첨단영상대학원 박경주교수 2009.10.01 첨단영상대학원 박경주 교수 디지털 엔터테인먼트 Lecture 5 http://graphics.cau.ac.kr/courses.htm 2009.10.01 첨단영상대학원 박경주 교수

Topics Visual effects 란? 물리기반시뮬레이션 뉴톤의 법칙 파티클 시스템 유체 강체 변형체

CG Visual Effects(시각효과) Star trek II: The Wrath of Khan 1983년 화염에 싸이는 행성 표현을 위해 particle system 을 최초로 사용 물리적 수학적 사실성 + 시각적인 사실성 시각적인 사실성을 위하여 물리적 수학적 사실성을 희 생하는 경우가 대다수 물리기반 시뮬레이션

물리기반 시뮬레이션 대상 유체 강체 변형체 수많은 파티클(입자)들의 집합형태 연기, 불, 비, 폭발 등 자연현상 모양이 불변하는 표현으로 충돌 되면서 회전방향과 크기가 변함 변형체 근육, 옷, 머리카락 등 모양이 변하는 물체

물리기반 시뮬레이션의 기본 Newton’s Laws Mass: 객체의 물질의 양 측정 (measured in kilograms) Weight: 객체에 작용하는 중력 힘 뉴톤의 제 2법칙에 따르면, mass 와 가속도의 곱셈으로 계산 (w = m * g) Weight is measured in Newtons. Density: 단위 부피안의 질량 (1 제곱 평방미터 안의 grams) 달과 지구에서의 무게 지구에서 6 kg 달에서 1 kg

물리기반 시뮬레이션의 기본 Newton’s Laws 제1 법칙: 관성의 법칙 외부에서 작용하는 힘이 없으면, 정적인 물체는 쭉 정적이고, 움직이던 물체는 계속 움직인다 (속도는 일정)

물리기반 시뮬레이션의 기본 Newton’s Laws 제2 법칙: f=ma Force = Mass * Acceleration (일정 질량을 가진 물체일 때) 질량과 힘을 알 때, 가속도를 계산! => 가속도는 힘에 비례 => 가속도는 질량에 반비례 Acceleration = Force / Mass http://www.shiffman.net/itp/classes/nature/week03_s09/forces/

물리기반 시뮬레이션의 기본 Newton’s Laws 제3 법칙: 작용 반작용의 법칙 모든 힘은 쌍으로 작용한다 그리고, 그 두 힘은 크기는 같고 방향은 반대이다. http://www.shiffman.net/itp/classes/nature/week03_s09/attraction/

물리기반 시뮬레이션: 시뮬레이션 힘 힘 = 질량 * 가속도 가속도 = 속도변화 량/시간 속도 = 거리변화량 /시간 거리(t) 속도(t) 거리(t+1) 속도(t+1) 힘 = 질량 * 가속도 가속도 = 속도변화 량/시간 속도 = 거리변화량 /시간 가속도 = 힘/질량 속도변화량 = 가속도 *시 간 속도(t+1) = 속도(t) + 속 도변화량 거리변화량 = 속도*시간 거리(t+1) = 거리(t) + 거 리변화량 힘 모션그래픽스연구실(http://graphics.cau.ac.kr/)

물리기반 시뮬레이션: 시뮬레이션 거리(t) : x(t) 속도(t) : v(t) 외부 힘 : f 모션그래픽스연구실(http://graphics.cau.ac.kr/)

Forces acting on an object 초기 객체 초기거리 = (10,20) 질량 = 5 초기 속도 = (-3,2) 힘: 바람 = (5,0) , 중력 = (0,10) 시뮬레이션 (remember F = M*A, so A = F / M): 어떤 시간 T: 바람에 의한 가속도: WIND / MASS = (5,0) / 5 = (1,0) 중력에 의한 가속도: GRAV / MASS = (0,10) / 5 = (0,2) 총 가속도 = (1,0) + (0,2) = (1,2) 속도(1) = 속도 (0) + 가속도 = (-3,2) + (1,2) = (-2,4) 거리(1) = 거리(0) + 속도 = (10,20) + (-2,4) = (8,24)

물리기반 시뮬레이션: 파티클 시스템 파티클 시스템 파티클을 ‘점, 원, 빗선 …’ 등 조그마한 걸로 표현 파티클을 ‘점, 원, 빗선 …’ 등 조그마한 걸로 표현 파티클을 방출하는 위치 설정 파티클이 움직이는 동선 http://www.shiffman.net/itp/classes/nature/week05_s09/simpleparticles/ 텍스쳐를 입힌 파티클 색상 또는 텍스쳐로 “점, 원, 빗선,…” 대체 http://www.shiffman.net/itp/classes/nature/week05_s09/simpleparticles/ 충돌하는 파티클 표면과 충돌 후 방향 변경 http://www.shiffman.net/itp/classes/nature/week05_s09/particlesplusforces/ 파티클과 다른 객체와의 상호작용 particles.mov

유체표현기술 액체 바다와 같은 정적인 대규모 액체 컵에 쏟아지는 물 폭포 기체 연기, 구름, 불, 폭발

동적 액체, 연기, 불 정적 대규모 유체 동일한 시뮬레이션 방법이 적용되나 각각 형상화 및 렌더링 과정에서 다른 형태로 표현이 된다.

유체표현 Step 1 격자 기반의 유체 시물레이션에서 표면을 형상화 하면서 표면의 아래 위로 분리되는 데이터를 파티클로 생성 대체한다. 이는 물 표면 위의 water spray(물보라)와 물 아래의 water bubble ( 공기방울)로 표현되는데, 이는 사실감 있는 광역적인 물을 표현하 는데 가장 핵심적인 요소이다. 시물레이션 결과물로 나온 water spray 파티클을 기반으로 새로운 파티클을 생성함으로써 현실감 넘치는 충분한 숫자의 파티클을 얻어낸다.

유체표현 Step 2 시물레이션을 기반으로 생성한 표면이다. 시물레이션을 기반으로 생성한 표면이다. 대부분의 경우 디테일이 높은 광역 시물레이션은 계산 시간이 많이 걸리며 결과 데이터도 실제 렌더 해 보면 그다지 큰 스케 일로 보여지지 않는 경우 도 많다. 이 경우에 훨씬 더 큰 스 케일로 느끼게 해 줄수 있는 디스플레이스먼트 셰이더가 필요하다. 시뮬레이션 표면 시뮬레이션 표면 + 디스플레이스먼트 세이더

시물레이션이 된 표면(포세이 돈) 시물레이션이 된 표면 + 디스 플레이스먼트 쉐이더 (포세 이돈) 만들어진 바닷물을 렌더링 할 때, 표면에서 가장 중 요한 것은 반사와 반사의 방향이다. 위 이미지는 반사의 방향만 을 추출하였다.

유체표현 Step 3 아래 이미지는 water spray만을 보여주는 것인데, 위에서 언급한 디스 플레이스먼트 셰이더와 마찬가지로 이것은 대규모 바닷물을 표현하 는것에 있어서 핵심적인 요소중 하나이다. 디스플레이스먼트 쉐이더 + Water spray

유체표현 Step 4 현재 시각적으로 가장 큰 발전은 물속 공기방울 표현을 추가한 deep water Rendering 이다

0310.mov, 0481.avi, ETRI_유체

강체역학 강체란? 모양이 불변하는 표면으로 애니메이션 도중에 충 돌 Dynamics 시뮬레이션에 사용 당구공, 볼링공, …. 게임에 응용 예) ball 과 plank 가 충돌하면, 중력에 내려가던 ball이 plank 와 충돌후에 rebound 함

Rigid body dynamics 공간상 크기가 있는 객체들에 한하여 파티클 시스템 외에 강체 역학을 사용 =>충돌 후 회전력이 생기는 경우 Video_by_kaufman, video_by_Guendelman

변형체 헤어, 옷, 근육 등 탄성 성질에 따른 움직임을 묘사 나니아 연대기 사자 털 헤어와 헤어 간의 상호작용, 충돌처리 헤어를 빗는 모습 렌더링 실사와의 합성

변형체 스프링 1D 스프링 3D 스프링 탄성계수, 물질성질 등에 따라서 움직임 즉 변형의 정도와 회복하려는 정도가 다름 첨단영상대학원 박경주교수 변형체 스프링 탄성계수, 물질성질 등에 따라서 움직임 즉 변형의 정도와 회복하려는 정도가 다름 1D 스프링 변형체/coarsening.avi 3D 스프링

변형체 - 헤어 스프링 상호작용 충돌 후 변형정도 + 헤어 간의 상호작용 + 충돌처리 스프링 파티클 변형체/acm.mov 스프링을 선처럼 연결한 것으로 헤어 모델링

변형체 - 옷 스프링 파티클 스프링을 바둑판처럼 연결한 것으로 옷 모델링 Cloth 비디오 모션그래픽스연구실(http://graphics.cau.ac.kr/)

변형체가 사용된 Production 장면 전등을 들고 춤추는 Lemurs Madagascar 의 움직이는 정글

Shrek 동키의 귀 Shrek 라푼잘의 머리채 옷

Shrek 기네뷔르의 곱슬머리올림 Shrek 잠자는 공주의 긴머리

캐리비안 해적의 David Jones 렌더링 + 합성 반헬싱의 뱀파이어 신부

The island 의 Jodan 디지털더블 반헬싱의 웨어울프

The Day After Tomorrow의 합성장면 The Day After Tomorrow 의 CG 늑대

변형체 – 가상 수술 시뮬레이션 장기, 근육 등은 탄성물질이 복잡한 변형체의 일종으로 시뮬레이션 장기, 근육 등은 탄성물질이 복잡한 변형체의 일종으로 시뮬레이션 Tissue – 변형체/big09_SoftTissueSg09 Muscle, Organ – 변형체/Chentanez2009-ISN 장기의 tissue 들의 물질 성질은 불균일하고 불연속적이며 서로 다름 따라서, 외부에서 자극되는 힘에 따른 변형정도와 방향 충돌에 따른 변형정도와 방향 등이 고려되어야 한다