherical particles. After processing multiple scattering and anisotropic scattering, resulting particles are rendered into billboards, to finally achieve real-time processing.

색상과 에지에 대한 통계 처리를 이용한 번호판 영역 분할 알고리즘

석정철,김구진,백낙훈,Seok Jung-Chul,Kim Ku-Jin,Baek Nak-Hoon 한국정보처리학회 2006 정보처리학회논문지B Vol.13 No.4

본 논문에서는 도로 영상으로부터 차량 번호판 영역을 분할하는 알고리즘을 제시한다. 차량의 번호판 영역이 다른 영역에 비해 차별되는 특정을 세 가지 측면으로 나누어, 1) 번호판의 내부 문자, 2) 번호판의 색상, 3) 번호판의 형태에 대해 분석한다. 전처리 과정에서는, 이와 같은 세 가지 측면을 고려하여 번호판의 내부 영역 및 크기를 판별할 수 있는 임계값들을 계산하며, 이를 위해 표본 영상에 대한 통계적 처리를 수행한다. 차량 영역 분할 알고리즘에서는 임계값들을 이용하여 입력영상 내부에서 번호판 영역이 강조되도록 영상을 이진화한다. 일정한 크기의 윈도우로 이진 영상(binary image) 전체를 탐색하여, 윈도우 내부 픽셀 값의 합이 높은 순으로 서로 중복이 없도록 후보 영역을 찾은 후, 간단한 휴리스틱을 이용하여 후보 영역들 중에서 번호판 영역을 선택한다. 이 알고리즘은 번호판의 변형 또는 색상 명암도에 차이가 있는 경우에 대해서 안정적이다. 또한 이 알고리즘은 복잡한 전처리 과정을 요구하지 않고, 적은 수의 표본 영상에 대한 통계 처리만으로도 228장의 실험 영상들에 대해 97.8% 정도의 높은 성공률을 보였다. 프로토타입 시스템을 구현한 결과는 512M 바이트 메모리를 장착한 3GHz 펜티엄4 PC에서 $1280{\times}960$ 해상도의 영상 1장당 평균 0.676초의 처리 속도를 보였다. This paper presents a robust algorithm for segmenting a vehicle license plate area from a road image. We consider the features of license plates in three aspects : 1) edges due to the characters in the plate, 2) colors in the plate, and 3) geometric properties of the plate. In the preprocessing step, we compute the thresholds based on each feature to decide whether a pixel is inside a plate or not. A statistical approach is applied to the sample images to compute the thresholds. For a given road image, our algorithm binarizes it by using the thresholds. Then, we select three candidate regions to be a plate by searching the binary image with a moving window. The plate area is selected among the candidates with simple heuristics. This algorithm robustly detects the plate against the transformation or the difference of color intensity of the plate in the input image. Moreover, the preprocessing step requires only a small number of sample images for the statistical processing. The experimental results show that the algorithm has 97.8% of successful segmentation of the plate from 228 input images. Our prototype implementation shows average processing time of 0.676 seconds per image for a set of $1280{\times}960$ images, executed on a 3GHz Pentium4 PC with 512M byte memory.

하드웨어를 이용한 효율적인 인공풍 시뮬레이션 방법

이남경,유관우,백낙훈,Lee, Nam-Kyung,Ryu, Kwan-Woo,Baek, Nak-Hoon 한국정보처리학회 2006 정보처리학회논문지 A Vol.13 No.7

본 논문에서는 자연풍에 비해 상대적으로 작은 영역에 영향을 주는 인공풍을 시뮬레이션하는 방법을 제안한다. 이를 위해 인공풍의 진행 형태를 모델링하는 방법을 제안하고, 제안하는 바람 모델이 시뮬레이션 환경에 미치는 영향을 계산하는 효율적인 방법도 제안한다. 제안하는 방법에서는 인공풍의 영향을 계산하는 수식이 기존의 조명 모델(Illumination Model)에서의 조도 계산식(Intensity Equation)과 유사함을 보이고, 이를 이용하여 바람에 의한 영향을 직접 수식으로 계산하지 않고 집중광선(Spot Light)에 대한 조도 계산식을 사용하여 효과적으로 인공풍의 힘을 계산한다. 제안하는 방법은 실시간 처리가 가능하며, 컴퓨터 게임이나 가상 현실과 같은 다양한 분야에 적용할 수 있다. In this paper, we present a simulation model for artificially generated winds which affect relatively restricted regions in comparison with natural winds. We first propose an artificial wind propagation model, and then propose an efficient way of calculating the effect of this wind model in the simulation environment. Through showing that our wind force calculation equation is similar to the typical intensity equation for illumination models, we can calculate the wind force indirectly by using the intensity equations for spotlights, and hence we can reduce the simulation time. Our method shows real-time capabilities, and thus can be used various real-time applications including computer games, virtual environments, etc.

절차적 방법을 이용한 다관절체의 대화형 동작생성

배희정(Hee Jung Bae),백낙훈(Nak Hoon Baek),이종원(J. Won Lee),유관우(Kwyan Woo Ryu) 한국정보과학회 2001 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.28 No.11·12

게임이나 가상 현실 등의 대화형 처리에서 다관절체의 동작을 실시간으로 처리할 필요성이 증가하고 있다. 최근에는 다관절체의 동작을 사실적으로 표현하기 위하여, 제약 동역학(constrained dynamics) 방법들이 사용되고 있으나, 이 방법들은 사용자의 요구가 빈번한 가상 공간에서 다관절체의 동작을 실시간으로 처리하기는 곤란하다. 본 논문에서는 다관절체의 동작을 비교적 사실적이면서도 빠르게 생성하기 위한 절차적 방법(procedural method)을 제안한다. 이 방법에는 다관절체를 구성하는 세그먼트들의 동역학적 움직임과 조인트에서의 기하학적 제약 조건을 따로 처리함으로써, 복잡한 선형 시스템의 풀이 과정을 피하였다. 결과적으로 본 본문이 제안하는 방법은 필요한 계산량을 줄임으로써 실시간 처리가 가능하다. 제안하는 방법의 구현 결과로서, 일반적인 PC 환경에서 인형 형태 다관절체의 동작을 대화형으로 실시간에 처리할 수 있음을 보인다. 이러한 방법들은 가상 공간에서의 캐릭터 애니메이션 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. In interactive environments including computer games and virtual reality applications, we have increased need for interactive control of articulated body motions. Recently, physically based methods including constrained dynamics techniques are introduced to this area, in order to produce more realistic animation sequences. However, they are hard to achieve real-time control of articulated bodies, due to their heavy computations. In this paper, we present a procedural method for interactive animation of articulated bodies. In our method, each object of the constrained body is first moved according to their physical properties and external forces, without considering any constraints. Then, the locations of objects are adjusted to satisfy given constraints. Through adapting this two-stage approach, we have avoided the solving of large linear systems of equations, to finally achieve the interactive animation of articulated bodies. We also present a few example sequences of animations, which are interactively generated on PC platforms. This method can be easily applied to character animations in virtual environments.

실시간 헬리콥터 시뮬레이션을 위한 회전 깃의 역학적 모델

박수완,유관우,김은주,백낙훈,Park, Su-Wan,Ryu, Kwan-Woo,Kim, Eun-Ju,Baek, Nak-Hoon 한국정보처리학회 2007 정보처리학회논문지 A Vol.14 No.5

물리 기반의 헬리콥터 시뮬레이션은 항공학, 항공역학 등의 분야에서 많이 연구되어 오고 있으나, 복잡한 수식, 많은 계산량 등으로 인해 사실성과 속도를 동시에 추구하는 컴퓨터 그래픽스 분야에는 적용하기 어려웠다. 본 논문에서는 컴퓨터 그래픽스 분야에 적용할 수 있도록 구현하기 쉽고, 실시간 헬리콥터 시뮬레이션을 가능하게 하는 헬리콥터 회전 깃(rotor blades)의 역학적 모델을 제안한다. 헬리콥터는 회전 깃과 공기의 충돌로 발생한 힘을 통해 운동하는데, 이는 유체와 강체가 충돌해서 발생하는 충돌력으로 설명할 수 있다. 이를 근거로 근사화한 회전 깃의 역학적 모델을 도입하면, 기존의 강체 시뮬레이션 방법으로 유체와 강체가 충돌하는 헬리콥터의 움직임을 실시간 시뮬레이션 할 수 있다. 본 논문에서는 실시간 계산이 가능하도록 뉴턴의 양력 계산법을 응용하여 회전 깃의 움직임으로 발생하는 힘을 구한다. 본 논문이 제안하는 방법에 따라 구현된 프로토타입 시스템은 실제와 유사한 헬리콥터 시뮬레이션을 실시간에 처리할 수 있음을 보였다. Physically-based researches on simulating helicopter motions have been achieved in the field of aeronautics, aerodynamics and others. These results, however, have not been appled in the computer graphics area, mainly due to their complex equations and heavy computations. In this paper, we propose a dynamics model of helicopter rotor blades, which would be easy to implement, and suitable for real-time simulations of helicopters in the computer graphics area. Helicopters fly by the forces due to the collisions between air and rotor blades. These forces can be interpreted as the impulsive forces between the fluid and the rigid body. Based on these impulsive forces, we propose an approximated dynamics model of rotor blades, and it enables us to simulate the helicopter motions using existing rigid body simulation methods. We compute forces due to the movement of rotor blades according to the Newton's method, to achieve its real-time computations. Our prototype implementation shows real-time aerial navigation of helicopters, which are murk similar to the realistic motions.

곡선 궤적의 이동 관측점에 대한 다면체 모델의 윤곽선 추출

김구진(Ku-Jin Kim),백낙훈(Nak-Hoon Baek) 한국컴퓨터그래픽스학회 2002 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.8 No.2