KR101076807B1

KR101076807B1 - 레이 트레이싱 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101076807B1
Application number: KR1020090047541A
Authority: KR
Inventors: 박우찬; 허진석
Original assignee: 주식회사 실리콘아츠; 박우찬
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2011-10-25
Anticipated expiration: 2029-05-29
Also published as: WO2010137821A2; WO2010137821A3; CN102439862A; US20120075300A1; JP2012528376A; KR20100128881A; CN102439862B; EP2437399A2; US9241212B2

Abstract

3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치는 정적 객체(static object)에 대한 제1 가속 구조(AS, Acceleration Structure)를 구축하고, 제1 동적 객체(dynamic object)에 대하여 LOD(Level Of Detail) 연산을 수행하여 제2 동적 객체를 생성하는 중앙 처리 장치 및 상기 제1 가속 구조와 상기 제2 동적 객체에 대한 제2 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하는 레이 트레이싱 코어를 포함한다. 상기 중앙 처리 장치 또는 상기 레이 트레이싱 코어는 상기 제2 동적 객체에 대한 상기 제2 가속 구조를 구축한다.

Description

레이 트레이싱 장치 및 방법{RAY TRACING APPARATUS AND METHOD}

개시된 기술은 3 차원 그래픽 처리에 관한 것으로, 특히, 레이 트레이싱 장치 및 방법에 관한 것이다.

3 차원 그래픽 기술은 컴퓨팅에 저장된 기하 데이터(geometric data)의 3 차원 표현을 사용하는 그래픽 기술로, 오늘날 미디어 산업과 게임 산업을 포함하는 다양한 산업에서 널리 사용되고 있다. 일반적으로 3 차원 그래픽 기술은 많은 연산량으로 인하여 별개의 고성능 그래픽 프로세서를 요구한다.

특히, 최근 프로세서의 발전에 따라 매우 현실적인 3 차원 그래픽을 생성할 수 있는 레이 트레이싱(ray tracing) 기술이 연구되고 있으며, 특히, 레이 트레이싱 기술은 반사, 굴절, 그림자를 포함하는 다양한 광 효과들(optical effects)을 시뮬레이션할 수 있다.

실시예들 중에서, 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치는 정적 객체(static object)에 대한 제1 가속 구조(AS, Acceleration Structure)를 구축하고, 제1 동적 객체(dynamic object)에 대하여 LOD(Level Of Detail) 연산을 수행하 여 제2 동적 객체를 생성하는 중앙 처리 장치 및 상기 제1 가속 구조와 상기 제2 동적 객체에 대한 제2 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하는 레이 트레이싱 코어를 포함한다. 상기 중앙 처리 장치 또는 상기 레이 트레이싱 코어는 상기 제2 동적 객체에 대한 상기 제2 가속 구조를 구축한다.

실시예들 중에서, 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치는 정적 객체(static object)에 대한 제1 가속 구조(AS, Acceleration Structure)와 제2 동적 객체(dynamic object)(상기 제2 동적 객체는 제1 동적 객체에 대하여 LOD(Level Of Detail) 연산을 수행함으로써 생성됨)에 대한 제2 가속 구조를 저장하는 메모리 및 상기 제1 가속 구조와 상기 제2 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하는 레이 트레이싱 코어를 포함한다.

실시예들 중에서, 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 방법은 정적 객체(static object)에 대한 제1 가속 구조(AS, Acceleration Structure)를 구축하는 단계, 제1 동적 객체(dynamic object)에 대하여 LOD(Level Of Detail) 연산을 수행하여 제2 동적 객체를 생성하는 단계, 상기 제2 동적 객체에 대한 상기 제2 가속 구조를 구축하는 단계 및 상기 제1 가속 구조와 상기 제2 동적 객체에 대한 제2 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하는 단계를 포함한다.

개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태 를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

“및/또는”의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, “제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목”의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함 하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 레이 트레이싱 장치(ray tracing apparatus)를 설명하는 블록도이고, 도 2는 도 1의 레이 트레이싱 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 레이 트레이싱 장치(100)는 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit)(110), 레이 트레이싱 코어(120), 시스템 메모리(130) 및 로컬 메모리(140)를 포함한다.

중앙 처리 장치(110)는 정적 객체(static object)에 대한 제1 가속 구조(AS, Acceleration Structure)를 구축한다(단계 S210). 도 5는 가속 구조와 기하 데이터를 설명하기 위한 도면이다. 가속 구조(AS)는 레이 트레이싱에서 일반적으로 사용되는 kd-tree (k-depth tree) 또는 BVH(Bounding Volume Hierarchy)를 포함하고, 도 5는 가속 구조가 kd-tree에 상응한다고 가정하였다.

객체는 능동적으로 움직이지 않는 정적 객체(static object)와 능동적으로 움직이는 동적 객체(dynamic object)로 구분된다. 예를 들어, 3 차원 게임에서, 정적 객체는 배경 장면(background scene)을 포함할 수 있고, 동적 객체는 등장 인물을 포함할 수 있다. 이들 모두를 통합하여 가속 구조를 구축하는 방법은 [Ingo Wald, William R Mark, Johannes Gunther, Solomon Boulos, Thiago Ize, Warren Hunt, Steven G Parker, and Peter Shirley, State of the Art in Ray Tracing Animated Scenes, Eurographics 2007 State of the Art Reports]에 나타나 있다.

객체는 기하 데이터로 구성되고, 기하 데이터는 공간을 구성하는 삼각형 정보를 포함한다. 일 실시예에서, 삼각형 정보는 삼각형 세 점에 대한 텍스처 좌표(texture coordinate)와 법선 벡터(normal vector)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 정적 객체의 경우 기하 데이터는 구축된 후 거의 바뀌지 않을 수 있고, 동적 객체의 경우 기하 데이터는 자주 구축될 수 있다.

kd-tree(500)는 공간 분할 트리(spatial partitioning tree)의 일종으로, 레이-삼각형 교차 테스트(Ray-Triangle Intersection Test)를 위하여 사용된다. kd-tree(500)는 박스 노드(Box Node)(510), 내부 노드(Inner Node)(520) 및 리프 노드(leaf node)(530)를 포함하고, 리프 노드(530)는 기하 데이터에 포함된 적어도 하나의 삼각형 정보를 포인팅하기 위한 삼각형 리스트를 포함한다. 일 실시예에서, 만일 기하 데이터에 포함된 삼각형 정보가 배열로 구현된 경우에는, 리프 노드(530)에 포함된 삼각형 리스트는 배열 인덱스에 상응할 수 있다.

또한, 중앙 처리 장치(110)는 제1 동적 객체(dynamic object)에 대하여 LOD(Level Of Detail) 연산을 수행하여 제2 동적 객체를 생성한다(단계 S220). LOD는 객체가 관찰자(viewer)로부터 멀어지거나 또는 객체의 중요성(object importance), 시점-공간 속도 또는 위치(eye-space speed or position)와 같은 다른 기준에 따라 3차원 객체 표현의 복잡도를 감소시키 것을 포함한다.

일 실시예에서, 제1 동적 객체가 관찰자로부터 멀어지는 경우에는 중앙 처리 장치(110)는 더욱 세련되지 않은 표현(coarse representation)으로 제2 동적 객체를 생성할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 제1 동적 객체가 관찰자로부터 가까워지는 경우에는 중앙 처리 장치(110)는 더욱 세련된 표현(refined representation)으로 제2 동적 객체를 생성할 수 있다.

중앙 처리 장치(110) 또는 레이 트레이싱 코어(120)는 제2 동적 객체에 대한 상기 제2 가속 구조를 구축한다(단계 S230). 제2 가속 구조의 구축 과정은 위에서 설명한 제1 가속 구조와 실질적인 차이가 없으므로, 이에 관한 설명은 생략한다.

레이 트레이싱 코어(120)는 제1 가속 구조와 제2 동적 객체에 대한 제2 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하고(단계 S240), 최종적으로 현재 프레임에 대한 이미지를 생성한다(단계 S250). 만일 동적 객체가 변하는 경우 상기 단계 S220 내지 단계 S250을 수행한다.

이하, 레이 트레이싱 코어(120)의 동작을 설명한다.

도 3 및 도 4는 레이 트레이싱 과정을 설명하기 위한 도면이다.

레이 트레이싱은 레이 트레이싱 코어(120)에 의하여 재귀적으로 수행되며, (i) 아이 레이 생성 과정(단계 S410) (ii) 가속 구조 방문(AS Traversal) 과정(단계 S420) (iii) 레이-삼각형 교차 테스트(ray-triangle intersection test) 과정(단계 S430) (iv) 세이딩 및 세이딩 레이 생성 과정(단계 S440)을 포함한다. 여기에서, 세이딩 레이는 쉐도우 레이(S), 굴절 레이(F) 및/또는 반사 레이(R)를 포함한다.

레이 트레이싱 코어(120)는 제1 및 제2 가속 구조들 각각에 대하여 레이-삼각형 교차 테스트를 수행한다. 현재 프레임을 위한 이미지는 정적 객체와 동적 객체 모두를 포함할 수 있기 때문이다.

레이 트레이싱 코어(120)는 제1 또는 제2 가속 구조에서 레이와 교차되는 삼각형을 가지는 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행한다. 즉, 만일 제1 또는 제2 가속 구조에서 레이와 교차되는 삼각형이 존재하는 경우에는, 레이 트레이싱 코어(120)는 삼각형이 존재하는 가속 구조에 대하여 레이 트레이싱을 수행한다. 예를 들어, 만일 레이와 교차되는 삼각형이 제1 가속 구조에 존재하는 경우에는 제1 가속 구조에 대하여 레이 트레이싱이 수행될 수 있다.

레이 트레이싱 코어(120)는 제1 및 제2 가속 구조들 모두가 레이와 교차되는 삼각형을 가지는 경우에는 레이의 시점과 상기 교차되는 삼각형들 각각 간의 길이들(distances)을 기초로 레이 트레이싱을 위한 가속 구조를 결정한다. 일 실시예에 서, 레이 트레이싱 코어(120)는 레이의 시점과 상기 교차되는 삼각형들 각각 간의 길이들 중 짧은 거리를 가지는 삼각형을 선택할 수 있다. 짧은 거리를 가지는 삼각형이 관찰자와 가까운 곳에 있는 객체에 상응할 수 있기 때문이다.

아이 시점과 제1 가속 구조의 교차되는 삼각형 간의 거리가 S1에 상응한다고 가정하고, 아이 시점과 제2 가속 구조의 교차되는 삼각형 간의 거리가 S2에 상응한다고 가정한다. 만일 S1이 S2보다 작은 경우에는 레이 트레이싱 코어(120)는 제1 가속 구조의 교차되는 삼각형을 기초로 레이 트레이싱을 수행하고, 만일 S2가 S1보다 작은 경우에는 레이 트레이싱 코어(120)는 제2 가속 구조의 교차되는 삼각형을 기초로 레이 트레이싱을 수행한다.

다시 도 1에서, 레이 트레이싱 장치에 포함된 시스템 메모리(130)와 로컬 메모리(140)는 논리적인 구분을 위한 것으로, 필요에 따라, 시스템 메모리(130)와 로컬 메모리(140)는 하나의 메모리에 통합될 수 있다.

시스템 메모리(130)는 중앙 처리 장치(110) 또는 레이 트레이싱 코어(120)에 의하여 접근될 수 있고, 삼각형 정보를 포함하는 기하 데이터(132)와 텍스처를 위한 텍스처 데이터(134)를 저장한다. 로컬 메모리는 레이 트레이싱 코어(120)에 의하여 접근될 수 있고, 정적 및 제2 동적 객체들을 위한 기하 데이터(142a 및 142b), 정적 및 제2 동적 객체들을 위한 가속 구조(144a 및 144b), 시스템 메모리(130)에 있는 텍스처 데이터에서 필요한 텍스처 데이터(146)와 현재 프레임을 위한 프레임 버퍼(148)를 포함한다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효 과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

일 실시예에 따른 레이 트레이싱 장치는 레이 트레이싱의 효율적 처리를 위하여 동적 객체에 대하여 LOD(Level Of Detail)를 수행할 수 있다. 따라서 레이 트레이싱 장치는 관찰자로부터의 거리를 반영하여 레이 트레이싱을 효율적으로 수행할 수 있다.

일 실시예에 따른 레이 트레이싱 장치는 정적 객체와 동적 객체 각각에 대한 가속 구조를 사용하여 레이 트레이싱을 수행할 수 있다. 따라서 레이 트레이싱 장치는 빠른 속도로 가속 구조를 구축할 수 있고, 결과적으로 레이 트레이싱을 효율적으로 수행할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 레이 트레이싱 장치(ray tracing apparatus)를 설명하는 블록도이다.

도 2는 도 1의 레이 트레이싱 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 5는 가속 구조와 기하 데이터를 설명하기 위한 도면이다.

Claims

정적 객체(static object)에 대한 제1 가속 구조(AS, Acceleration Structure)를 구축하고, 제1 동적 객체(dynamic object)에 대하여 LOD(Level Of Detail) 연산을 수행하여 제2 동적 객체를 생성하는 중앙 처리 장치; 및

상기 제1 가속 구조와 상기 제2 동적 객체에 대한 제2 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하는 레이 트레이싱 코어를 포함하고,

상기 중앙 처리 장치 또는 상기 레이 트레이싱 코어는 상기 제2 동적 객체에 대한 상기 제2 가속 구조를 구축하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
제1항에 있어서, 상기 레이 트레이싱 코어는

상기 제1 및 제2 가속 구조들 각각에 대하여 레이-삼각형 교차 테스트(ray-triangle intersection test)를 수행하는 것을 특징으로 하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
제2항에 있어서, 상기 레이 트레이싱 코어는

상기 제1 또는 제2 가속 구조에서 레이와 교차되는 삼각형을 가지는 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
제2항에 있어서, 상기 레이 트레이싱 코어는

상기 제1 및 제2 가속 구조들 모두가 레이와 교차되는 삼각형을 가지는 경우에는 상기 레이의 시점과 상기 교차되는 삼각형들 각각 간의 길이들(distances)을 기초로 레이 트레이싱을 위한 가속 구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
제4항에 있어서, 상기 레이 트레이싱 코어는

상기 레이의 시점과 상기 교차되는 삼각형들 각각 간의 길이들 중 짧은 거리를 가지는 삼각형을 선택하는 것을 특징으로 하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
정적 객체(static object)에 대한 제1 가속 구조(AS, Acceleration Structure)와 제2 동적 객체(dynamic object)(상기 제2 동적 객체는 제1 동적 객체에 대하여 LOD(Level Of Detail) 연산을 수행함으로써 생성됨)에 대한 제2 가속 구조를 저장하는 메모리; 및

상기 제1 가속 구조와 상기 제2 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하는 레이 트레이싱 코어를 포함하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
제6항에 있어서, 상기 레이 트레이싱 코어는

상기 레이 트레이싱 전에 상기 제2 동적 객체에 대한 제2 가속 구조를 구축 하는 것을 특징으로 하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
제6항에 있어서, 상기 레이 트레이싱 코어는

상기 제1 및 제2 가속 구조들 각각에 대하여 레이-삼각형 교차 테스트(ray-triangle intersection test)를 수행하는 것을 특징으로 하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
제8항에 있어서, 상기 레이 트레이싱 코어는

상기 제1 또는 제2 가속 구조에서 레이와 교차되는 삼각형을 가지는 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
제8항에 있어서, 상기 레이 트레이싱 코어는

상기 제1 및 제2 가속 구조들 모두가 레이와 교차되는 삼각형을 가지는 경우에는 상기 레이의 시점과 상기 교차되는 삼각형들 각각 간의 길이들(distances)을 기초로 레이 트레이싱을 위한 가속 구조를 결정하는 것을 특징으로 하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
제10항에 있어서, 상기 레이 트레이싱 코어는

상기 레이의 시점과 상기 교차되는 삼각형들 각각 간의 길이들 중 짧은 거리 를 가지는 삼각형을 선택하는 것을 특징으로 하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 장치.
정적 객체(static object)에 대한 제1 가속 구조(AS, Acceleration Structure)를 구축하는 단계;

제1 동적 객체(dynamic object)에 대하여 LOD(Level Of Detail) 연산을 수행하여 제2 동적 객체를 생성하는 단계;

상기 제2 동적 객체에 대한 제2 가속 구조를 구축하는 단계; 및

상기 제1 가속 구조와 상기 제2 동적 객체에 대한 상기 제2 가속 구조를 기초로 레이 트레이싱을 수행하는 단계를 포함하는 3 차원 그래픽을 위한 레이 트레이싱 방법.