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Projetive Texture Mapping 은 3차원 텍스쳐 기법 중의 하나로 3차원 물체위에 텍스쳐를 투영시키는 기법이다. 

OpenGL은 잘 알고 있다시피 화면을 그리기 위해 Fixed pipeline를 이용한 방법과 GLSL 과 같은 쉐이더를 이용한 방법이 있다. Fixed pipeline을 이용해 Projective Texture Mapping을 구현한 예는 이미 널리 퍼져 있다. (http://www.opengl.org/resources/code/samples/mjktips/projtex/index.html)

헌데 GLSL을 이용한 방법은 안타깝게도 완벽한 예제가 없어 몇일을 구글링 했던 기억이 난다. 가장 완벽에 가까운 Tutorial은 http://www.ozone3d.net/tutorials/glsl_texturing_p08.php인데 이것도 쉐이더의 코드만 제공하고 있을뿐 중요한 부분에 대한 구현 방법은 생략했다. 

우선 Projective Texture Mapping을 위해 이해해야 할 것이 있다. 바로 텍스쳐의 좌표 생성에 관한 것인데, 일반적으로 2D 텍스쳐의 경우 0에서 1의 범위를 가지는 텍스쳐 좌표 값을 텍스쳐가 입혀질 물체의 버텍스에 설정함으로써 텍스쳐가 입혀지는데 Projective Texture Mapping은 이렇게 텍스쳐 좌표값을 생성하는 것이 아니라 마치 공간상에 프로젝터를 한대 놓고 그 프로젝터에서 발사되는 색상이 물체 위로 영사되게 되는 방식이다. (아래 그림처럼)

그렇다면 어떻게 저게 가능할까? 방법은 의외로 간단하다. (이론적으로는..) 프로젝터를 원하는 위치에 놓고 원하는 방향을 바라보게 한 다음 텍스쳐를 쏘면 된다... 말은 참 쉽다...

이런 원리에 대한 대답은 첨부된 10.1.1.104.6914 (5).pdf 파일에 있다... Projective Texture Mapping의 원리에 대한 아주 잘 설명하고 있다. 여기서 중간쯤 보면 Eye Linear Texgen 이라는 부분이 중요한데, Eye space에 근거하여 텍스쳐 좌표를 생성해내는 방법을 설명하고 있다. 바로 거기 행렬 곱들이 보이는데 저놈이 우리가 구현해야 할 부분이다.

 

uniform mat4 TexGenMatCam0;
uniform mat4 ViewMat;

void main()
{
	mat4 InvViewMat = inverse(ViewMat);	
	
	vec4 posEye =  gl_ModelViewMatrix * gl_Vertex;
	vec4 posWorld = InvViewMat * posEye;
		
	gl_TexCoord[0] = TexGenMatCam0 * posWorld;

	gl_Position = ftransform();		
} 

uniform sampler2D projMap_forCam1;

void main (void)
{
    vec4 final_color = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    if( gl_TexCoord[0].q > 0.0 )
    {
		vec4 ProjMapColor_forCam1 = texture2DProj(projMap_forCam1, gl_TexCoord[0]);
		final_color = ProjMapColor_forCam1;			
    }

		
    gl_FragColor = final_color;			
}
 

	glMatrixMode(GL_MODELVIEW_MATRIX);
	glPushMatrix();
	glLoadIdentity();
			
	gluLookAt(0.0f, 0.5f, 0.0f, 0, 0, 1.0f, 0, 1.0f, 0.0f);
	glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, ProjViewMatCam0);

	glLoadIdentity();
	gluPerspective( 90.0, 1.0, 0.0, 5.0);
	glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, ProjProjectionMatCam0);

	glLoadIdentity();
	glLoadMatrixd(bias);

	glMultMatrixf(ProjProjectionMatCam0);
	glMultMatrixf(ProjViewMatCam0);

	glGetFloatv(GL_MODELVIEW_MATRIX, TenLinearGexMatCam0);
 

요렇게 얻어오면 된다. gluLookAt을 이용해 View 행렬을 셋팅하고 gluPerspective를 이용해서 Projection 매트릭스 셋팅, 그리고 얻어진 요 녀석과 bias 행렬을 곱해서 TexLinearGexMatCam0를 얻어낸다. 이렇게 얻어낸 녀석을 바로 쉐이더로 전다... 참고로 bias 행렬은 다음과 같다.

const GLdouble bias[16] = { 0.5, 0.0, 0.0, 0.0,
                            0.0, 0.5, 0.0, 0.0,
							0.0, 0.0, 0.5, 0.0,
							0.5, 0.5, 0.5, 1.0 };

자 이제 버텍스 쉐이더에 대해 설명하자면 이 녀석은 각각의 버텍스가 들어오면 어플리케이션으로부터 받은 ViewMat의 역행렬을 일단 구해 놓고 Pre-defined 된 ModelView 매트릭스에 각각의 버텍스를 곱하여 Eye space의 좌표를 계산한다. 이것이 바로 posEye이다.

그리고 이제 계산된 Eye space 좌표계에 ViewMat의 Inverse matrix인 InvViewMat을 곱해주면 Eye space에서 World space로 좌표계를 변환시켜 준다. 그리고 얻어지는 녀석이 posWorld이다.

이제 남은 일은 이 월드 좌표계의 점을 우리가 셋팅 해놓은 프로젝터의 View matrix와 Projection matrix로 곱해주고 bias 행렬을 통해 위치와 크기를 변환시켜 주면 되는데 그 세개의 매트릭스를 미리 계산해서 구해 놓은 값이 바로 TexGenMatCam0이다. 이것은 위에 나온 코드로 어플리케이션에서 가져오면 된다.

그리하여 만들어지는 것이 바로 텍스쳐 좌표이고 이 값들을 Pre-define 된 텍스쳐 좌표계 0번에 집어 넣는다.

그러고 나서 이제 프로그먼트 쉐이더로 넘어가면 일단 입력으로 텍스쳐 하나가 들어오는데 바로 우리가 영사할 텍스쳐다.  

		glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
		glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, TexID_Cam1);
		glEnable(GL_TEXTURE_2D);

어플리케이션에서는 위와 같이 텍스쳐를 활성화 시키면 된다. 그리고 재미있는 부분이 있는데 gl_TexCoord[0].q 가 0보다 큰가를 체크하는데 바로 이부분 때문에 내가 Fixed 파이프라인을 이용하는 방법에서 GLSL로 바꾸었다.

Fixed 파이프 라인을 이용하면 바로 이 부분을 콘트롤 할 수가 없다. Projective Texture Mapping의 문제점이 바로 Reverse Projection인데 이것은 Fixed 파이프 라인에서는 Reverse projection을 근본적으로 제거하는 것이 힘들다. 고로 결국은 쉐이더를 이용해야 편한다. 바로 q 값이 그 것을 하게 해주는 인자 값이다. 만약 이 q 값이 0보다 적다면 이것은 reverse projection을 의미하는 것으로써 이 경우에는 아무것도 그리지 않으면 물체에 reverse projection이 일어나지 않는다.

그렇게 해서 만들어지는 결과는 다음과 같다.

 위 그림은 4개의 Projective Texture Mapping이 3차원 그릇의 각 면에 영사되고 있는 형태다. 파노라마 이미지가 있다면 위와 같은 방식으로 360도 Virtual Space를 손쉽게 만들수 있겠다. 아직 코드가 정리가 안되었는데 조만간 정리 좀 해서 올려야 겠다. 간단하게 바꿔서... 

방금 구글에서 3차원 물체를 검색하던중 아주 반가운 사진을 보았다. 바로 송혜교 사진이다.

그런데...... 두둥!!

이게 사진이 아니고 CG란다!! 허걱! 썌빨간 거짓말 입니다!!! 라고 순간 피식 했다...

허걱!!!! x 2 그런데 이 그림의 출처와 누가 이런 거짓말을 하는지 살펴보다 보니 이것이 정말로 CG로 만들어진 (MAX로 만듬) 것임을 알았다.... (충격 받음)

이 3차원 그래픽을 만든 사람은 인도네시아에 사는 사람인데 궁금하다면 아래 링크로 들어가보면 된다. 어떻게 만들었는지 간단하게 설명되어 있다.

http://www.cgarena.com/freestuff/tutorials/max/songhyekyo/index3.html

glRasterPos 함수와 glWindowPos 두 함수는 얼핏 보기에는 비슷해 보인다. 하지만 큰 차이점이 있다.

먼저 내가 어떤 상황에서 두 함수를 사용할 일이 있었는지를 설명해 보자.

내가 현재 작성중인 프로그램에서는 수십장의 화면을 미리 만들어서 glReadPixels를 이용해서  메모리에 저장해

놓았다가 그것을 glDrawPixels를 이용해서 빠르게 보여주는 것이다.

뭐 물론 실시간을 보여주면 안되냐는 간단한 질문을 할 수가 있다..=.=

하지만 문제는 하나의 화면 렌더링에 걸리는 시간이 크기 때문에 그럴수 없다는 것이다.

그래서 glDrawPixels를 실행할때는 반드시 현재의 Raster 위치 (즉, 그림을 그려넣기 시작할 왼쪽 아래 시작 부분)이 어딘지를 확인해야 한다.

만약 그 값이 minus이거나 invalid 한 값이라면 화면에는 당연히 아무것도 그려지지 않는다.

처음에 나는 단순하게 glDrawPixels 명령 바로 위에 glRasterPos2i(0, 0)을 했다.

단순히 생각해서 Raster 위치를 window coordinates (사용자가 보는 window의 왼쪽 제일 구석 지점)의 0, 0으로 이동시키고자 했던 것이다.

하지만 중요한 점을 간과했으니 이놈은 화면에 존재하는 vertex처럼 matrix에 의해 변환이 된다는 것이다.

고로 내가 이전에 model_view matrix를 사용했고 loadidentity로 초기화 시켜 놓지 않았다면 이전에 남아있는 행렬 변환이 여기서 적용되게 되는 것이다.

그 결과 값이 터무니 없는 값으로 나오게 되었고 화면에는 깜깜한 배경외에는 아무것도 보이지 않았다.....

나중에 알았지만 이 함수를 대체할수 있는것이 OpenGL version 1.4이후에 나왔으니 바로, glWIndowPos 함수다.

이것은 행렬 변환, 치환 이런 것에 전혀 개의치 않고 현재의 윈도우 좌표계를 절대적인 값으로 적용하여

raster의 위치를 잡는다. 고로 이 함수로 glWindowPos3f(0.0, 0.0, 0.0)을 하면 현재 내 출력 윈도우의

좌표계에서 무조건 (model view matrix고 나발이고) 0, 0을 기준으로 그림을 그려 넣게 된다...

두개중에 어떤것을 사용해야 할지는 경우에 따라 다르겠지만 중요한 사실은 두 함수는 행렬 변환 matrix에 영향을 받느냐 혹은 안받느냐가 가장 큰 차이점이라는 것이다.... 명심하자.

OpenGL을 사용하면서 조명을 사용할 경우 알아둬야 할 몇가지 중요한 포인트가 있다.

단순히 예전에는 빛을 켜면 걍 물체의 현재 색상, 즉 파란공이면 파랗게 빨강공이면 빨간색으로 나올줄 알았다. 무식한 발상이 아닐 수 없다.

OpenGL에서는 물체가 어떤 색으로 나타나게 될지를 결정하는 두가지 중요한 요소가 있으니 바로 조명의 색상과 물체의 반사색 이다.

조명의 색상이 중요한 것은 당연지사. 파란불이 비추어지면 물체가 흰색이라해도 푸르스름할 것이고 만약 물체가 빨간색이라면 광학 원리상 물체는 빨간색 빛 이외에는 다 흡수하므로 파란 색 빛을 다 흡수하여 검은 물체로 보여질 것이다.

다음으로 물체의 반사색인데 내가 물체의 vertex 마다 어떤 색상을 지정했건 간에 glMaterial*() 함수를 이용해 물체의 반사색을 다른 걸로 설정하면 그 정의된 색으로 입사하는 빛을 반사한다는 것이다.

또한 OpenGL에는 3가지 빛의 속성을 설정 가능한데 우선 주변광 (ambient light)로써 이것은 우리 주위에 은근히 존재하는 빛을 말한다. 형광등에서 나온 빛이 온 방을 환하게 하는 그런 분위기의 빛이다.

다음으로 분산광인데 (diffuse light) 이것은 반사되어 퍼져나가는 색상을 말한다. 이 색상이 바로 물체의 색상을 결정짓는데 가장 큰 역활을 한다. 현실과 유사하게 만들기 위해서는 조명의 주변광은 적게 주고 조명의 분산광은 적당한 색으로 주고 (흰색에 가깝게)  물체의 분산광을 자신이 원하는 색상으로 만들면 물체가 자신이 원하는 색상으로 나타나게 만든다.

그리고 마지막 빛으로 반사광(specular light)인데 반사광이라기보단 highlighting 색상이 더 쉽게 이해될것 같다. 즉 물체에 입사하는 빛을 강하게 (분산광처럼 퍼져나가는 빛이 아니라) 반사하는 색상을 말한다. 은이나 금 같은 물체에 빛을 비추면 일부분이 강하게 반사되면서 눈이 부시게 되는 현상이 나타나는데 바로 그 부분의 색상을 결정하는 것이다. 이것은 당연히 들어오는 빛의 색을 반사하는 것이 현실과 유사하므로 주로 입사광의 색상을 따라간다.

마지막으로 한가지 중요한 사실은 내가 원래 설정한 물체의 색상, 즉 각 vertex마다 설정한 색상을 그대로 보여주기 위해서는 두가지 방법이 있다.

1) 빛을 설정하지 않는다. 조명을 설치하지 말라는 말. 그러면 원래 색상이 그대로 나옴

2) 만약 조명을 설치했다면 glEnable(GL_COLOR_MATERIAL)을 활성화 시켜서 물체의 색상이 나오도록 한다.

개인적으로 2번이 더 쉽다고 생각되는데 처리 시간이 1번보다 더 걸릴것으로 예상된다.

현재 내가 수행중이 프로젝트는 절묘한 Stencil Buffer 사용을 요구한다.

Framebuffer Object의 Stencil buffer를 사용하려고 하다보니 생각지 못한 문제들에 막힌적이 있었다.

우선 Framebuffer Object 사용시 Stencil Buffer의 세부 규약에 대해서 몰라서 어떻게 세팅하는지 몰랐고

다른 한가지는 Nvidia 그래픽 카드에서는 Nvidia에서만 허용되는 특수한 타입이 있는데 그것을 반드시 써야만 Framebuffer Object의 Stencil Buffer를 아무 에러없이 쓸 수 있다는 점이었다.

이것은 다음에 자세히 알아보도록 하고 오늘은 Stencil Buffer를 어떻게 정하고 또 어떻게 사용하는지만 이야기 해보자.

우선 Stencil Buffer를 정의하는 것부터 시작한다. Stencil Buffer를 어디서 정의해야 하는가 하는 의문부터 해결하자. Stencil Buffer라 함은 사용자가 원하는 부분만 그려내고 싶을때 사용하는 기술이다.

자동차 게임을 예로 들어보면 Need for speed에서 자동차 내부에서 보는 시점이 있다. 그 때에는 차 앞쪽과 측면 유리를 통해서만 외부의 세상이 보여질 뿐이다. 바로 이럴때 Stencil Buffer를 사용한다. Full Screen으로 렌더링 할 필요가 없고 사용자가 원하는 부분만 보여주고 싶을때 이다.

그렇다면 당연히 외부의 세상을 그리기 전에 Stencil Buffer를 정의해야 한다. 외부의 모든 물체를 다 그려놓고 보이지 않는 부분을 삭제하는 것과 보여지지 않는 부분을 빼고 그리는 것 둘중에 어떤것이 더 나을까 라고 스스로에게 질문해보자.

그래서 물체를 그리기 전에 다음과 같은 명령들을 내려줘야 한다.

  glColorMask(0, 0, 0, 0); // 1
  glEnable(GL_STENCIL_TEST); // 2
  glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, 1); // 3
  glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE); // 4
  glDisable(GL_DEPTH_TEST); // 5

  glColor3f(0.0f, 1.0f, 0.0f); // 6
  glPushMatrix(); // 7
  glTranslatef(VP_x, VP_y, -10.0f); // 8
  glCallList(MakeMask); // 9
  glPopMatrix(); // 10
  glDisable(GL_STENCIL_TEST); // 11

1번은 Color Buffer(화면에 보여질 모습이 저장되는 버퍼)에 어떠한 색깔도 그리지 말라는 의미인데 이것을 하는 이유는 현재 우리는 Stencil Buffer에 그림을 그리고자 하는 것이지 Color Buffer에 그림을 그리고자 하는 것이 아니기 때문이다. Stencil Buffer에 그리고자 하는 그림이 화면에 그대로 보인다면 당연히 이상한 그림이 나올것이다.

2번과 5번 11번은 굳이 설명하지 않아도 알것이다. Stencil 기능을 켜고 끄며 혹은 Depth test를 끄는 기능들을 한다.

이제 3번과 4번이 중요한데 이거 상당히 복잡해서 나도 처음에 볼때는 많이 애먹었다. 3번 함수는 Stencil Buffer에 값을 쓸때 어떤 경우에 쓰고 또 어떤 값을 쓸것인가를 설정하는 함수다. 아시다시피 Stencil buffer는 단순히 생각해서 0과 1로 이루어진 bitplane이다. 즉 1이면 통과 0이면 통과 실패이다. 여기서 이해하고 넘어가야 할것은 stencil buffer를 정의할 때는 일일이 각각의 화소 위치에 대해서 1과 0을 세팅하는 것이 아니고 내가 원하는 위치에 물체를 그려 넣음으로써 그 부분은 1로 채워지게 만드는 것이다. 원래 Stencil Buffer는 모두 0으로 가득 차 있는데 내가 보여주고 싶은 부분에만 그림을 그려 넣으면 3번과 4번 함수에 의해서 그 부분의 Stencil buffer 값은 모두 1로 바뀌게 되는 것이다.

의미적으로만 설명을 했는데 3번과 4번 함수는 인터넷에서 man page를 찾아보면 금방 이해할 수 있을 것이다. 중요한 것은 이 단계에서는 Stencil buffer에 우리가 보여주고 싶은 부분만 그린다는 것이다.

6,7,8,9,10은 모두 물체를 그리는 명령이다. 다 설명하자면 너무 길고 어쨌든 줄여서 저 명령들은 내가 원하는 위치에 내가 원하는 물체를 그리는 것이다. 고로 그 위치의 Stencil Buffer 값은 모두 1로 변하게 된다. 자, 여기까지 하면 이제 비로서 Stencil Buffer를 사용할 수 있는 단계에 온것이다. 이제 고작 사용할 수 있는 단계에 온것이다. 그렇다면 어떻게 사용하느냐? 오히려 사용하는 것이 더 쉽다.

위의 일련의 명령이 사용하는 법이다. 우선 Stencil Test를 Enable한다음 glColorMask()함수를 이용해서 지금부터 그리는 물체를 color buffer에 넣으라는 명령을 내린다. 당연히 그래야 한다. 왜? 지금부터는 사용자에게 보여줄 화면을 그리는 것이기 때문이다. 그런다음 설정함수인 glStencilFunc와 glStencilOp가 나오는데 이것은 아까 본것과 조금 다를뿐 거의 같다. 함수에 대한 설명은 여기서 다 하기 힘드니 함수 설명을 찾아보고 읽으면 금방 이해가 갈것이다. 저 두함수가 하는 역활은 들어오는 각각의 화소에 대한 값을 stencil buffer의 해당 위치의 값과 비교해서 1이면 통과 0이면 통과 실패를 시키는 것이고 추가적으로 stencil buffer에 저장되어 있는 값은 변경하지 말라는 의미이다. 당연히 stencill buffer를 변경해서는 안된다.

그리고 그 다음 좌악 나오는 명령들은 이제 진짜 그림을 그리자는 명령들이다.

쉽게 쉽게 그리고 간단하게만 썼는데 나중에 내가 참고하려고 할때 다시 보면 이해가 잘 될지 모르겠다.ㅋㅋ
팍팍 줄여서 단계별로 설명하자면,
1. 스텐실 버퍼에 내가 보여주고자 하는 부분만 그린다.
2. 실제로 물체를 그리고자 할때에는 스텐실 버퍼 설정함수를 조작하여 스텐실 버퍼가 1의 값을 가지는 곳만 그림이 그려지도록 한다.

아주 간단하게 써보았다. :)

OpenGL... 처음 들었을때는 심히 막연했던 단어가 아닌가 싶다.

프로그래밍에 대해 그닥 자신이 없는지라 더더욱 그랬다. 처음에는 OpenGL이 단순히 프로그래밍 언어라고 생각했었다. 하지만 알고보니 Library 였던 것이다. -_-

하지만... 차라리 프로그래밍 언어였으면 좋겠다라고 생각한 적이 있을 정도로 갑갑한 적도 있었다. 아예 프로그래밍 언어라면 여러가지 면에서 설명이나 구현이 더 일관성이 있어 질 것이라고 생각했기 때문이다.

뭐 지금은 그럴 필요가 왜 없는지 대충 감이 오긴 오지만 아직 공부를 더 해야....

오픈GL 입문서라 불리는 Red book을 읽다보니 제법 재미있다는 것을 알았다. '오 이거 신기한데~' 랄까..

나처럼 영상 분야를 공부하는 사람이라면 OpenGL이야 말로 나의 상상을 펼치게 만들어주는 날개와도 같다는 생각이 든다.

이론과 광학 장비로는 절대 풀수 없는 문제를 OpenGL을 통해 구현해 내는 것을 보면 신기하기 그지 없다.

그래서~ OpenGL 목록을 만들었고 내가 사용했던 혹은 사용할 유용한 프로그램 Tip이라든가 조그만 도움말정도의 글을 적어둘까 한다.

이제 겨우 시작이긴 하지만 재미있다고 느끼는 일이 생겨서 다행이다. :)

푸헐헐...