[논문 리뷰] Rendering of 3D Dynamic Virtual Environments

Pagano, F.|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 01.

Computer Graphics and Visualization Techniques참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 OGRE, PhysX, ParticleUniverse, Caelum, Hydrax, 그리고 Paged Geometry를 통합하여 비디오 게임에서 동적 3D 가상 환경을 렲영하기 위한 모듈러하고 오픈소스 프레임워크를 제시한다. 동적 조명, 일주일 주기, 유체 기반 수질 시뮬레이션, 수준별 세부 정보 관리 기반 최적화된 페이지 기반 기하학을 통해 대규모 실외 환경에서 높은 성능과 시각적 사실감을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper we present a framework for the rendering of dynamic 3D virtual environments which can be integrated in the development of videogames. It includes methods to manage sounds and particle effects, paged static geometries, the support of a physics engine and various input systems. It has been designed with a modular structure to allow future expansions. We exploited some open-source state-of-the-art components such as OGRE, PhysX, ParticleUniverse, etc.; all of them have been properly integrated to obtain peculiar physical and environmental effects. The stand-alone version of the application is fully compatible with Direct3D and OpenGL APIs and adopts OpenAL APIs to manage audio cards. Concluding, we devised a showcase demo which reproduces a dynamic 3D environment, including some particular effects: the alternation of day and night infuencing the lighting of the scene, the rendering of terrain, water and vegetation, the reproduction of sounds and atmospheric agents.

연구 동기 및 목표

• 비디오 게임에서 현실감 있는 동적 3D 가상 환경을 구축하는 데 드는 높은 개발 비용과 복잡성을 해결하기 위해.
• 다양한 오픈소스 컴포넌트를 하나의 통합되고 확장 가능한 미들웨어 프레임워크로 통합하기 위해.
• 최적화된 기하학 관리 및 환경 효과를 통해 대규모 실외 환경에서의 렌더링 성능과 시각적 사실감을 향상시키기 위해.
• 특히 페이지 기반 기하학을 포함한 기존 오픈소스 라이브러리를 동적 조명과 날씨 시뮬레이션 기능으로 확장하기 위해.
• 일주일 주기, 수질 역학, 대기 효과를 포함한 프레임워크의 기능을 시연하는 쇼케이스 애플리케이션을 통해 기능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 3D 그래픽 렌더링의 핵심 엔진으로 OGRE를 통합하여 그 오픈소스 성격, 문서화, 활발한 커뮤니티 지원을 활용하였다.
• 메모리 사용량을 줄이고 프레임 레이트를 향상시키기 위해, 가시 영역에 있는 기하학만 동적으로 로드하는 방식으로 Paged Geometry를 사용하여 대규모 실외 환경(예: 숲, 풀)을 관리하였다.
• ImpostorPage 기반 엔티티에 대해 per-vertex 조명 샐러를 사용하여 동적 조명을 확장함으로써, 발광, 환경광, 확산광, 반사광 성분을 포함한 조명 효과를 구현하였다.
• Caelum을 통합하여 일주일 주기 영향을 받는 동적 조명을 고려한 실제적인 하늘, 구름, 대기 에이전트 렌더링을 수행하였다.
• Hydrax를 사용하여 수심, 거품, 햇빛 빛줄기, 반사 효과를 동적 하늘 조건에 따라 시뮬레이션하는 고급 수질 렌더링을 수행하였다.
• 모든 요소를 통합된 프레임워크 내에서 동기화된 방식으로 PhysX를 활용한 물리 시뮬레이션과 ParticleUniverse를 활용한 입자 효과(비, 바람 등)를 통합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 컴포넌트를 효율적으로 통합하여 동적 3D 게임 환경 렌더링을 위한 모듈러하고 오픈소스 프레임워크를 설계할 수 있는가?
• RQ2 수백만 개의 객체를 포함한 대규모 실외 환경을 고성능으로 렌더링하면서도 시각적 사실감을 유지할 수 있는 기법은 무엇인가?
• RQ3 페이지 기반 렌더링 시스템에서 비둘기 모양의(임플로터 기반) 기하학에 대해 동적 조명을 효과적으로 확장할 수 있는가?
• RQ4 게임 엔진 프레임워크 내에서 일주일 주기, 수질 역학, 대기 에이전트와 같은 현실적인 환경 효과를 통합하기 위한 전략은 무엇인가?
• RQ5 기존 오픈소스 라이브러리를 성능을 저하시키지 않고도 동적 조명 및 유체 시뮬레이션과 같은 고급 기능을 지원하도록 확장할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 프레임워크는 OGRE, PhysX, ParticleUniverse, Caelum, Hydrax, 그리고 Paged Geometry를 통합하여 3D 게임 개발을 위한 통합되고 확장 가능한 미들웨어 솔루션으로 성공적으로 구현하였다.
• per-vertex 조명 샐러를 사용하여 ImpostorPage 기반 엔티티에 동적 조명을 성공적으로 확장함으로써, 시각적 결함을 감소시키고 현실감을 향상시켰다.
• 동적 레벨 오브 디테일(LOD) 균형을 갖춘 페이지 기반 기하학은 대규모 실외 환경에서 최대 10배의 프레임 레이트 향상을 달성하여 성능을 크게 향상시켰다.
• Caelum 통합을 통해 실제적인 하늘과 구름 렌더링이 가능해졌으며, 시뮬레이션된 일주일 주기 영향을 받는 동적 조명이 반영되었다.
• Hydrax를 통한 수질 렌더링은 깊이, 거품, 햇빛 빛줄기 효과를 정확하게 시뮬레이션하였으며, 반사 및 조명 효과가 동적 하늘 조건에 영향을 받는 방식으로 작동하였다.
• 쇼케이스 데모는 날씨 변화와 시간대 변화를 동기화한 복잡하고 상호작용 가능한 환경을 렌더링할 수 있음을 입증하며 프레임워크의 능력을 입증하였다.