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래티스 웨이트 변환을 통한 효과적인 3D 캐릭터 스킨 웨이트 솔루션 제안
Solutions for the Effective 3D Character Skin Weight by converting Lattice Weight 원문보기

만화애니메이션 연구= Cartoon and animation studies, no.44, 2016년, pp.33 - 56  

송밝음 (동서대학교 디지털콘텐츠학부) ,  이현석 (동서대학교 디지털콘텐츠학부)

초록
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게임 및 영화산업의 급속한 확장에 따라 CG(Computer Graphic)로 구현되는 3D 애니메이션 캐릭터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 삼차원으로 제작되는 캐릭터의 사실적인 움직임을 구현하기 위해서는 뼈와 폴리곤 면을 합쳐주는 리깅(Rigging) 작업과정을 거치게 된다. CG 관련 기술의 급속한 발전에 따라 리깅 작업 과정 또한 보다 정교해지고 있다. 하지만, 기술적인 발전에도 불구하고 여전히 리깅 작업 과정에서 시간적 비효율성, 단순 반복 작업 등의 한계점을 보이고 있다. 본 연구에서는 기존에 사용되는 캐릭터 리깅 방법의 문제점과 비효율성을 분석하고, 보다 효과적인 솔루션을 제안하고자 한다. 이를 위한 연구의 전개는 첫째, 리깅에 대한 일반적 작업과정과 스킨 웨이팅(Skin Weighting)에 대해 기술적 고찰을 하였다. 둘째, 기존 조인트(Joint)만 활용하여 스킨 웨이트(Skin Weight)를 하는 일반적 방법과 여기서 한 단계 발전된 방식으로 다양한 디포머(Deformer)를 활용한 웨이팅 방식을 비교 분석하였다. 셋째, 본 연구에서 제안하는 방법으로써, 디포머인 래티스(Lattice)를 활용하여 웨이팅하고 래티스를 사용한 디포머를 다시 스킨 웨이팅으로 변환하는 방법에 대해 실험연구를 진행한다. 넷째, 기존 방법과 본 연구에서 제안하는 방법에 대해 첫째, 웨이팅을 통해 형성된 지오메트리(Geometry)가 애니메이션의 순차적 움직임에 적절한 형태로 바뀌는지, 둘째, 두 개 이상의 지오메트리가 동시에 효과적으로 웨이팅이 되는지, 셋째, 효율적인 웨이팅 과정을 통한 작업시간의 단축이 이루어지는지를 중심으로 비교 분석하여, 본 연구에서 제시하는 스킨 웨이팅 방법의 효율성에 대해 검증한다. 본 연구를 통해 래티스를 활용한 스킨 웨이팅 작업 진행 결과, 웨이팅 작업과정의 핵심인 페인트 웨이트(Paint weight) 작업이 매우 효율적으로 진행되었으며, 작업시간의 단축 효과와 더불어 작업 결과물의 완성도도 매우 높음을 알 수 있었다. 본 실험연구를 통해 보다 효율적인 캐릭터 스킨 웨이트 방법이 관련 분야 전문가와 학술적 접근에 있어서 기초 자료로 활용되기를 기대한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As the rapid extension of the game and film industry, studies on developing natural movements on a 3D characters are increasing. Rigging a character with joints is essential to create realistic movements on a 3D character. The rapid development of the CG industry, rigging technologies and workflow i...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 백철호(2007)는 “3D 컴퓨터 애니메이션의 고전주의적 표현은 [Final Fantasy] [Happy Feet] 등의 영화를 통해 실사를 능가하는 그래픽 효과의 가능성”을 보여주었다고 언급하였다.1) 본 연구에서는 캐릭터에 움직임을 주는 애니메이션 단계를 위한 캐릭터 스킨 웨이트에 관한 연구로써, 기존의 방법에서 벗어나 디포머를 이용한 스킨 웨이트 방식을 제안하고 검증하고자 한다. 디포머란 사전적 의미로는 ‘변형시키다’의 뜻이지만 3D 그래픽에서의 디포머란 지오메트리를 애니메이션(동작 구현 시) 또는 모델링(형태 변형 시)을 효과적으로 조작하기 위한 보조적 장치에 해당 된다2).
  • 작업 시간 비교 분석 같은 경우는 정밀 분석 통계가 아닌 하나의 참고 사례로 진행한 것이다. 개발 툴을 사용했을 때 수작업보다 전체적으로 어느 정도나 빠르게 생성이 되는지를 추정하기 위한 것이다. <그림 12> 와 같은 캐릭터에 두 가지 스킨 웨이팅 작업을 직접 진행하였다.
  • 캐릭터 리깅 셋업을 하기 위해서는 조인트 삽입, 컨트롤러 만들기 및 기능 부여, 스키닝, 웨이팅, 디포머 및 블랜드 쉐입의 활용 등 많은 진행사항이 있다. 그중 작업 시간이 많이 필요로 하는 스킨 웨이팅을 어떻게 효과적으로 작업 진행할 수 있는지에 대한 툴 개발 연구를 해 보았다. 캐릭터에 따라 그리고 사용하려는 목적에 따라 스킨 웨이팅 하는 방법도 달라진다.
  • 본 실험은 기존 작업과 래티스를 이용한 웨이팅 변환의 두 가지에 대한 작업 시간 소요와 효율성을 추정하고자 진행하였다. 작업 시간 비교 분석 같은 경우는 정밀 분석 통계가 아닌 하나의 참고 사례로 진행한 것이다.
  • 이를 통해 웨이팅 칠하는 작업시간의 단축과 웨이팅에 따른 완성도 높은 지오메트리의 형태 구현 그리고, 두 개 이상의 지오메트리를 동시에 웨이팅 작업으로 연계시킬 수 있다. 이러한 기능을 손쉽게 활용할 수 있도록 GUI(Graphic User Interface)를 제작하여 그 효율성을 검증하고자 한다.
  • 첫 번째와 두 번째 방법은 연구자가 직접 개발한 툴을 활용하여 실험하였고 세 번째 방법은 4명의 실험자들이 참여하여 진행하였다. 이를 통해 본 실험에서 제작된 툴의 실효성을 검증하고자 한다.
  • 기존의 조인트 웨이팅은 수작업으로써 시간 소모의 비효율성, 단순 작업의 반복 등 한계점이 많다. 이에 따라, 모델링에 직접 조인트를 스킨 웨이팅으로 작업하지 않고 래티스라는 디포머를 활용하여 간편하게 칠할 수 있는 툴을 제안한다. 우선, 사용자가 사용하기 편리한 UI를 제작하였고 3단계의 진행 과정을 거쳐 웨이팅을 칠할 수 있는 효과적인 툴을 개발하였다.
  • 팔, 다리, 손가락 등 각 관절마다 래티스를 적용해야 하는데, 래티스가 많아지면, 복잡해지고 관리하기가 힘들어지는 한계점이 있다. 이에, 기존 웨이팅 제작 방식의 문제점을 해결하기 위해 첫째, 불필요한 단순 반복 작업을 자동으로 처리, 둘째, 과다한 작업 시간을 줄이고, 셋째, 빠른 시간 내에 다양한 test가 가능하도록 툴 개발을 제안하고자 한다.
  • 하지만 다양한 디포머를 활용하여 애니메이션을 제작하다 보면 복잡해지고 관리가 힘들어진다. 활용성이 높은 디포머의 장점을 잘 활용하면서도 단점이 되는 복잡하고 관리가 힘든 부분과 연산 속도 저하의 문제들을 효과적으로 처리할 수 있는 방법을 실험연구를 통해 제시하고자 한다. 이를 통해 웨이팅 칠하는 작업시간의 단축과 웨이팅에 따른 완성도 높은 지오메트리의 형태 구현 그리고, 두 개 이상의 지오메트리를 동시에 웨이팅 작업으로 연계시킬 수 있다.

가설 설정

  • 두 번째 단계에서 래티스로 원하는 형태로 디폼이 완성되면 래티스를 사용하여 움직인 지오메트리의 버택스 이동거리를 0에서 1로 변형하는 노멀라제이션(normalization) 과정을 거쳐 스킨 웨이트 값에 대입한다. 디폼 될 조인트를 1만큼 움직여 따라 움직이는 점들의 거리 값 또한 최소 0에서 최대 1만큼 움직일 것이다. 거리 값을 구하는 공식은 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
애니메이션의 작업과정 세 단계는 무엇인가? 애니메이션의 작업과정은 일반적으로 세 단계로 나뉘게 된다. 첫 번째 단계는 프리 그로덕션(Pre-Production) 파트로 스토리보드와 캐릭터 및 배경 디자인 등 전체 작업의 기획에 해당된다. 두 번째 단계는 메인 프로덕션 파트로 디자인된 캐릭터를 삼차원으로 모델링하고, 텍스쳐 소스를 제작하여 모델링에 입히는 작업이다. 이어서, 만들어진 폴리곤 캐릭터의 구조에 맞게 뼈를 제작하여 폴리곤 면을 스무드 바인딩(Smooth binding)을 통해 합쳐준다. 이 작업을 리깅이라 하며, 리깅 후 실제 폴리곤 면을 구성하는 여러 개의 점들을 조인트에 귀속시키는 작업을 스킨 웨이팅이라 한다. 본 작업이 잘 이루어져야 캐릭터 애니메이션에서 움직임을 줄 때 자연스러운 동작이 구현된다. 그리고, 세 번째 파트는 포스트 프로덕션(Post-Production)으로써 VFX와 Lighting 효과 그리고, 편집, 합성으로 구성된다. 이러한 작업 흐름도를 요약하면 다음과 같다.
디포머란 무엇인가? 1) 본 연구에서는 캐릭터에 움직임을 주는 애니메이션 단계를 위한 캐릭터 스킨 웨이트에 관한 연구로써, 기존의 방법에서 벗어나 디포머를 이용한 스킨 웨이트 방식을 제안하고 검증하고자 한다. 디포머란 사전적 의미로는 ‘변형시키다’의 뜻이지만 3D 그래픽에서의 디포머란 지오메트리를 애니메이션(동작 구현 시) 또는 모델링(형태 변형 시)을 효과적으로 조작하기 위한 보조적 장치에 해당 된다2). 디포머를 이용한 스킨 웨이트 과정은 작업자가 의도하는 형태나 모양(shape)으로 보다 쉽게 변형이 가능하며, 이것을 응용하면 프레임(frame)에 따라 모양이 연속적으로 변하는 애니메이션으로도 응용 활용할 수 있다.
리깅 작업이란 어떤 작업인가? 리깅 작업은 캐릭터에 움직임을 주기 위한 준비단계이며, 이에 따라 사람의 인체와 유사한 구조의 뼈대를 캐릭터 모델링에 심고 모델링을 구성하는 지오메트리와 합쳐주는 과정이다. 일반적인 리깅 작업의 순서는 완성된 폴리곤 지오메트리의 회전과 움직임이 있는 부분에 조인트를 심고, 조인트와 지오메트리를 함께 선택하여 스무드 바인드를 적용하여 지오메트리가 조인트에 귀속되게 하는 과정이다.
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참고문헌 (7)

  1. 김용관, "3D 애니메이션 캐릭터의 Animation Rigging system에 관한 연구". 애니메이션 연구, Vol.4, No. 1(2008, 6), p.25-44. 

  2. 김상돈, 이현석, "모델링 공정 연계 시스템을 통한 효율적 폴리곤 모델링 기법에 대한 탐구". 만화애니메이션연구, 통권 제37호 (2014), p.143-158. 

  3. 장태수, 인체 골격계에 기반한 케릭터 애니메이션 리깅, 한국과학기술원 문화기술대학원 석사학위논문(2007). 

  4. 백철호, "극장판 3D 컴퓨터 애니메이션 발전과 인력 이동의 연관성 연구". 디지털디자인학연구, Vol.7,No.3(2007, 7), p.237-246. 

  5. Guidon, Marc-Andre, Autodesk Maya Techniques, Autodesk, Inc., 2008. 

  6. http://www.arch.cuhk.edu.hk/server1/staff1/marcaurel/desc9019/tutorials/Readings/mayaDocs/Deformers.pdf. 

  7. https://www.mathsisfun.com/algebra/images/vector-3d.gif. 

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