컴퓨터 그래픽스 시스템

수업 2주차. 그래픽스가 물리적으로 구현되는 하드웨어 스택 과 이를 추상화하는 소프트웨어 스택 을 한 번에 훑습니다. 개념·용어·연도 암기가 많은 장.

---

1. 그래픽스 시스템의 구성

그래픽스 시스템은 Hardware · Program · Database 세 축으로 구성됩니다.

1.1 Graphics Hardware

• Processor: CPU 와 Graphics Accelerator (GPU).
• Memory: System Memory 와 Frame Buffer (화면 이미지 저장).
• 출력장치: 모니터, 프린터 등.
• 입력장치: 마우스, 태블릿, 3D 스캐너 등.

1.2 Graphics Program

• 그래픽스 응용 프로그램.
• 일반적으로 그래픽스 라이브러리(API: Application Program Interface) 를 이용해 개발.

1.3 Graphics Database

• 2차원 / 3차원 물체와 주변 환경을 기술하는 데이터.

---

2. 디스플레이 장치

2.1 CRT (Cathode Ray Tube) 모니터의 원리

TV와 유사하게 전자총(Electron Gun) 에서 전자빔(Cathode ray) 을 스크린에 주사.

• 주요 속성: 해상도(Resolution) · 스캔라인(Scan Line) · 종횡비(Aspect Ratio).
• 발광체의 지속성 (Persistence of Phosphors):
  • Flicker 현상을 방지하기 위해 CRT screen을 주기적으로 Refresh.
  • Low persistence: 애니메이션에 바람직 (잔상 적음).
  • High persistence: Highly complex · Static picture 에 적합.

2.2 벡터 모니터 (Random-Scan Monitor)

• Line-drawing application 에 적합, realistic shaded scene 에는 부적합.
• Raster-scan monitor 보다 high-resolution 가능.
• Smooth line drawing 가능.
• Line-drawing commands (Display file program) 로 제어.

2.3 래스터 모니터 (Raster-Scan Monitor)

대부분의 현대 디스플레이가 이 방식이며, Shading & Coloring 에 적합.

• 이미지 단위 계층: Pixel (Picture Element) → Scan Line → Raster (set of horizontal scan lines).
• 앨리어싱(Aliasing): 지그재그(Jaggies) 현상 → 앤티앨리어싱(Antialiasing) 으로 완화.
• Raster: 생성된 그래픽 이미지를 Frame Buffer 에 저장.
• Frame Buffer 의 Depth (비트 깊이) 가 표현 가능한 색상 수를 결정.
• 스캔변환 (Scan Conversion, Rasterization): 벡터 명령 → 픽셀로 변환.

2.4 컬러 모니터 (Color Monitor)

두 가지 방식.

2.5 평판 디스플레이 (Flat-Panel Display)

• LCD (Liquid Crystal Display)
• LED (Light Emitting Diode)
• OLED (Organic LED) — 자발광으로 LCD 대비 명암비·응답속도 우수

2.6 3D 디스플레이

단순히 색상만 표시하는 것을 넘어 입체감(depth) 을 느끼게 해주는 장치.

입체감 지각 원리

인간의 좌우 눈은 약 65mm 떨어져 있어, 두 눈이 미세하게 다른 각도의 영상을 본다. 이 두 이미지가 시신경을 통해 뇌의 시피질(visual pathway) 로 전달되어 하나의 영상으로 융합되는 과정에서 입체감(양안시차, binocular disparity) 이 지각됩니다.

구현 원리

두 개의 카메라 렌즈로 좌·우 영상을 동시에 촬영, 좌·우 눈에 대응 영상을 개별적으로 표시하여 재생. 촬영 리그는 수평/수직/수직-거울 방식 등.

세 가지 분리 기법 ⭐️

입체 영상 파일 포맷

Line-by-line, Side-by-side-half, Above-below (Top/Bottom), Checkerboard — 한 프레임 안에 두 눈 영상을 담는 방식들.

VR HMD

오큘러스·HTC Vive 같은 헤드셋은 본질적으로 두 개의 디스플레이로 좌우 눈에 각각의 영상 을 송출.

---

3. 그래픽스 프로세서

3.1 래스터스캔 시스템 (Raster-Scan System)

그래픽스 명령어 → 픽셀 이미지 형태로 프레임버퍼에 저장.

• 흐름: Pixel → Scan line → Raster → Frame Buffer.
• 스캔변환 (Scan Conversion, Rasterization) 단계가 핵심.
• 비디오 제어기 (Video Controller) 가 프레임 버퍼 내 데이터를 초당 수십 회 이상 모니터에 갱신.

3.2 GPU 와 GPGPU ⭐️

예시: NVIDIA GTX 1080 = 2560 개 CUDA Core. Quad-core CPU 대비 수백 배의 병렬 처리 단위.

---

4. 입력 장치

4.1 2차원 입력 장치

4.2 3차원 입력 장치

• 3D 디지타이저 / 3D 스캐너: 3차원 물체의 (X, Y, Z) 좌표 입력. 예: David 조각상 스캔.
• 모션캡처 (Motion Capture): 사람·동물의 움직임과 같은 동적 데이터 입력.
  • 기계식 · 자기적(Magnetic) · 광학식(Optical) · 관성식(Inertial) — 특히 광학/관성식이 현대 표준.
• 기타: RGBD Cameras (Azure Kinect), VR/AR Controllers (HTC Vive, Oculus), Facial Capture (iPhone ARKit).

---

5. 하드카피 장치

5.1 프린터 (Printer)

• Laser Printer 는 벡터 방식 인쇄를 위해 PostScript (PS) 표준을 따름.
• 컬러 프린터: CMY / CMYK 컬러모델 사용 (모니터의 RGB 와 정반대).

5.2 플로터 (Plotter)

• Drum Plotter / Flat-bed Plotter 방식.
• Line-drawing 소프트웨어 명령어 필요, 펜이 4~16 방향 으로 이동.
• 선 그리기 방식이므로 smoothly shaded region 이나 raster image 에는 부적합.

5.3 3D 프린터

• 3D Model 로부터 물리적 형태를 빠른 시간 내에 제작 (Rapid Prototyping).
• 활용: 상품 프로토타입, 기계부품, 데이터의 3D 시각화, 의학용 모델링, 문화유산 재현 등.
• 레이어 제조기법 (LM: Layered Manufacturing) 세 가지:
  • SLA (StereoLithography Apparatus) — 광경화 방식
  • Powder-based 3D Printing
  • FDM (Thermoplastic Fused Deposition Modeling) — 필라멘트 열압출

---

6. 그래픽스 소프트웨어

6.1 그래픽스 API 의 기능

• Output primitives 의 생성과 Attribute 지정: Line, Polygon, Circle, Curved line, Character string 등.
• 그래픽 객체의 모델링, 기하변환, 뷰잉변환.
• 객체의 Shading 및 Rendering.
• 논리적 그림 단위 정의: Segment (GKS), Structure (PHIGS), Object (OpenGL).
• 입력장치로부터의 상호대화식 데이터 입력.
• 제어 기능.

6.2 주요 API의 역사적 계보 ⭐️

CORE (ACM SIGGRAPH, 1979)
   ↓ [Hierarchical Grouping]
GKS (ISO, 1984) → PHIGS (ANSI, 1988)
                      ↓ [Object-oriented Graphics]
GL (Silicon Graphics) → OpenGL (1992) → Open Inventor
                                           ↓ [Scene Graph]
                                        VRML (1997) → X3D (2004)
                                           ↓ [VR]
                                        Java 3D (Sun, 1998)

주요 표준 상세

6.3 장치 인터페이스 (Device Interface)

• CGI (Computer Graphics Interface) — ANSI Standard.
• 가상 입출력장치(Virtual Device) 를 장치독립적으로 인터페이스.
• 물리적 I/O 장치(프린터·모니터·플로터·마우스) 마다 장치 드라이버(Device Driver) 개발 필요.

6.4 그래픽 데이터 교환 표준

---

📝 Checkpoint: 시스템 퀴즈

---

🔗 다음 학습

• 이전: 컴퓨터 그래픽스의 개요 (1주차)
• 다음: 래스터 알고리즘 (4주차) — 이제 실제 픽셀을 그리는 알고리즘으로 내려갑니다.
• 수학 기본기가 필요하면: 기초 수학