9.1 모바일환경에서 3 차원그래픽스기술 모바일 3D 그래픽스환경 모바일 3D 그래픽스엔진

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신일 황
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1 제 9 장. 모바일 3D 그래픽스기술

2 9.1 모바일환경에서 3 차원그래픽스기술 모바일 3D 그래픽스환경 모바일 3D 그래픽스엔진

3 9.1.1 모바일 3D 그래픽스환경 모바일 3D 그래픽스의활용분야 모바일콘텐츠의패러다임변화 : 2D 에서 3D 로변화 활용분야 : 3D 게임, 유무선연동 3D 채팅및아바타서비스, 3D 메세징, 3D 맵, 3D 메뉴및바탕화면 PC 수준에서가능했던 3D 콘텐츠의구현이가능해질전망 가상박물관, 가상쇼핑몰등가상현실콘텐츠서비스예상 3D 가속칩을탑재한모바일 3D 폰의본격적인보급 3D 콘텐츠의일상적인활용이가능

4 9.1.1 모바일 3D 그래픽스환경 모바일 3D 그래픽스의사용환경 모바일 Handheld 기기의제약점 low power : 32 비트정수계산만허용, 배터리사용 low memory : 프로그램메모리 50KB, 데이터는최소한도요구 low resolution : 160x120 부터 320x240 (QVGA) rapid evolving platform 데스크탑과모바일환경의비교 데스크탑 모바일 CPU 1 GHz ~ 3 GHz 100 MHz ~ 500 MHz FPU 있음 없음 전원 일반전원 배터리 메모리 512 MB 이상 100 KB ~ 128 MB 화면해상도 640x480 이상 160x120 ~ 320x240

5 9.1.1 모바일 3D 그래픽스환경 모바일 3D 그래픽의발전을위한조건 모바일전용 3D 그래픽처리엔진이필요 국내 : 리코시스 M3D, 고미드 G3, 와우포엠 NF3D 가있고, 외국 : HI Micro3D, Fathammer X-Forge, Superscape Swerve 모바일 3D 그래픽스표준 API 필요 그래픽스기능및장면그래프 (Scene Graph) 를표현하는표준 API로는 OpenGL ES 와 JSR-184가대표적 고성능, 저전력특성을갖는그래픽가속칩필요 ARM, Intel, Micro Electronics, TI, ATI, NVidia 등은모바일 3D 그래픽하드웨어가속장치개발중

6 9.1.1 모바일 3D 그래픽스환경 3D 엔진, 표준 API, 3D 콘텐츠, 하드웨어간의관계

7 9.1.2 모바일 3D 그래픽스엔진 모바일 3D 엔진의특성 꼭지점과삼각형면의집합으로구성된데이터가화면위에해당하는픽셀로나타나는과정을처리해주는프로그램 PC 의경우 OpenGL 또는 DirectX 가이역할을수행 화면 / 색상의수제한, 저전력환경, 낮은주파수의데이터버스 모바일 3D 엔진의구성 전처리, 기하변환, 래스터라이저세단계의처리과정으로구성 기하변환과래스터라이저부분은 PC 에서는전용하드웨어로구현

8 9.1.2 모바일 3D 그래픽스엔진 1 모델링및전처리과정 3D 데이터를꼭지점및삼각형면의정보형태로구성 2 기하변환과정 꼭지점들의화면상좌표를계산, 보이지않는면제거 (cull face), 광원효과를고려하여각면의색상을계산 각꼭지점에대한연산수행 모델 & 뷰잉변환 -> 조명 -> 투영 -> 클리핑 -> 스크린매핑 3 래스터라이저과정 주사선변환과정을거쳐실제그림을디스플레이하는과정 즉, 화면픽셀의색상을계산하여픽셀버퍼에저장

9 9.1.2 모바일 3D 그래픽스엔진 모바일 3D 엔진의핵심기술 휴대단말기환경에최적화된작은크기의소프트웨어엔진필요 3D 게임, 아바타, GUI 등각종 3D 콘텐츠에애니메이션이적용가능한정도의빠른렌더링기술 모바일환경에최적화된 3D 그래픽파이프라인구현기술필요 엔진의크기를얼마나작게하는가 ( 약 40K~300K 바이트 ) 얼마나빠르게하느냐 (500 폴리곤기준초당 3~30 프레임정도 ) 사용하기쉬운 API 를제공 일반 CP(Content Provider) 들이손쉽게콘텐츠개발을할수있는저작도구를제공하여개발기간을단축하도록 여러가지모바일 OS 및플랫폼지원

10 9.2 모바일 3D 그래픽스 API 표준 OpenGL ES 의소개 JSR-184(M3G) 의소개 모바일그래픽스관련표준화현황

11 9.2.1 OpenGL ES 의소개 크로노스그룹 (Khronos Group) 모바일용오디오, 비디오, 2D, 3D 그래픽 API 의표준화추진 컨소시엄형태의표준화그룹으로전세계 200 여업체참여 OpenGL ES (OpenGL for Embedded System) 특징 휴대용단말기나임베디드기기에서보다향상된 2D/3D 그래픽성능을위해제안된 Low-Level 단의경량 API S/W 애플리케이션과 H/W 혹은그래픽엔진간의 API 를제공 OpenGL 을기반으로하여사용빈도가낮거나불필요한부분을제거한 OpenGL 1.3 의 Subset

12 9.2.1 OpenGL ES 의소개 OpenGL ES 버전 버전1.0 : OpenGL 1.3에근거, 소프트웨어구현에촛점 2004 중반버전1.1 : OpenGL 1.5에근거, 하드웨어가속강조 2005 버전 2.0 : 쉐이딩과프로그램가능하드웨어지원

13 9.2.1 OpenGL ES 의소개 OpenGL ES 의장점 산업계표준, 로열티필요없다 적은메모리를요구, 전력소모최소화 S/W 렌더링에서 H/W 렌더링으로의전환이용이 확장및진화발전이가능 : 업데이트가능한 extension 제공 사용이용이 : 직관적디자인과논리적명령체계로구조화 풍부한관련자료 : OpenGL에기반, 방대한자료와샘플코드

14 9.2.2 JSR-184(M3G) 의소개 JSR-184 필요성 OpenGL 을이용할경우, MIDlet 이커지므로속도가느려진다. Java3D API 는사양이방대하여 MIDP 에적합하지않다. J2ME 환경에서실행되는상위레벨의그래픽라이브러리필요 JSR-184 의특징 JCP(Java Community Process) 의 JSR(Java Specification Request)-184 : 자바환경의 Mobile 3D Graphics (M3G) API 자바의특성을이어받아 Object 의재사용과공유를원칙 장면그래프로표현하는모드와기존 OpenGL 과호환되는모드

15 9.2.2 JSR-184(M3G) 의소개 OpenGL ES 와 JSR-184 의차이점 그래픽개념이나단계적절차는동일하나표현방식에서차이 JSR-184에서는 OpenGL ES에정의된모든기능을구현가능 절차적인방식의 OpenGL ES 에비해구조적 / 기능적개선 모바일환경에서 OpenGL ES 와 JSR-184 의역할

9.2.3 모바일그래픽스관련표준화현황 (1) 크로노스그룹 (Khronos Group) 의표준화현황 크로노스그룹 (http://www.khronos.

16 9.2.3 모바일그래픽스관련표준화현황 (1) 크로노스그룹 (Khronos Group) 의표준화현황 크로노스그룹 ( Embedded 및이동형단말기의오디오, 비디오, 2D, 3D 그래픽 API 표준화를추진하는컨소시엄형태의표준화그룹 DLabs, Discreet, Evans & Sutherland, Intel, Nvidia, SGI, ATI 등그래픽및미디어관련회사중심으로설립 현재 200 여업체참여 크로노스그룹의미디어 API 의역할

17 9.2.3 모바일그래픽스관련표준화현황 Khronos Group 의미디어 API OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems) 2D/3D 그래픽을위한저수준의그래픽스라이브러리제공 OpenVG(Open Vector Graphics) 모바일기기에서의벡터그래픽기능을목표로하는저수준의 API OpenMAX(Open Media Acceleration Primitives) 기본적인미디어처리기능을표준화한 API OpenSL ES(Open Sound API for Embedded System) 임베디드시스템에서하드웨어가속을지원하는오디오 API

18 9.2.3 모바일그래픽스관련표준화현황 (2) Java API JCP(Java Community Process) 1998 Sun Microsystems 설립, 자바플랫폼표준화활동지원 JSR(Java Specification Requests) JCP 회원사가제안한자바플랫폼에대한구체적인기술사양 모바일 3D 표준과관련된항목 JSR-184 : Mobile 3D Graphics API for J2ME JSR-226 : Scalable 2D Vector Graphics API for J2ME JSR-287 : Scalable 2D Vector Graphics API 2.0 for J2ME JSR-239 : JAVA Bindings for OpenGL ES - OpenGL ES 3D 그래픽라이브러리에대한자바바인딩 - 기본내용은 OpenGL ES 와동일하며, 자바에서동작하는환경제공

19 9.2.3 모바일그래픽스관련표준화현황 (3) 국내표준화현황 국내업체현황 표준화이전에 3D 서비스가먼저시작, 그후세계표준화기구의표준을따르고있는상황 Khronos 그룹에참여또는 OpenGL ES 를표준 API 로채택 모바일 3D 표준화포럼 국내에서도표준화필요성이부각되어 2004 년 4 월포럼설립 국내모바일 3D 산업의활성화와해외경쟁력확보가목표 총 47 개사의기관회원이참여산 학 연연계협력체제를구성 이동통신사, 단말기제조사, 플랫폼제작사, H/W 솔루션제작사, S/W 솔루션제작사, 콘텐츠제작사, 학교, 연구소 5 개분과 : 3D 엔진, 사운드, 응용레이어, 모바일콘텐츠, 기획

20 9.3 OpenGL ES 프로그래밍 OpenGL ES 프로그램의구성 OpenGL ES 프로그램의예

21 9.3.1 OpenGL ES 프로그램의구성 EGL(Embedded Graphics Library) 고유의플랫폼인터페이스 (Native Platform Interface) 공통적인플랫폼인터페이스레이어, 플랫폼결합함수들을정의 플랫폼이나운영체제와상관없이 OpenGL ES 의그래픽스작업을사용할수있게도와주는라이브러리 모바일 3D 어플리케이션프로그램의구성 3D 그래픽스를처리하는 OpenGL ES 함수들과시스템에종속적인부분을처리하는 EGL 및시스템함수들로구성

22 9.3.1 OpenGL ES 프로그램의구성 OpenGL ES 기능개요 ( 참고 ) 구분포함된기능 (OpenGL ES 1.0) 기하처리 (Geometry Processing) 래스터화 (Rasterization) 텍스쳐매핑 (Texture Mapping) 단편화처리 (Fragment Processing) Framebuffer Operations / Miscellaneous 꼭지점배열, 점 / 선 / 삼각형그리기, 행렬스택, 뷰포트, 깊이범위, 꼭지점광원처리, 쉐이딩모델멀티샘플링 (optional), 점 / 선및앤티앨리어싱, 다각형그리기, 다각형은면제거, 다각형채우기모드 2D 텍스쳐, Wrap repeat, edge_clamp, 압축텍스쳐, 멀티텍스쳐, TexSubImage, CopyTexImage, 픽셀포맷, 필터안개효과, 시저및알파테스트, 스텐실테스트 (optional), 깊이테스트 (optional), 블렌딩, 비트논리연산, 디더링화면초기화, 픽셀읽기, 알파테스트, 플러쉬, 종료, 힌트, 정적상태얻기

23 9.3.2 OpenGL ES 프로그램의예 설치환경 Windows CE 플랫폼의 PocketPC2003 을위한 OpenGL ES Embedded Visual C++ 4.0, Embedded Visual C Service Pack 4, Pocket PC 2003 SDK 을설치 Vincent Mobile 3D Rendering Library 를다운로드 삼각형예제프로그램 삼각형의각꼭지점에다른색상 삼각형내부는블렌딩 q 키는프로그램종료

24 9.3.2 OpenGL ES 프로그램의예 #pragma comment(lib, "libgles_cm.lib") #pragma comment(lib, "ug.lib") #include "ug.h" // OpenGL ES 메인라이브러리에링크 // Vincent 라이브러리에링크 // GLES/gl.h와 GLES/egl.h 헤더파일 GLfloat triangle[] = { // 삼각형꼭지점의좌표정의 0.25f, 0.25f, 0.0f, 0.75f, 0.25f, 0.0f, 0.5f, 0.75f, 0.0f }; GLfloat colors[] = { // 삼각형꼭지점의색상정의 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f }; void init() // 초기화에필요한과정 { glclearcolor (0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); glmatrixmode(gl_projection); glloadidentity(); glorthof(0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, -1.0f, 1.0f); glvertexpointer(3, GL_FLOAT, 0, triangle); glcolorpointer(4, GL_FLOAT, 0, colors); glenableclientstate(gl_vertex_array); glenableclientstate(gl_color_array); glshademodel(gl_smooth); }

25 9.3.2 OpenGL ES 프로그램의예 void display(ugwindow uwin) // 디스플레이함수를정의 { glclear (GL_COLOR_BUFFER_BIT); // 화면을지우고 gldrawarrays(gl_triangles, 0, 3); // 삼각형을버퍼에그린후 glflush (); // 화면에출력한다. ugswapbuffers(uwin); // 그리고버퍼를교체한다. } void keyboard(ugwindow uwin, int key, int x, int y) // 키보드처리함수를정의 { switch(key) { case 'q' : exit(0); break; // q' 가입력되면전체프로그램종료 } } int main() { UGCtx ug = uginit(); UGWindow uwin = ugcreatewindow(ug, "", "Triangle", 250, 250, 100, 100); // 생성 init(); // 초기화수행 ugdisplayfunc(uwin, display); // 디스플레이함수를지정 ugkeyboardfunc(uwin, keyboard); // 키보드처리함수를지정 ugmainloop(ug); // 메인루프함수를실행 return 0; }

26 9.4 모바일 3D 게임의구현

27 9.4 모바일 3D 게임의구현 게임엔진의개념 게임소프트웨어들이공유하는모듈로구성된라이브러리 또는 게임구현을지원하는툴의집합 서브엔진으로는렌더링및애니메이션엔진, 사운드엔진, 물리엔진, 인공지능엔진 게임개발도구로는지도 / 지형, 캐릭터, 애니메이션편집기등 Scene Graph API 로는 JSR-184 이용 low-level API 는 OpenGL ES 이용 [ 참고 ] 데스크탑용게임엔진 : Quake, Unreal

28 9.4 모바일 3D 게임의구현 모바일 3D 게임엔진및솔루션국외동향 일본 HI Corporation 사의 Mascot Capsule 게임엔진 핀란드 Fathammer 사의 X Forge 엔진 영국 Superscape 사의 Swerve 3D 게임엔진

29 9.4 모바일 3D 게임의구현 국내기술동향 고미드 G3 SDK 리코시스 M3D 엔진 와우포엠 NF3D 엔진

30 9.4 모바일 3D 게임의구현 모바일 3D 게임의핵심성공요소 Higher Quality Contents 3D 솔루션의기능을충분히이용한보다높은품질의게임컨텐츠 향상된그래픽, 3D 사운드효과, 편리한조작감지원등 신규시장의창출 기존 2D 게임에서지원하지못했던게임장르의개척 - 예, First Person Shooting, 레이싱게임등신규마켓창출 매니아위주의사용자층에서일반대중계층으로확대 일관성있는 3D 솔루션정책및 3D 컨텐츠제작환경지원 2D 게임에비해많은제작기간과인력이필요하므로이동통신사의일관성있는정책지원과의지표명필요 게임개발자를위한 3D 기술및마케팅지원확대가필요

31 9.5 모바일 3D 가속하드웨어및 3D 기술의미래 모바일 3D 가속하드웨어 모바일 3D 기술의발전방향

32 9.5.1 모바일 3D 가속하드웨어 모바일 3D 가속하드웨어의필요성 소프트웨어기반 3D 엔진의성능은최대초당 5~6 만개다각형 용도 사례 높은그래픽품질이나빠른속도감구현은곤란 3D 가속하드웨어칩셋, 초당 20~100 만폴리곤정도성능예상 다양한멀티미디어기능을위해서는범용프로세서로개발 3D 게임만을위해서는 3D 전용칩의개발 생산단가를고려하면 DSP 칩의사용을선호 SK 기가폰 : 나조미사의자바가속칩사용, 향후 DSP 칩예정 PDA 분야에서는미국 MeidaQ 사의 3D 전용칩이많이사용 휴대폰분야에서는일본산신전자의 GSHARK, 미쯔비시의 Z3D, 핀란드 bitboys 사의 Acceleon 칩이많이사용

33 9.5.1 모바일 3D 가속하드웨어 업체동향 Qualcomm Q3D / Q3Dimension MSM 6100 : Q3D 하드웨어엔진, OpenGL ES, 초당 10 만다각형 MSM 7000 : ATI 사의 Imageon 코어채택, 향후 ATI 와기술협력 ATI Imageon 년 OpenGL ES 를충족하는휴대전화용멀티미디어칩발표 CPU 가없는순수가속칩의형태 Nvidia GoForce 3D OpenGL ES 및 Direct 3D API 를충족 휴대전화용 3D 그래픽스칩코어, 저전력기술이특징 산신전자 Gshark plus 일본산신전자독자규격, CPU 가없는순수 3D 가속칩

34 9.5.2 모바일 3D 기술의발전방향 모바일 3D 가속하드웨어장치의개발및일반화 H/W 장치의과열방지기술과저전력 H/W 설계기술이중요 고성능 PC, PS2, X-Box 등에서구현이가능했던고품질 3D 콘텐츠의모바일기기상에서의구현이가능해질것 모바일기기전용의다양한사용자인터페이스기기 현재간단한버튼조작과방향키로게임조작이매우단순 아날로그방식의입력버튼, 360 도조이스틱장치등예상 최근입체디스플레이패널을장착한모바일기기가등장 3D 기술의표준화 현재는 Khronos 그룹과 JSR-184 그룹이업계표준을제정 많은업체들이이들의표준 3D API 를채택하여상품을개발 국내의경우국제표준화활동을하기에좋은조건을보유

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Microsoft PowerPoint - compare [읽기 전용] Embedded 3D API And ChipSet Aram So 국내외모바일플랫폼현황 국외 플랫폼개발언어수행방식추진사비고 Symbian C/C++ 바이너리노키아, 에릭슨, 모토로라서비스 Brew C/C++ 바이너리퀼컴서비스 J2ME 자바인터프리터 Sun Microsystems 서비스 Window Mobile C/C++ 바이너리 Microsoft - 국내 플랫폼개발언어수행방식추진사비고