Microsoft Word - 1.정일권.doc
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- 대희 묘
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1 실사수준의디지털영상콘텐츠제작기술 Photo-Realistic Digital Image Content Production Technology 유비쿼터스시대를주도할디지털콘텐츠기술특집 Ⅰ. 서론 목차 Ⅱ. 영상기반모델링 Ⅲ. 영상기반렌더링 Ⅳ. 디지털액터표현 Ⅴ. 디지털액터상호작용 Ⅵ. CG/ 실사합성 Ⅶ. 결론 정일권 (I.K. Jeong) 김해동 (H.D. Kim) 박기주 (K.J. Park) 박창준 (C.J. Park) 백성민 (S.M. Baek) 추창우 (C.W. Chu) 이인호 (I.H. Lee) 디지털액터연구팀선임연구원디지털액터연구팀선임연구원디지털액터연구팀선임연구원디지털액터연구팀선임연구원디지털액터연구팀연구원 CG기반기술연구팀연구원디지털액터연구팀팀장 최근흥행에성공을거둔대부분의영화는첨단 CG 기술을제작공정의 50% 이상활용하고있으며점차영상콘텐츠제작에 CG 기술사용비율이증가하는추세이다. 본논문에서는 ETRI 디지털콘텐츠연구단에서연구개발중인실사수준의디지털영상콘텐츠제작기술에관해소개한다. 개발기술은현장요구가많은대표적인 CG 기술인영상기반모델링, 영상기반렌더링, 디지털액터표현, 디지털액터상호작용, CG/ 실사합성기술을포함한다. 엑스트라급디지털액터및디지털환경제작도구를개발하였으며, 최종적으로는주연급디지털액터및디지털환경제작도구를개발할예정이다. 3
2 I. 서론 세계영상콘텐츠시장은 2007 년 1,267 억달러로예상되는 (CAGR 17%) 고속성장중인거대시장이다. 최근흥행에성공을거둔대부분의영화 ( 타이타닉, 스타워즈에피소드, 반지의제왕 ) 는첨단 CG 기술을제작공정의 50% 이상활용하고있으며, 점차영상콘텐츠제작에 CG 기술사용비율이증가하는추세이다. 모델링, 렌더링, 디지털액터표현및상호작용, CG/ 실사합성등이영상콘텐츠의부가가치를높이는대표적인 CG 기술이며, 현재성장ㆍ발전기에있다. 디지털액터란실제배우수준의외형과동작을가진 3차원가상캐릭터이다. 본논문에서는 ETRI 디지털콘텐츠연구단에서연구개발중인실사수준의디지털영상콘텐츠제작기술에관해소개한다. 개발기술은실존하는물체의영상을통해모델링할수있는영상기반모델링, 영상을이용하여고품질의렌더링결과를얻는영상기반렌더링, 사실적인액터표현을위한디지털액터표현, 사실적인액터움직임을위한디지털액터상호작용, CG와실사를합치는 CG/ 실사합성기술을포함한다. Ⅱ. 영상기반모델링 1. 개요 모델링은이미존재하거나새롭게만들어야하는다양한유, 무형의물체들을컴퓨터로구체화하는과정으로, 애니매이션, 렌더링과함께컴퓨터그래픽스분야의큰틀을구성한다. 전통적으로모델링은디자이너들의반복적인수작업으로이루어져왔다. 주로사용되는소프트웨어는 Maya, 3D Studio Max, SoftImage 등이다. 이들은폴리곤, NURBs, Subdivision Surface 의형식으로그래픽모델을생성한다. 최근에개봉하는영화들은실사와컴퓨터그래픽모델의절묘한합성을통해서상상속의장면들을연출하고있으며, 그만큼사람과사물을디 지털화하는요구가늘고있다. 하지만, 수작업에의한전통적인모델링방식은정확도가많이떨어지고, 시간이많이걸리는단점이있다. 이런단점을극복하기위해서 3차원스캐너와같은실측기반모델링기술과사진만을사용하는영상기반모델링기술이연구되고있다. 실측기반모델링은조밀하게정확한측정이가능한반면, 고가의하드웨어와생성된대용량데이터를처리하는기술이필요하다. 영상기반모델링은실측기반모델링기술에비해모델의품질이다소떨어지지만, 사진만을이용하기때문에간편하게모델링할수있고, 입력영상으로부터텍스처를직접추출할수있는장점이있다. 디지털영상을만드는과정에서는이런장단점들을고려하여두방법을적절히선택하여사용하며, 이렇게생성한 3차원모델을컴퓨터그래픽스소프트웨어에서적절히가공하여사용한다. 2. 기술동향및개발기술 영상으로부터 3차원모델을생성하는과정은 ( 그림 1) 과같다. 영상기반모델링기술의주요연구테마는카메라보정과관련되어있으며, 카메라보정결과가모델의정확도에가장큰영향을미친다. 보통영상간의양안시차를구하는기술을영상정합이라고부르고, 사진으로부터촬영카메라의초점거리 (focal length), 주축점 (principal point) 등의내부인자및위치와방향을알아내는기술을카메라보정 (camera calibration) 이라고부른다. 영상정합은인지과학분야에서연구가시작되어최근에는컴퓨터비전분야에서활발한연구가이루어지고있으 Import Images 2D Images Camera Calibration Modeling & Texture Mapping ( 그림 1) 영상기반모델링과정 3D Model (VRML) 4
3 정일권외 / 실사수준의디지털영상콘텐츠제작기술 < 표 1> 영상기반모델링소프트웨어비교 소프트웨어 ImageModeler PhotoModeler 3D Modelette 개발사 RealViz EOS Systems ETRI 메시형태 폴리곤 곡면 (NURBs) 폴리곤, 곡면 (NURBs) * 카메라보정 편의성 부가기능 주 ) *: 현재개발중인내용임 수동영상정합 대응점기반 직각정보를이용한최적화 기본도형 ( 프리미티브 ) 지원 메시편집기능 텍스처추출기능 제한적자동메시생성기능 자동매칭기능 ( 불안정 ) 영상내그래픽모델합성 텍스처좌표편집기능 수동영상정합 대응점기반 대표적디지털카메라의내부인자제공 보정패턴을이용한오프라인내부인자보정 곡선기반 3 차원곡면생성 메시편집기능 텍스처추출기능 수동영상정합 대응점또는직사각형정보기반 디지털카메라의메타정보를이용한안정적인보정 기본도형 ( 프리미티브 ) 지원 곡선기반 3 차원곡면생성 * 메시편집기능 텍스처추출기능 나, 아직까지도영상정합과관련하여정립된방법론은없는상황이다. 반면, 카메라보정은사진측량분야에서연구가시작되어최근 10년사이에컴퓨터비전분야에서이론적기반이확립되었다. 따라서, 현재영상기반모델링분야에서상용화되어있는대부분의제품들은사용자가필요한대응점개수만큼직접영상정합을함으로써카메라보정을수행한다. 영상기반모델링분야의대표적인소프트웨어는프랑스 RealViz 사에서만든 ImageModeler[1] 와캐나다 EOS Systems 에서만든 PhotoModeler[2] 가대표적이다. 국내에서는 일리시스에서출시한 i.modeler 가있다. < 표 1> 은외국의영상기반모델링소프트웨어와 ETRI 에서개발중인영상기반모델링소프트웨어 3D Modelette 의기능을비교한것이다. 이들은기능상의큰차이점은없고, 사용자인터페이스와지원하는부가기능의차이가있다. 이는관련기반이론의한계에기인한것으로, 상용제품에서는이를수작업을위한사용자인터페이스로대체하고있다. ImageModeler 는다양한사용자인터페이스와부가기능이돋보이며, PhotoModeler 는카메라내부인자의오프라인보정을통해정확성을높였다. 영상기반모델링기술은다양한영상콘텐츠에적용되고있다. 특히, 실제촬영으로는연출하기힘 ( 그림 2) 영상기반모델링활용사례 ( 영화매트릭스 I( 상 ), III( 하 )) 든카메라의움직임이있는장면에서는영상기반모델링기술로제작한디지털촬영세트가효과적이다. ( 그림 2) 는영상기반모델링기술을사용한영화매트릭스의한장면이다. 3. 향후과제 ETRI 에서개발중인 3D Modelette 은폴리곤메시생성및기본도형지원, 편집기능, 텍스처추출등영상기반모델링소프트웨어의기본적인기능을 5
4 두루갖추고있을뿐만아니라, 촬영조건에따라선택적으로사용할수있도록대응점에기반한카메라보정방법외에, 영상내직사각형정보를이용하는방법을지원한다. 직사각형제약조건을이용한카메라보정방법은영상정합을위해사용자가입력하여야할대응점의개수를줄였을뿐만아니라, 촬영한영상들의줌 (zoom) 이일정해야하는제약없이카메라보정이가능한장점이있다. 또한, 3D Modelette 에서는디지털카메라로촬영한영상에서제공하는메타정보를활용함으로써언제나안정적인보정결과를얻을수있는장점이있다. 기존제품과의차별성확보를위해자동영상정합방법을개발할예정이다. 직사각형제약조건외에카메라보정결과를안정화할수있는다른제약조건을발굴하여, 특정조건에서는더정확한결과를얻을수있도록하거나대응점자동매칭을통해사용자의입력을대폭줄이는것도방법이다. 의깊이정보를이용하여입체감을높힌계층적깊이이미지 (LDI) 방법에샘플링속도를향상시키기위한 LDI tree 기법까지제시되어왔다. Light field 혹은 lumigraph는그지점의모든방향내광휘 (radiance) 를미리계산하고, 저장할수있다는것을전제로한다. 이러한특성을획득하거나출력하는하드웨어시스템개발로효율성을높이려는연구가계획되어오고있다. IBL 기술은주로조명집적구 (light probe) 를이용하여조명데이터를수집하며, HDRI 로데이터를만들어영상생성의조명정보로써활용하여실사영상과합성을용이하게한다 [3]. 그리고, 최근에는 HDRI 를표현할수있는하드웨어시스템에대한연구도진행되고있다. ( 그림 3) 은조명집적구의한예와이를얻기위한실제촬영장면이다. Ⅲ. 영상기반렌더링 IBR 기술은영상들을이용하여빠르게고품질의새로운영상을생성하는기술로서, 영상으로부터광원정보를이용하여렌더링하는경우는특별히영상기반라이팅 (IBL) 기술이라고한다. 그리고, 물체색을좌우하는반사특성정보를이용하는양방향반사율분포함수 (BRDF) 와표면특성을나타내는양방향텍스처함수 (BTF) 를이용해렌더링하는것도영상을이용하므로넓은범주에서함께다룬다. 1. 기술동향 IBR 기술은기본적으로이미지재사용을통해고품질의새로운이미지를빠르게생성함을목적으로한다. 단순한이미지변형을이용한시점보간 (view interpolation) 이나이미지변형 (image warping) 을기본으로해서, 시점과이미지영역을나눠 4차원함수로정의하여기하학적모델없이렌더링할수있는 light field 나 lumigraph 방법과, 영상내픽셀 (a) 조명집적구 (b) 조명집적구촬영장면 ( 그림 3) 조명집적구를위한촬영 BRDF 는수학적모델로제시되어많이이용되어왔다. 최근에는이러한수학적모델보다는실제물체를측정하거나촬영된영상으로부터관련정보를추출하는기술로발전하고있다. BRDF 개념을확장한 SBRDF 는물체각지점의특성이조금씩다른 BRDF 특성을갖는다. 특징을표현하기위해공간적인영역과진출입하는광휘영역을고려하여정의된다. 그리고, 영상으로부터광원 (light) 과뷰 (view) 부분으로요소화 (factorization) 하여효율적으로렌더링하는연구도계속발전하고있다. 텍스처기술과결합하여, BRDF 로물체표면의근사적인반사특성을표현하고, BTF 를이용하여물체의세부적인변화를렌더링하는방법도제시되었다. BTF 기술을향상시켜자체그림자 (self shadow- 6
5 정일권외 / 실사수준의디지털영상콘텐츠제작기술 ing), 내부반사 (interreflection) 처리가가능한 TensorTexture 기술도최근소개되었다. 색표현모델 (color appearance model) 연구는디스플레이장치에의해표현된색과주변환경변화에따른색을인지하는특성에대한상관관계를수학적규칙으로모델링하는것으로, 실제인간의색인지특성을알기위해기본적인실험데이터를근거로관련연구가최근활발히진행되고있다 [4]. 2. 개발기술실사수준의영상콘텐츠를제작하기위해필요한사실적인영상생성을위한 HDRI, BRDF, 색표현모델생성관련기술에대한신기술연구개발및콘텐츠적용에대한연구를병행하였다. IBL 기술중하나인 HDRI 기술은영상에서광원정보를추출해사실적인렌더링을할목적으로개발되었다. 조명집적구를이용하여실제환경의광원정보를수집하고이를빠르고효과적으로처리하는기술을개발하였다. 구체적으로는영상으로부터의 Spherical Harmonic 을이용한조명모델링기술, 실측된 BRDF 데이터를활용한영상기반조명기술, 복잡한 Light Transport 표현기술등을개발하였고, 실사조명정보를활용한셰이더를개발하여콘텐츠에적용할수있도록하였다. ( 그림 4) 는개발된기술로실사조명정보를획득하여주전자 (utah teapot) 를렌더링한효과를보여주고있다. BRDF 기술은물체의정확한반사정보획득을통해사실적렌더링을하기위해개발되었다. 세부개발내용은난반사체실내인공물의 BRDF 데이터를획득할수있는측정기구, BRDF 데이터를사실적으로표현하기위한셰이더, 옷감의난반사속성을분리해처리하는고품질질감표현셰이더를개발하여콘텐츠에적용하였다. ( 그림 5) 는영상에서 BRDF 를추출하기위해필요한영역설정을처리하고있다. 색표현모델기술은렌더링결과를인간적인색인지특성에맞춰색감을바꾸거나렌더링때부터고려하여보다인간친화적으로고품질렌더링을하기위해연구되고있다. 현재까지세부연구내용은렌더링된영상의사실감을평가하기위한관찰자실험환경구축및실험방법개발, 렌더링된정지영상에대하여인간시각특성을반영하여사실감정도를수치화하는사실감예측모델개발등이다. ( 그림 6) 은 ( 그림 5) 영상으로부터 BRDF 추출 ( 그림 4) 실사조명정보를이용한렌더링 ( 그림 6) 영상사실감실험 7
6 두개의유사영상에대한인간시각특성을테스트하기위한영상사실감실험에활용된프로그램이다. 개발된 IBR 관련기술들은기존기술에비해다음과같은우수성을갖는다. 실사조명정보와실측에의한 BRDF 데이터를동시에사용함으로써고품질영상생성 카메라의다분광민감도 (spectral sensitivity) 추정모듈개발을통해보다사실적인물체표현 통계적방법에의한영상사실감의과학적평가현재는, 디지털액터를효과적으로표현하기위한렌더링기술개발에역점을두어연구하고있다. Ⅳ. 디지털액터표현 1. 얼굴표현 디지털액터제작중가장많은시간과기술이필요한분야는디지털액터표현, 그중에서도디지털액터의얼굴표현이라할수있다. 그만큼사실적인표현이요구되기때문이다. 얼굴표현은크게모델링, 렌더링, 애니메이션으로구분된다. 디지털액터얼굴모델링은 3차원얼굴스캐너를이용하여정교한 3차원포인트크라우드를얻고이로부터 3차원폴리곤모델을추출하여실제수작업을크게줄일수있다. 3차원스캐너로해결되지않는부분인머리카락과눈썹등의디테일은수작업을통해제작을한다. 디지털액터얼굴렌더링에서가장핵심적인부분은얼굴의피부표현에관한부분인데이는앞에서설명한영상기반렌더링기술을이용한다. 디지털액터얼굴애니메이션의방법은여러가지가있을수있으나본논문에서제시하는방법은해부학적얼굴근육시뮬레이션을통한얼굴표현재현과이를상용모션캡처시스템을이용하여제어하는것이다. 해부학적얼굴근육시뮬레이션방법이다른얼굴시뮬레이션방법에대해갖는장점은다음과같다. 얼굴폴리곤버텍스를직접제어하는여타방법에비해얼굴표현을얻는데대상의데이터량이적음 얼굴근육을움직여얼굴표정을생성하는방법이므로얼굴근육의개수만큼의조절을통해직관적인얼굴표정생성가능 실제얼굴표정을만들어내는해부학적메커니즘을재현함으로써해부학적모듈설계와이에따른모듈변경용이 ( 특히피부의토폴로지구성과얼굴근육의움직임에따른피부변화측면에서 ) 상용모션캡처시스템과의연동용이기존의방법들 [5],[6] 과본방법의차이는근육에서피부로전달되는힘벡터를체적유지근육에대한사용자의조작을통해생성하고얼굴피부토폴로지에전달하여얼굴표정을생성한다는것이다. 사용자가 UI를통해서 3차원폴리곤형태의이완된상태의근육을생성하면이를체적을유지하며수축이완이될수있게한다. 기본적으로 augmented Lagrangian method에기반하여체적의변화를 0으로하며래티스버텍스의움직임을최소화하는움직임을근사화하는방법이다. 이러한체적유지근육을통한수축과이완을통해각버텍스들의움직임을종합하면근육의부분에서어떠한힘벡터가생성되는지알수있다. 피부토폴로지와근육과의연관관계를통해어떤버텍스들을묶어종합하여하나의힘벡터로간주하는지자동으로계산되어지며, 이는피부두께맵을통해사용자가직접제어할수도있다. 체적유지근육의조작은 Maya 의 FFD 래티스를개량하는형태로구현하여사용자가쉽게사용할수있다 (( 그림 7) 참조 ). ( 그림 7) 얼굴근육을위한체적유지래티스디포머 8
7 정일권외 / 실사수준의디지털영상콘텐츠제작기술 피부토폴로지는기본적으로매스스프링댐퍼 (MSD) 시스템을사용하였다. 얼굴피부밑에는얼굴근육과해골이위치하는데해골은피부가움직이지말아야할조건을제공하며이해골의곡률과유사하게얼굴표정이변형되도록한다. 그리고얼굴피부와해골사이에근육이배치가되는데피부의잘못된변형을막기위해 Kahler[5] 가제안한방법을병행하여사용하였다. 그러나그의방법은피부의잘못된변형을제어하는데는기여를하나피부의비선형적움직임을제어하는데는약점을가지는데개발된방법에서는피부두께맵을이용하여피부격자사이를분할하여그분할된지역에새로운매스스프링을배치하여이를조절하는방법으로개선하였다. 그리고근육의움직임으로부터보다정확하게얼굴피부로힘을전달하기위해피부와근육의매스스프링접점을주위로인접한힘벡터들의평균합을통해보다정확하고빠른연산이가능하도록하였다. 해부학적인얼굴근육의움직임은사전에피부토폴로지가정의되어있다면실제근육을배치한것과같은효과의힘벡터의집합을사전에취득가능하므로이러한힘벡터의집합만으로도매스스프링으로이루어진얼굴피부를제어할수있다는장점을가진다. Skin Layer Muscle Layer Bone Layer Top View : Skin Node Skin Thickness MAP (a) 실사영상 (b) 디지털액터 ( 그림 9) 실사영상과디지털액터의비교 ( 그림 8) 시스템은각얼굴근육의수축과이완을 0과 1사이에서제어하는단순한 UI만을통해서도다양하며사실적인얼굴표정을재현할수있다. ( 그림 9) 에서보듯이실사촬영된사진과비교해서큰손색이없는얼굴표정을얻을수있었다. 2. 옷감및헤어시뮬레이션완전한인간모습을표현하기위해서는머리카락과옷감은빼놓을수없는부분이다. 가. 옷감시뮬레이션옷감시뮬레이션에서중요한것은신체의일부가옷과항상부딪히므로이에대한빠르고효과적인충돌처리를해야하며자연스러운옷의움직임이되도록균일한메시를생성하는것이다. 또한옷감의재질에따라움직이는모습이달라지므로이를고려하여시뮬레이션해야한다. 개발된옷감시뮬레이션은이러한문제들을해결함으로써빠르고안정적인결과를얻을수있었다 [7]. Side View Muscle Layer ( 그림 8) 얼굴피부를위한매스스프링시스템 ( 그림 10) 옷감및헤어시뮬레이션 9
8 특히끈 (string) 시뮬레이션인경우 2차원적인특성을고려해야하나기존의방법에서는이를잘표현하지못하고있다. 끈시뮬레이션은다양한액세서리를시뮬레이션할수있도록함으로써애니메이션전체의사실감을더욱높여준다 (( 그림 10) 참조 ). 나. 헤어시뮬레이션헤어시뮬레이션에서의최근기술은다양한헤어스타일을만들수있는지에초점이맞추어지고있다. 그뿐만아니라머리나어깨등의신체부위와의충돌, 바람에의한영향등을고려해야한다. 또한머리카락을표현하기위해서는최종적으로렌더링과정을거쳐야하는데기존의기술에서는매우복잡한광학시뮬레이션과정을거치므로속도가느리며콘텐츠에적용하기힘들다는단점이있다. 개발된헤어시뮬레이션기술은다양한헤어스타일을구성할수있으며머리카락의특성에맞는셰이더개발을통해비교적빠른이미지를출력할수있다. 3. 신체디포메이션자연스러운인체표현과편리한캐릭터셋업을위한해부학기반신체디포메이션기술을개발하였다. 해부학기반디포메이션은뼈에의한영향만고려되던기존의스키닝방법과달리뼈에연결된근육과지방이뼈의움직임에따라자동변형되고, 최종적으로근육과지방의움직임에따라이에연결된피부가자동으로디포메이션되는방법이다. 실제사람처럼근육과지방이해부학기반으로자동변형되고이를기반으로피부가디포메이션됨으로써 morphing 과수작업에의한기존방법에비해자연스러운인체표현이가능하다. 또한, 근육과지방을자동으로피부에연결하도록개발함으로써버텍스가중치조절이필요했던기존방법보다캐릭터셋업이훨씬편리해졌다. 개발내용은사용자가원하는뼈대구조와근육을 UI 조작으로생성하는해부학기반의캐릭터셋업도구와자동으로생성된뼈와근육에피부가연 Bone & Muscle Create Muscle Editing & Control Muscle Deformation Real-time Deformation Skin Deformation ( 그림 11) 신체디포메이션기능흐름도 ( 그림 12) 해부학기반신체디포메이션적용과정결되어자연스러운디포메이션을자동으로생성하는도구두부분으로이루어져있다. ( 그림 11) 은기능흐름도이고 ( 그림 12) 는실제적용과정을보여주고있다. 4. 비정형물체퍼포먼스캡처비정형물체의퍼포먼스캡처기술은모션캡처장비에의해획득된특정퍼포먼스를비정형 3차원물체에서재현하는것이다. 인간의얼굴표정은해부학적관점에서 1) 목골격의움직임에의한얼굴전체모션 ( 헤드모션 ), 2) 하악골 ( 아래턱 ) 의움직임에의한모션 ( 턱모션 ), 3) 얼굴근육에의한피부변화 ( 스킨모션 ) 가혼합되어표현된다. 개발기술은 1) 모션캡처데이터를헤드모션과턱모션, 스킨모션으로분해하고, 2) 각모션을해당되는제어구조 ( 목골격, 하악골, 얼굴근육 ) 의파라미터변화로변환하고, 3) 모션캡처와동시에획득한음성을분석해서발음관련입술및구강구조움직임을정교화한다. 10
9 정일권외 / 실사수준의디지털영상콘텐츠제작기술 특히본기술중핵심적인세부기술은 1) 모션캡처데이터를턱모션과스킨모션으로분리하는기술, 2) 스킨모션으로부터근육제어파라미터를추출하는기술, 3) 입술및구강구조제어를위해음성을음운학적으로분석하는기술이다. 근육제어파라미터추출기술은얼굴표면영역을계층적으로구조화하여얼굴피부의움직임을전체에서세부영역으로분석하며최적의근육파라미터값을점진적으로개선한다. 음운학기반음성분석기술은음성기록데이터와대사텍스트를이용하여음소 / 음절별발음시간 / 강도를추출하고, 한글음운학의발음법칙에근거한수학적조음모델에의해입술및혀애니메이션을생성한다. ( 그림 13) 은퍼포먼스캡처를위한마커세팅을, ( 그림 14) 는퍼포먼스캡처된결과예를보이고있다. 영향을받는다. 발이땅을파고들지않아야하며, 계단이나언덕과같은지형이나오면그에해당하는동작을해야한다. 또한다른캐릭터와적절히작용해야한다. 이렇게주변의환경에대해반응하는것을상호작용이라부른다. 디지털액터의동작을생성하는방법은크게 3가지로분류할수있다. 첫번째는키프레임애니메이션방식으로애니메이터의수작업으로동작을만드는것이다. 두번째는모션캡처를이용하는방법으로매우자연스럽다는장점이있다. 세번째로는물리기반동작제어방식인데일련의물리법칙혹은경험적법칙들을프로그래밍하여동작을생성하는방법이다. 특히쿼터니언을이용한동작보간방법이제시된후로는모션블렌딩기법, 모션연결기법, 동역학시뮬레이션결과와모션캡처데이터혼합기법과같은다양한방법들을통해동작을생성하고변형하는연구가활발히진행되고있다. 2. 동작생성및변형기술 ( 그림 13) 얼굴모션캡처용마커세팅 ( 그림 14) 퍼포먼스캡처예 Ⅴ. 디지털액터상호작용 1. 개요 디지털액터는독립적이지않고주변환경에많은 모션캡처데이터를이용하여캐릭터동작을제어하는기술은꾸준히발전되어왔으며단순히한동작편집이아닌여러데이터들을이용하여새로운동작을만드는기술이개발되고있다. 모션캡처기반동작변형기술은자동으로적절한동작을찾아연결함으로써새로운긴모션을생성할수있으며모션데이터를재사용할수있다는장점이있다. 다른연구로는행동양식을기반으로하여자동으로움직이는가상환경을구축하는부분이있다. 이러한연구는동작데이터자체보다는상위레벨인인간의감정이나행동성향을기반으로스스로동작을선택하는방식을제시하고있다 [8]. 본논문에서제시하는방법은위에서언급한두가지방법을혼합한것으로주변환경을인식하여스스로동작을선택할뿐만아니라환경에따라동작을변형하는기법이라고할수있다. 주변환경인식을위해환경은영역맵기반으로 11
10 ( 그림 15) 동작변형결과구성되며 key posture 기반으로유사도를측정하여적절한동작집합을찾게된다. 또한, 동작변형을위해 multi-layer 기반블렌딩기법을개발하였다. ( 그림 15) 는개발된동작변형기술을사용하여단순걷기동작을징검다리건너기와계단오르기로변형한결과이다. 3. 군중시뮬레이션기술최근게임, 영화에서대규모군중장면을쉽게볼수있다. 특히 반지의제왕, 트로이, 태극기휘날리며 등에서는군중장면으로인해스펙터클한장면을연출할수있었다. 군중은주인공에비해비중은작지만전체적인콘텐츠의품질에영향을주며전체적인흐름뿐만아니라각객체들의동작및상호작용또한중요한요소이다. 기존의방법은파티클이나간단한오브젝트를이용하여시뮬레이션을한후반복되는동작을갖는몇개의캐릭터들을이용해무작위로대치하는방법을사용하고있다. 그러나이러한방법은복잡한환경에적용하기는부적합하다. 최근영화에사용되고있는 Massive, Endorphin, Behavior 와같은상용소프트웨어는성능이우수하지만복잡하고프로그래밍기반이어서애니메이터가배우기어려운단점이있다. 본논문에서개발된군중시뮬레이션도구는사용자가입력할수있는 UI 부분, 군중생성및배치부분, 시뮬레이션적용부분, 동작적용및변형부분으로구성되어있다. UI 부분은상용소프트웨어인 Maya 에서제공하는스크립트기반으로구성되어있으며 UI를통해군중의속성을지정할수있다. 군중속성에따라 다양한형태의군중장면이나타날수있다. 입력된값에따라군중을생성하고배치하게되면시뮬레이션이시작된다. 군중은각각의캐릭터들이모여이루어진것이므로각캐릭터마다개인의동작을적용하면군중의움직임이될수있다. 개별적인동작을생성하기위해서각캐릭터마다두뇌 (brain) 와센서 (sensor) 를연결하였다. 센서에서는자신의주변에있는캐릭터나장애물들을인식하게된다. 인식된정보를두뇌에전달하면지형정보와함께판단하여이동해야할위치및속도를계산하고어떠한동작을해야할지선택하게된다. 만일서로부딪히거나공격당했을때쓰러지는동작이필요한경우에는물리기반시뮬레이션을이용하여동작을생성함으로써더욱자연스러운결과를얻을수있었다. 쓰러지는동작이아닌경우에는앞에서선택된동작을위해, 동작적용및변형부분에서실제로모션캡처데이터를가공하여적용하게된다. 두뇌에의해결정된속도에해당하는동작이없을수있으므로기존데이터를이용하여적절한동작을생성하는것이요구되며, 언덕의기울기나계단의높이등지형정보에따라적절한동작으로변형하는것이필요하다. 사용되는캐릭터는 23개의관절을가지고있는데메모리사용을줄이기위해모션캡처데이터를씀에도불구하고키프레임을정의해사용하였다. 모션 LOD 기법은가상카메라와캐릭터사이의거리를기준으로멀리있는캐릭터에는원본동작으로복원이가능할정도의최소한의키값만넣어주는방법으로메모리사용량을줄임과동시에속도의향상을얻을수있었다. 기존에는물고기나새와같은사물을 boid 라는하나의객체로보고시뮬레이션하였으나다관절을갖는객체에는적용할수없었다. 본논문에서제시한방법은인간형캐릭터에만국한되지않으며물고기떼와같은장면에도적용할수있다. 물리기반시뮬레이션엔진을이용하여다관절체로모델링된물고기가그물안에서상호작용하며움직이는모습 12
11 정일권외 / 실사수준의디지털영상콘텐츠제작기술 ( 그림 16) 군중장면및물고기군집장면을생성할수있었다 (( 그림 16) 참조 ). Ⅵ. CG/ 실사합성 1. 배경 최근영화제작에서는 CG 기술이흥행성공여부를결정짓는역할을많이한다. 스타워즈에피소드, 매트릭스, 해리포터, 반지의제왕 등과같이대부분의헐리우드영화에서는스펙터클한장면과지금까지는상상으로만그쳤던장면들이 CG 기술을통해많이연출되었다. 특히, 1954~1955년에옥스포드대학의 J.R.R. 톨킨교수에의해만들어지고전세계적으로 1억 6천만부가팔린 소설반지의제왕 이 CG 기술이발달한현재에와서야영화화되었는데 CG/ 실사합성기술의발전이있었기때문이다. 2. 기술동향및콘텐츠적용사례 CG/ 실사합성기술이란카메라로촬영한실사영상과컴퓨터로제작한 CG 영상을합성하여결과영상을만들어내는기술이다. Blue screen 을이용한아날로그방식의크로마킹기법을통한영상합성이전통적으로사용되고있으나, 최근에는영화, 방송등의모든매체가디지털화됨에따라자동적인영상합성기술이개발되고있거나일부가상용화되고있다. 특수효과의경우대부분미니어처제작및촬영을통해영상합성으로영상물이제작되었으나최근에는 CG 모델링을통해실제와같은다양한특수효과가만들어지고있으며이에대한특수효과플러 그인소프트웨어기술이활발히개발되고있다. 특수효과기반의영상변형기술은 미이라, 슈렉, 스파이더맨 등에적용되었으며, 물리기반특수효과제작기술의경우 매트릭스, 미이라, 스타워즈에피소드, 반지의제왕 에적용되었다. 카메라위치정보추출에의한실사와그래픽영상의합성기술의경우 해리포터, 반지의제왕 등에광범위하게사용되었다. 최근에는영국 Bristol 대학및미국 RIT 대를중심으로컬러어피어런스기술을이용하여영상합성의품질을높이고자하는연구가수행되고있다. 현재까지의카메라트래킹기술 [9],[10] 은적용가능영상시퀀스의종류에제약이있다. 또한, 일반적인배경에 CG로만든객체를정합시킬때에는디자이너의수작업으로배경기하를추출하는기법이많이활용되고있으며, 많은시간이소요되므로이에대한자동화연구가필요한실정이다. 그리고, Mokey, Combustion 등의소프트웨어를통해움직이는물체를자동삭제하고해당부분의배경을복원하는기법이많이활용되고있으나, 전봇대등과같이움직이지않는물체를삭제하고배경을복원하는기술이없기때문에많은수작업을통해결과영상을만들어내고있다. 3. 개발기술가. 카메라트래킹기술비디오카메라로촬영한영상시퀀스를이용해서카메라정보를자동으로추출하는기술이다. 이기술은비디오를촬영할때사용한카메라의내부특성과카메라가움직인경로를자동으로추출하는기술로최근영화에서볼수있는 CG 영상과실사영상이합성된영상을만드는데필수적인기술이다. ( 그림 17) 은영상시퀀스에서코너에해당되는특이점을검출하고이들을추적한결과를나타낸다. ( 그림 17) 에서노란색으로이어진점들의추적결과를분석하여영상정합을수행하게되면매프레임에서의카메라위치, 자세, 초점거리를자동으 13
12 (a) 특이점검출결과 로추출할수있다. 본논문에서는키프레임과 trifocal tensor 에의한카메라모션복원기법을개발하였으며, 추출된카메라정보는 Maya 데이터포맷으로저장되어 CG/ 실사합성에편리하게이용될수있도록하였다. 나. 배경기하정보추출기술 (b) 특이점추적결과 ( 그림 17) 카메라모션작동트래킹을위한영상시퀀스분석 기존에수작업으로배경기하정보를추출하던과정을자동화할수있도록하였다. 카메라트래킹이끝나면특이점들의 3차원좌표를부산물로얻을수있다. 또한, 사용자가원하는점의 3차원위치도스테레오정합기법을이용하여용이하게얻을수있다. 이들점들을이용하여자동으로삼각화 (triangulation) 할수있는기법을개발하고이를 Maya 플러그인소프트웨어로구현하였다. ( 그림 18) 에서보듯이노란색으로표시된 3차원점들은카메라트래킹과정을거치면자동으로검출된다. Regression 기법으로각점들로부터가장가까운평면을하나구한후, 각점들을평면에투영 (projection) 시키고, 이평면에존재하는점들로 Delaunay 삼각화를시행한다. 그리고, 평면위점들을다시원래의 3차원좌표로복원하고, 삼각형을형성하는 3점들을단위로하는삼각형리스트를구하면된다. 그러면그림에서보듯이배경기하구조를반영하는연결된삼각형들이형성되게된다. 이러한리스트중에서사용자가원하는부분을선택하면그림에서보는바와같이돌담길에대한 3차원기하구조를얻을수있다. 따라서, 사용자가원하는임의의배경에 CG 객체등을매우용이하게합성할수있게된다. 다. 정적물체삭제및배경복원기술 본연구에서는 ( 그림 19) 와같은과정으로정적물체를삭제하고가려졌던배경을복원할수있는기술을개발하였다. 물체에의해가려진배경을관측할수있는타시점의영상을카메라 3차원정보를이용하여배경복원하고자하는시점의영상으로만들고, 3차원적인변형에의한영상의열화현상을영상 interpolation 기법으로해상도보정한후, 삭제시키고자하는영역에삽입함으로써정적물체를자동삭제하고배경을복원하는결과를얻도록하였다. 그에대한결과는 ( 그림 20) 과같다. 2D 영상열 삭제대상물체지정 면들의깊이계산 3 차원기하정보카메라위치 & 자세 Projection Matrix 생성 해상도보정을위한 Interpolation 시점변환된영상생성 (a) Maya 플러그인 S/W 로구현된자동삼각화기법적용을통한배경기하추출결과 (b) 길부분선택을통한 3 차원길구조추출결과 가려진영역복구 ( 영상레지스터리 ) 배경복원된영상 ( 그림 18) 영상합성을위한배경기하자동추출예 ( 그림 19) 정적물체삭제및배경복원기법순서도 14
13 정일권외 / 실사수준의디지털영상콘텐츠제작기술 약어정리 (a) 삭제대상영역이마킹된영상 BRDF Bidirectional Reflectance Distribution Function BTF Bidirectional Texture Function CG Computer Graphics HDRI High Dynamic Range Image IBL Image-Based Lighting IBR Image-Based Rendering LDI Layered Depth Image LOD Level of Detail MSD Mass-Spring-Damper NURBs Non-Uniform Rational B-spline SBRDF Spatial BRDF UI User Interface (b) 대상영역삭제및배경복원결과 ( 그림 20) 정적물체일부분삭제및배경자동복원그림에서보는바와같이, 가려진영역을관측할수있는타시점영상을 3차원적변형과해상도보정을통해삽입함으로써해당영역을삭제하고배경복원된결과를얻을수있음을확인할수있다. Ⅶ. 결론 최근의영상콘텐츠에서 CG 기술의중요성은날이갈수록커지고있다. 소수의메이저제작사가인하우스소프트웨어형태로기술을독점하고있어첨단 CG 기술의독자개발이불가피한상황이다. 본논문에서는실사수준의디지털영상콘텐츠제작을위한영상기반모델링기술, 영상기반렌더링기술, 디지털액터얼굴, 옷감, 머리카락, 신체표현기술, 디지털액터상호작용기술, CG/ 실사합성기술개발내용과최신기술동향을소개하였다. 실제배우와유사한수준의엑스트라급디지털액터제작도구와디지털환경제작도구를개발하였다. 최종적으로는실제배우대신사용가능한수준의주연급디지털액터및디지털환경제작도구를개발할예정이다. 참고문헌 [1] ImageModeler, index.php [2] PhotoModeler, [3] [4] Charles Poynton, Color Science and Color Appearance Models for CG, HDTV, and D-cinema, SIGGRAPH 2004, Course Note, [5] K. Kahler, J. Haber, and H. Seidel, Geometrybased Muscle Modeling for Facial Animation, In Proc. Graphics Interface 2001, pp [6] Y. Zhang, E.C. Prakash, and E. Sung, A New Physical Model with Multilayer Architecture for Facial Expression Animation Using Dynamic Adaptive Mesh, IEEE Transaction on Visualization and Computer Graphics, Vol.10, No.3, May/June [7] Kwang-Jin Choi and Hyeong-Seok Ko, Extending the Immediate Buckling Model to Triangular Meshes for Simulating Complex Clothes, Eurographics 2003, Granada, Spain, Sep [8] D. Thalmman, S.R. Muss, and F. Garat, Guiding and Interacting with Virtual Crowds, In Proc. of EUROGRAPHICS Workshop on Animation and Simulation, 1999, pp [9] R. Hartley and A. Zisserman, Multiple View Geometry in Computer Vision, Cambridge University Press, [10] Peter Sand and Seth Teller, Video Matching, ACM Transactions on Graphics, Vol.22, No.3, July 2004, pp
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