This thesis proposed an efficient 2D and 3D blending method, called Sprite Shell, for interactive walkthroughs with moving objects. It allows fast ray casting rendering relatively in which have many moving objects.
In general, if there are no moving objects, the BSP method is fast. Currently the algorithm based on BSP including portals for realistic building navigator has been studying. But it is more important to operate many moving objects in some walkthroughs like games and interactive virtual reality.
The sprite shell based on ray casting has several useful features: First, it is efficient to manage many moving objects by using the function of sprite shell. Second, the frame rates to moving objects are decreased linearly. This means that we can get constant frame rates. It is important to get constant frame rates in many applications including games and virtual reality. Third, it would be possible to implement parallel processing because each casting ray is independent each other.
Because these features are efficient for many platforms, it would be adapt the sprite shell with constant frame rates in applications including virtual reality, games and building walkthroughs with moving objects.
실제 사진과 같은 수준의 3차원 그래픽 처리를 위한 실시간 연산은 아직까지 자연스러운 애니메이션을 위해 필요한 최소 프레임 시간을 넘어가는 과부하를 발생시키는 경우가 대부분이다. 이러한 연산 과부하를 해결하기 위한 방안의 하나로 대상 모델의 구조를 단순화하는 연구 결과가 많이 발표되었으며 특히 건물 안을 걸어가며 관측하는 형태의 대화형 도보 가상환경(Walkthroughs)은 이러한 의도와 실제 응용목적이 잘 부합되는 대표적인 분야중의 하나이다.
도보 가상환경의 특성상 천정과 벽면 등의 고정 객체가 모두 바닥과 수직 또는 수평이 되는 단순 구조를 이루고 있으므로 고속 렌더링이 가능하다. 지금까지 Walkthroughs와 관련된 많은 논문과 응용 프로그램은 BSP트리 구조에 기초한 알고리즘을 근간으로 연구되었으며 실제로 BSP트리 응용 알고리즘은 움직이는 물체를 배제하였을 경우에 다른 어떤 방법보다 빠른 프레임 비를 얻을 수 있다.
최근에는 portal환경을 효율적으로 고속 처리하여 보다 사실적인 building navigator등에 응용하기 위한 목적의 연구가 증가하는 추세이다. 그러나 도보 가상환경에도 다른 특성을 갖는 세부 응용분야가 존재하며, 미로 형태의 게임이나 특수목적의 가상현실과 같은 분야에서는 portal을 통해 보이는 건물 내부의 사실적인 묘사보다 건물 안에서 움직이는 물체들을 빨리 렌더링하고 쉽게 다룰 수 있는 효율적인 방법이 더 중요한 핵심이 될 수 있다.
이동 객체는 배경이 되는 벽면 등의 단순 구조에 비하여 자유롭고 복잡한 형태의 폴리곤 또는 자유곡선으로 이루어진 경우가 대부분이므로 프레임 비가 떨어지게 된다. 이 논문에서는 이러한 목적에 부합하는 효율적인 방법의 하나로 레이 캐스팅 기법에 기초한 2차원 합성 시스템인 스프라이트 쉘 알고리즘을 제안하였다.
스프라이트 쉘은 관측자를 중심으로 동심원의 구조를 갖는 다중 쉘과 그 위에서의 연산기능을 지원하는 쉘 함수로 구성된다. 관측 각도 안에 포함되는 고정 객체와 이동 객체의 3차원적 위치 관계가 동심원 쉘의 교점 위치로 산출되며 이동 객체인 스프라이트는 복잡한 폴리곤이므로 미리 렌더링 되어 2차원적인 평면 형상으로 저장되고 그 속성에 따라 다중 쉘 위를 자유롭게 이동하며 항상 관측자를 향한 노말 벡터를 갖도록 배치된다. 한 프레임의 렌더링 프로세스는 해당 관측 각도 안에서 일정 비율의 레이 캐스팅이 수행됨으로써 완료된다. ℃絹염 }변형에 따른 쉘에서의 변화 값은 동심원 쉘 위에서 비례관계를 따르므로 이런 개념에서 이동 객체를 다루는 것은 효율적이며 상대적으로 빠른 렌더링이 가능하다.
실험 결과 이동 객체를 고려하지 않은 경우 기존의 BSP방법에 기초한 알고리즘은 스프라이트 쉘을 포함한 다른 방법과 비교하여 2배가 넘는 높은 프레임 비율을 보여주었으나 이동 객체가 존재하게 되면 기존 BSP방법의 프레임 비는 급격히 감소하였고 이에 비하여 스프라이트 쉘과 기존의 레이 캐스팅 알고리즘은 선형적인 감소율을 보여 상대적으로 처리속도가 빨랐다. 이동 객체가 4개 이하일 경우는 레이 캐스팅 방법이 약간 빨랐으나 이동 객체의 수가 많아질수록 스프라이트 쉘 방법의 프레임 비가 기존 레이 캐스팅보다 조금씩 높아졌다. 스프라이트 쉘 연산과정에 필요한 기본 시간 때문에 처음에는 늦어지다가 4개 이상의 이동 객체가 되면 이 기본적인 소요 시간을 상쇄시킬만한 효과가 발생되기 때문에 많은 이동 객체일수록 더 높은 프레임 비를 보여주는 것이라 생각된다. 이 논문에서 사용된 샘플의 경우 스프라이트 쉘이 효율성을 갖는 이동 객체수의 임계값은 4라고 할 수 있다.
이 기법은 몇 가지 유용한 특성을 갖는다. 첫째, 움직이는 물체가 많은 Walkthroughs에서 이동과 변형 등 이동 물체의 제어에 효율적인 환경을 제공한다. 둘째, 레이 캐스팅에 기초한 2차원 합성 기법의 개념이므로 이동 객체수의 증가에 따른 렌더링 프레임 비율이 선형적으로 감소한다. 이러한 특성은 애니메이션 기반의 응용 소프트웨어에 있어서 편차가 큰 고속 프레임 비율을 얻는 것보다 더 유용하다. 셋째, 관측 각도 안에서 캐스트 되는 레이 들은 서로 독립적이므로 병렬 처리가 용이하다.
