본 논문에서는 영화 '7광구'에서 사용된 유체 시뮬레이션 적용 사례를 분석하고 구현된 기법들을 소개한다. 영화에 적용된 장면 중 상세한 유체 움직임을 표현하기 위하여 대형 수조에서 물이 터지면서 나오는 장면은 물의 미세한 움직임을 표현하기 위해 smoothed particle hydrodynamics(SPH) 기법을 사용하였고, 잠수정 유리를 깨고 바닷물이 쏟아지는 장면에서는 파티클과 레벨셋의 혼합 시뮬레이션 기술을 적용하였다. 영화의 주요 캐릭터인 괴물이 불타는 장면을 실감나게 연출하기 위해 높은 정교함을 보여주는 detonation shock dynamics(DSD) 화염 시뮬레이션 기법을 사용하였으며, 이때 높은 와동력을 가하더라도 유체의 비압축성을 유지하기 위해 무발산 와동 입자기법을 적용하였다. 또한, 효율적인 영상제작을 위해 업샘플링 기법을 사용하였다. 결과적으로 고품질의 영상을 국내 기술로 제작할 수 있었다.
본 논문에서는 영화 '7광구'에서 사용된 유체 시뮬레이션 적용 사례를 분석하고 구현된 기법들을 소개한다. 영화에 적용된 장면 중 상세한 유체 움직임을 표현하기 위하여 대형 수조에서 물이 터지면서 나오는 장면은 물의 미세한 움직임을 표현하기 위해 smoothed particle hydrodynamics(SPH) 기법을 사용하였고, 잠수정 유리를 깨고 바닷물이 쏟아지는 장면에서는 파티클과 레벨셋의 혼합 시뮬레이션 기술을 적용하였다. 영화의 주요 캐릭터인 괴물이 불타는 장면을 실감나게 연출하기 위해 높은 정교함을 보여주는 detonation shock dynamics(DSD) 화염 시뮬레이션 기법을 사용하였으며, 이때 높은 와동력을 가하더라도 유체의 비압축성을 유지하기 위해 무발산 와동 입자기법을 적용하였다. 또한, 효율적인 영상제작을 위해 업샘플링 기법을 사용하였다. 결과적으로 고품질의 영상을 국내 기술로 제작할 수 있었다.
In this paper, we describe a case study of the film 'Sector 7' which was produced by technologies applied fluid simulation. For the CG scenes in the movie which include highly detailed fluid motions, we used smoothed particle hydrodynamics(SPH) technique to express subtle movements of seawater from ...
In this paper, we describe a case study of the film 'Sector 7' which was produced by technologies applied fluid simulation. For the CG scenes in the movie which include highly detailed fluid motions, we used smoothed particle hydrodynamics(SPH) technique to express subtle movements of seawater from a crashed huge tank, and used hybrid simulation method of particles and levelsets to describe bursting water from a submarine's broken canopy. We also used detonation shock dynamics(DSD) technique for detailed flame simulations to produce a burning monster, the film"s main character. At this point, the divergence-free vortex particle method was applied to conserve the incompressible property of fluids. In addition, we used an upsampling method to achieve more efficient video production. Consequently, we could produce the high-quality visual effects by using the domestic technologies.
In this paper, we describe a case study of the film 'Sector 7' which was produced by technologies applied fluid simulation. For the CG scenes in the movie which include highly detailed fluid motions, we used smoothed particle hydrodynamics(SPH) technique to express subtle movements of seawater from a crashed huge tank, and used hybrid simulation method of particles and levelsets to describe bursting water from a submarine's broken canopy. We also used detonation shock dynamics(DSD) technique for detailed flame simulations to produce a burning monster, the film"s main character. At this point, the divergence-free vortex particle method was applied to conserve the incompressible property of fluids. In addition, we used an upsampling method to achieve more efficient video production. Consequently, we could produce the high-quality visual effects by using the domestic technologies.
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제안 방법
기존 영화제작 파이프라인에 시뮬레이션 엔진을 적용하는 과정은 단순히 기존 상용 프로그램과의 파일 포맷을 맞추는 것 외에 전체적인 작업 방식에도 변화가 필요했으며, 효율적인 작업을 위해 시뮬레이션 엔진으로 생성한 데이터를 별도의 변환과정 없이 상용 프로그램의 플러그인으로 제작하여 작업을 진행하였다.
본 논문은 다음 절에서 국내와 해외 영화에 사용된 특수효과 제작 사례 및 유체 시뮬레이션 관련연구를 소개하고, 3절에서 시뮬레이션 기법들을 설명한 후, 영화 '7광구'에 사용된 유체 시뮬레이션 작업과정을 4절에서 소개한다. 5절과 6절에서 각각 시뮬레이션 환경과 결과를 설명하고, 마지막으로 7절에서 시뮬레이션 결과에 대한 분석으로 결론을 맺는다.
본 절에서는 근래 해외와 국내에서 제작된 영화에 사용된 VFX 제작 사례를 살펴본 후, 영화에 사용되는 유체 시뮬레이션 기법 관련 연구를 액체와 화염 시뮬레이션으로 각각 나누어 설명한다.
시뮬레이션 엔진을 이용하여 총 일곱 가지 장면을 연출하였으皿 그 중 화염 시뮬레이션은 다섯 장면, 물 시뮬레이션에 두 장면에 각각 적용하였다.
실험은 동일 사양의 컴퓨터 시스템을 일반적인 네트워크 환경일 경우와 인피니밴드(InfiniBand) 네트워크 기반일 경우로 분리해서 진행하였다. 시스템 사양은 다음과 같다:
[그림 22]에서는 SPH 파티클 기법만으로 대형 수조에서 괴물이 나오는 장면을 제작하였으며, [그림 23]에서는 SPH 파티클과 레벨셋 기법을 혼합하여 제작하였다. 유체 시뮬레이션 결과가 물리적 현상을 정확히 재현하는 것 보다 해당 장면의 시각적 효과를 극대화 하는 것에 초점을 맞추었으며, [표 4]에 영화에 사용된 각 장면의 해상도, 시스템의 코어 개수 및 수행 시간과 프레임당 실행 시간을 비교하여 나타내었다.
'국가대표'는 높은 수준의 합성기술로 결과물을 완성하였다. 이 영화의 주요 장면은 각각 다른 계절 및 다른 장소에서 실제 스키선수의 활강하는 장면을 촬영한 후, 슈퍼컴퓨터를 사용해 배우의 얼굴과 계절을 합성하는 방식으로 결과 영상을 재현했다[13]. 렌더링 과정은 KISTI[14]가 자체 설계, 구축 및 운영하고 있는 그래픽스 전용 슈퍼컴퓨터 피카소에서 MentalRay[15] 등을 사용하여 제작하였다[16].
해당 장면 연출에 대한 작업이 본격적으로 시작되기 전에 기존 스튜디오에서 사용하던 상용 툴과 비교 분석함으로써 엔진 적용 여부를 판단하였다. 상용 프로그램과 비교하면 불의 움직임이 사실적으로 묘사되는 것을 [그림 16]를 통해 확인 할 수 있다.
이론/모형
기술 수요가 높은 분야이다. 고품질의 화염 시뮬레이션 결과를 위해서 DSD 기법을 사용한다. DSD 기법은 화염 표면의 섬세한 패턴을 표현할 수 있는 기법으로 원시 화염 모델에서 상수로 사용되었던 화염 반응 속도(Reaction speed) 에 폭발 중격파(Detonation shock wave)의 대류를 표현하는 고차 방정식을 적용하였다[2].
바다로 둘러싸인 환경적인 요건과 주요 캐릭터인 괴물이 스스로 타는 성질을 갖고 있기에 물과 화염 등을 표현할 수 있는 유체시뮬레이션 엔진이 필수 요건이었다. 괴물이 불타는 여러 장면에서는 DSD(Detonation shock dynamics) 기법 [2] 및 무발산 와 동 입자 등이 사용된 화염 시뮬레이션이 필요하였으며, 잠수정 및 대형 수조 등이 깨지면서 쏟아지는 물의 움직임을 표현하기 위해 레벨셋 (Levelsets) 기법 [3]과 SPH(Smoothed particle hydrodynamics) 기법[4]의 혼합 시뮬레이션 기법[5]이 필요하였다. 또한 영화의 몰입도 향상을 위해 높은 해상도의 영상이 요구되기 때문에 고해상도의 시뮬레이션을 효율적으로 제작할 수 있는 업샘플링 기법을 적용하였다[6].
따라서 영화에서 사용 가능한 고해상도의 결과물을 짧은 시간에 효율적으로 얻는 방법으로 업샘플링 기법을 영화 '7광구 제작 과정에 도입하였다.
괴물이 불타는 여러 장면에서는 DSD(Detonation shock dynamics) 기법 [2] 및 무발산 와 동 입자 등이 사용된 화염 시뮬레이션이 필요하였으며, 잠수정 및 대형 수조 등이 깨지면서 쏟아지는 물의 움직임을 표현하기 위해 레벨셋 (Levelsets) 기법 [3]과 SPH(Smoothed particle hydrodynamics) 기법[4]의 혼합 시뮬레이션 기법[5]이 필요하였다. 또한 영화의 몰입도 향상을 위해 높은 해상도의 영상이 요구되기 때문에 고해상도의 시뮬레이션을 효율적으로 제작할 수 있는 업샘플링 기법을 적용하였다[6].
이 영화의 주요 장면은 각각 다른 계절 및 다른 장소에서 실제 스키선수의 활강하는 장면을 촬영한 후, 슈퍼컴퓨터를 사용해 배우의 얼굴과 계절을 합성하는 방식으로 결과 영상을 재현했다[13]. 렌더링 과정은 KISTI[14]가 자체 설계, 구축 및 운영하고 있는 그래픽스 전용 슈퍼컴퓨터 피카소에서 MentalRay[15] 등을 사용하여 제작하였다[16]. ‘디워’의 경우 기존의 상용 프로그램을 활용하여, 좋은 품질의 CG 영상을 제작한 것으로 평가되었고, 국내 흥행에 성공하였으며 해외시장 진출이라는 성과를 얻었다.
표시하고 있다. 이류 단계에서 각 고해상도 매질에 적용할 속도를 업샘플링 기법을 이용하여 생성한다. 소싱 단계에서는 소스의 대입 방법을 고해상도에 맞게 근사하고, 프로젝션 단계에서는 기본 해상도 시뮬레이션과 동일하게 적용함으로써 가장 많은 시간이 소모되는 단계를 효율적으로 계산한다.
것을 확인할 수 있다. 일반 와동 입자를 적용할 경우 비압축성 유체 시뮬레이션의 조건을 만족하지 않을 가능성이 크기 때문에 이를 방지하기 위해 무발산 와동 입자 기법을 사용하였다[6].
성능/효과
영화 '7광구'의 특수효과 장면 연출을 하면서 장면 디자이너와 기술 개발자 간의 견해 차이, 상용 프로그램과 시뮬레이션 엔진의 파일 규격 등의 시행착오가 있었지만, 유체 시뮬레이션 엔진을 사용함으로써 고품질의 결과물을 제작할 수 있었다. 그리고 이 같은 경험이 다음 작업에 큰 도움이 될 것으로 기대한다.
유체 시뮬레이션을 기존의 국내 영화제작 파이프라인에 포함시키는 과정이 쉽지 않았으며 경험 부족으로 인한 시행착오도 있었으나 성공적으로 VFX 파이프라인을 개선할 수 있었다.
국내에서도 '해운대', '디워', '괴물', '국가대표, 등과 같은 작품들이 잇달아 흥행에 성공하여, 국내 CG 기술과 영화산업의 성공적인 접목 가능성을 시사하였다. 이 영화들은 기존의 영화에 비해 CG 기술이 발전하였다는 호평을 받아 기술력이 영화 흥행에 기여하고 있음을 증명하였다. 이 같은 성공을 계기로 CG의 중요도가 높아진 영화 차기작들이 높은 기대감과 함께 제작될 수 있었다.
1차식은 상수 1개, 2차식은 2개, 3차 식은 6개의 상수를 갖고 있으며, 수식의 차수가 올라 갈수록 화염 표면의 패턴이 세밀해진다. 이 중에서 3차식을 사용하여 화염 시뮬레이션의 표면에 다공질의 패턴을 표현함으로써 고품질의 화염 시뮬레이션이 가능하였다.
이 후 시뮬레이션된 결과 파일들을 랜더팜(Render Farm)을이용하여 최종적으로 랜더링하는 작업으로 합성 이전까지의 단계를 완성한다. [그림 9]에서 보이는 바와 같이 작업자는 작업 초반에 OpenGL로 구현된 프리뷰어(Previewer)를 이용하여 품질은 낮지만 빠른 확인이 가능한 결과물 확인 작업을 반복한 후 장면에 적합하면 랜더링 단계로 넘어간다.
사용되고 있다. 특히 유체 시뮬레이션 기술의 비약적인 발전으로 과거에 표현하기 힘들었던 폭발, 액체, 화염과 같은 장면들을 저비용으로 스크린에 옮겨 놓는 것이 가능해졌다. 이러한 기술 발전으로 해외에서는 이미 몇 년 전부터 CG 기술을 앞세운 영화들이 흥행순위 상위권을 차지하고 있다.
후속연구
이 같은 결과는 인피니 밴드 기반에서는 네트워크 구성요소를 스위치 기반 네트워크로 연결 되며 이론상 20Gbps정도의 빠른 전송 속도를 보장하기 때문이다[38]. 이를 통해 효율적인 시뮬레이션을 위해서 소프트웨적인 접근 뿐 아니라 인피니밴드 기반의 시뮬레이션 팜 환경이 필요함을 확인할 수 있다.
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