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골격(Skeletal) 애니메이션은 비디오 게임, 영화 및 기타 디지털 미디어에서 널리 사용되는 3D 컴퓨터 그래픽의 기본 기술입니다. 여기에는 3D 모델의 변형을 제어하는 계층적 뼈대 또는 'skeleton(골격)' 세트를 통해 메쉬의 애니메이션이 포함됩니다. 애니메이터는 이러한 뼈대를 조작하여 걷기, 달리기 또는 춤이나 전투 씬과 같은 복잡하고 유연한 동작을 만들 수 있습니다.
골격 애니메이션에서는 메쉬의 각 버텍스가 하나 이상의 뼈에 연결되므로 뼈를 회전, 이동 또는 크기 조정할 때 부드럽고 사실적인 움직임을 구현할 수 있습니다. 이 시스템은 특히 인간형 캐릭터, 동물 또는 관절 모션이 필요한 기타 개체를 애니메이션 하는 데 효과적입니다.
골격 애니메이션의 뿌리는 캐릭터를 프레임 단위로 그리던 전통적인 애니메이션 기법으로 거슬러 올라갑니다. 컴퓨터 그래픽이 등장하면서 애니메이터들은 이 과정을 자동화하고 간소화하는 방법을 모색하기 시작했고, 그 결과 골격 애니메이션이 발전하게 되었습니다. 1980년대와 1990년대의 초기 구현은 현대 기술의 토대를 마련했으며, Autodesk Maya와 3D Studio Max(현재 3ds Max)와 같은 선구적인 소프트웨어는 애니메이터를 위한 보다 정교한 툴을 도입했습니다. 오늘날 골격 애니메이션은 블록버스터 영화부터 인디 비디오 게임에 이르기까지 거의 모든 애니메이션 파이프라인에서 필수적인 요소로 자리 잡았으며, Blender, 유니티, 언리얼 엔진과 같은 툴이 이 기술을 강력하게 지원하고 있습니다.
골격 애니메이션의 핵심에는 스킨, 뼈대, 키프레임이라는 세 가지 중요한 구성 요소가 있습니다.
골격 애니메이션은 메쉬의 버텍스가 하나 이상의 뼈에 영향을 받는 스키닝이라는 프로세스를 통해 작동합니다. 이러한 영향은 각 버텍스에 할당된 가중치 값에 의해 결정되며, 각 뼈가 버텍스의 위치에 얼마나 영향을 미치는지를 나타냅니다. 뼈의 변형은 일반적으로 키프레임, 역 운동학(IK) 또는 물리 기반 시뮬레이션을 사용하여 제어합니다.
보간은 부드러운 전환을 만들기 위해 키프레임 사이의 중간 프레임을 계산하는 프로세스입니다. 보간에는 선형, 큐빅, 스플라인 등 다양한 유형이 있으며, 각각 다른 수준의 부드러움과 제어 기능을 제공합니다.
모션 블렌딩은 여러 애니메이션을 결합하여 복잡한 동작을 만드는 것입니다. 예를 들어, 걷는 애니메이션과 손을 흔드는 애니메이션을 블렌딩하여 캐릭터가 동시에 걷고 손을 흔들 수 있습니다. 이 기술은 일반적으로 비디오 게임에서 역동적이고 반응이 빠른 캐릭터를 만드는 데 사용됩니다.
다음 영상에서 조이 칼리노가 Blender의 골격 애니메이션 리깅 프로세스에 대한 개요를 설명하지만, 다루는 많은 원칙이 보편적으로 적용됩니다:
골격 애니메이션에 사용할 수 있는 소프트웨어 도구는 여러 가지가 있으며, 각 도구는 고유한 기능을 제공합니다. 가장 인기 있는 옵션은 다음과 같습니다:
유니티 및 언리얼과 같은 게임 엔진에서 골격 애니메이션은 일반적으로 애니메이션 컨트롤러 또는 블루프린트를 사용하여 구현됩니다. 이러한 시스템을 통해 애니메이터는 플레이어 입력이나 게임 이벤트에 따라 다양한 애니메이션을 블렌딩하는 복잡한 애니메이션 로직을 만들 수 있습니다.
골격 애니메이션은 유연성과 효율성으로 인해 비디오 게임과 영화에서 널리 사용되고 있습니다. 비디오 게임에서 골격 애니메이션은 실시간 캐릭터 제어가 가능하여 상호작용 적이며 역동적인 캐릭터 움직임을 구현할 수 있습니다. 이 기술은 영화에서도 필수적인데, “쥬라기 공원”의 공룡이나 “아바타”의 나비족과 같은 복잡한 생물과 캐릭터를 애니메이션 하는 데 사용됩니다.
영화에서 골격 애니메이션의 대표적인 예로 “반지의 제왕”의 골룸을 들 수 있습니다. 골룸의 움직임은 모션 캡처 기술을 사용하여 캡처한 다음 골격 애니메이션을 사용하여 3D 모델에 적용했습니다. 이 기술을 통해 캐릭터에 높은 수준의 사실감과 감정 표현이 가능했습니다.
비디오 게임에서 “툼 레이더”의 라라 크로프트나 “어쌔신 크리드”의 주인공과 같은 캐릭터는 골격 애니메이션의 힘을 보여줍니다. 이러한 캐릭터는 실제와 같은 움직임과 반응을 보여 전반적인 게임 플레이 경험을 향상시킵니다.
골격 애니메이션은 흔히 3D 모델과 연관되어 있지만 2D 애니메이션에도 사용됩니다. 2D 골격 애니메이션에서는 뼈대를 2D 스프라이트에 적용하여 최소한의 다시 그리기 작업으로 캐릭터를 효율적으로 애니메이션 할 수 있습니다. 이 기술은 일반적으로 2D 캐릭터에 3D 애니메이션에서 흔히 볼 수 있는 유동성을 부여하는 '컵 헤드' 및 '할로우 나이트' 같은 게임에서 사용됩니다.
골격 애니메이션에서 뼈 위치, 회전, 스케일 등의 데이터는 키프레임에 저장됩니다. 이 데이터는 메쉬와 관련 애니메이션 데이터를 모두 저장하는 FBX 또는 COLLADA와 같은 외부 파일에서 로드되는 경우가 많습니다. 런타임 동안 이 데이터는 캐릭터 뼈의 움직임을 구동하는 데 사용됩니다.
뼈대 변환 매트릭스는 3D 공간에서 뼈대의 위치와 방향을 계산하는 데 매우 중요합니다. 이러한 행렬은 일반적으로 이동, 회전, 스케일 행렬을 결합하여 구성한 다음 메쉬의 버텍스에 적용합니다.
GPU는 특히 비디오 게임과 같은 실시간 어플리케이션에서 골격 애니메이션에서 중요한 역할을 합니다. 가중치와 뼈 인덱스를 포함한 버텍스 데이터는 GPU에서 처리되므로 애니메이션 캐릭터를 효율적으로 실시간 렌더링할 수 있습니다. 이 프로세스를 버텍스 스키닝이라고 하며 복잡한 씬에서 성능을 유지하는 데 필수적입니다.
코드에서 골격 애니메이션을 구현하려면 애니메이션 데이터를 로드, 저장 및 모델에 적용할 수 있는 시스템을 설정해야 합니다. 여기에는 일반적으로 다음 항목들이 포함됩니다:
골격 애니메이션은 강력하지만 제대로 해결하지 않으면 그 효과를 저해할 수 있는 문제가 발생할 수 있습니다. 다음은 애니메이터와 개발자가 자주 직면하는 몇 가지 일반적인 함정입니다:
웨이트 페인팅은 메쉬의 각 버텍스에 대해 뼈대에 영향력 값을 할당하는 프로세스입니다. 웨이트 페인팅이 잘못되면 애니메이션 도중 메쉬가 부자연스럽게 구부러지거나 무너지는 등 원치 않는 변형이 발생할 수 있습니다. 이 문제는 특히 여러 뼈가 같은 부위에 영향을 미치는 팔꿈치나 무릎과 같은 관절 주변에서 흔히 발생합니다. 이를 방지하려면 애니메이터는 부드럽고 자연스러운 변형을 보장하기 위해 가중치를 신중하게 테스트하고 조정해야 합니다.
뼈가 너무 많거나 지나치게 복잡한 컨트롤이 있는 리그는 관리 및 애니메이션을 적용하기 어려울 수 있습니다. 이는 작업량을 증가시킬 뿐만 아니라 불필요한 오류나 버그를 유발할 수 있습니다. 기능과 단순성 사이의 균형을 맞추는 것이 중요합니다. 특히 비디오 게임과 같은 실시간 어플리케이션에서 너무 많은 뼈를 사용하면 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
비디오 게임과 같은 실시간 어플리케이션을 효율적으로 실행하려면 골격 애니메이션이 필요합니다. 본 수가 많거나 복잡한 리그 또는 최적화되지 않은 애니메이션은 프레임 속도 저하 또는 로드 시간 증가와 같은 성능 문제를 일으킬 수 있습니다. 개발자는 본 구조를 최적화하고, 각 버텍스에 영향을 미치는 본의 수를 제한하며, 원활한 성능을 보장하기 위해 LOD(레벨 오브 디테일) 기술을 사용해야 합니다.
골격 애니메이션이 한 플랫폼에서는 완벽하게 작동하지만 다른 플랫폼에서는 하드웨어 또는 소프트웨어 기능의 차이로 인해 문제가 발생할 수 있습니다. 의도한 모든 플랫폼에서 애니메이션을 테스트하고 필요에 따라 리그를 조정하거나 애니메이션을 최적화하여 일관된 성능과 모양을 보장하는 것이 중요합니다.
다음 영상을 통해 Blender의 일반적인 리깅 함정과 이를 해결하는 방법에 대한 Mck의 개요를 확인하십시오. 다시 말하지만, 이러한 문제 중 상당수는 소프트웨어에 관계없이 발생하며 해결 방법은 원칙적으로 모든 소프트웨어에 적용될 수 있습니다:
특히 비디오 게임과 같이 성능이 사용자 경험에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 실시간 어플리케이션의 경우 골격 애니메이션을 최적화하는 것이 중요합니다. 다음은 성능 향상을 위한 몇 가지 전략입니다:
각 버텍스에 영향을 미치는 본의 수를 제한합니다. 많은 애니메이션 시스템이 버텍스 당 최대 4개의 본을 지원하지만, 이 수를 줄이면 특히 실시간 렌더링 환경에서 성능이 크게 향상될 수 있습니다. Blender의 자동 가중치와 같은 툴을 사용하면 뼈의 영향을 효율적으로 분배하는 데 도움이 됩니다.
LOD 시스템을 구현하면 카메라와의 거리에 따라 다양한 버전의 리그와 애니메이션을 구현할 수 있습니다. 가까운 모델에는 더 디테일한 리그와 애니메이션을 사용할 수 있고, 먼 모델에는 단순화된 버전을 사용하여 시각적 품질 저하 없이 계산 부하를 줄일 수 있습니다.
키프레임 데이터를 최적화하면 메모리 사용량을 줄이고 재생 성능을 향상시킬 수 있습니다. 중복되거나 불필요한 키프레임을 제거하는 키프레임 축소와 같은 기술을 사용하면 애니메이션 데이터를 간소화할 수 있습니다.
많은 최신 GPU는 버텍스 스키닝 계산을 CPU가 아닌 GPU로 오프로드 하는 하드웨어 스키닝을 지원합니다. 이는 특히 여러 개의 애니메이션 캐릭터가 있는 씬에서 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
스키닝 알고리즘은 뼈를 조작할 때 메쉬가 변형되는 방식을 결정하는 데 필수적입니다. 각 알고리즘은 프로젝트의 특정 요구 사항에 따라 다양한 장점과 장단점을 제공합니다.
매끄러운 스키닝이라고도 하는 LBS는 가장 일반적으로 사용되는 스키닝 방법입니다. 본의 가중치 영향을 기반으로 버텍스 위치를 선형적으로 보간합니다. 간단하고 효율적이지만 LBS는 손목이나 발목과 같은 관절을 비틀면 부자연스러운 변형이 발생하는 '캔디 포장지' 효과와 같은 아티팩트가 발생할 수 있습니다.
DQS는 LBS에서 흔히 발생하는 아티팩트, 특히 캔디 포장지 효과를 완화하는 고급 방법입니다. 듀얼 쿼터니언을 사용하여 회전을 보간함으로써 DQS는 특히 관절 주변에서 더 부드럽고 자연스러운 변형을 제공합니다. 하지만 LBS보다 계산 비용이 더 많이 들기 때문에 실시간 어플리케이션의 성능에 영향을 줄 수 있습니다.
탄성 스키닝은 스키닝 프로세스에 물리적 시뮬레이션 레이어를 추가하여 특히 근육과 지방과 같은 연조직에서 보다 사실적인 변형을 가능하게 합니다. 이 방법은 영화용 고급 캐릭터 애니메이션에 자주 사용됩니다. 그러나 리소스 집약적이며 일반적으로 계산 요구 사항으로 인해 실시간 어플리케이션에는 적합하지 않습니다.
기술이 계속 발전함에 따라 골격 애니메이션에 사용할 수 있는 기술과 툴도 발전하고 있습니다. 애니메이터와 개발자가 캐릭터 애니메이션에 접근하는 방식에 혁신을 가져올 몇 가지 흥미로운 발전이 곧 이루어질 예정입니다.
골격 애니메이션의 최신 혁신에는 방대한 모션 캡처 데이터 세트를 분석하여 보다 자연스러운 움직임을 생성할 수 있는 머신러닝 기반 애니메이션 시스템이 포함됩니다. 이러한 시스템이 애니메이션 소프트웨어에 통합되기 시작하면서 복잡한 애니메이션을 보다 직관적으로 제어하고 실제와 같은 결과를 얻는 데 필요한 시간을 단축할 수 있습니다.
절차적 애니메이션 기술도 발전하여 환경 상호작용이나 사용자 입력에 따라 캐릭터의 움직임을 실시간으로 조정할 수 있습니다. 이는 특히 게임에서 유용하며, 캐릭터가 변화하는 상황에 동적으로 반응하여 사실감과 상호 작용을 향상시킵니다.
가상 현실과 증강 현실은 실시간으로 작동할 수 있는 더 복잡하고 반응이 빠른 애니메이션을 요구함으로써 골격 애니메이션의 한계를 넓히고 있습니다. 이러한 기술은 고품질 애니메이션 뿐만 아니라 물리적 세계와 원활하게 상호작용할 수 있는 기능을 요구하기 때문에 리깅과 스키닝에 새로운 도전 과제가 생깁니다.
또한 GPU에 실시간 레이 트레이싱이 도입되면서 조명과 셰이딩이 애니메이션 캐릭터와 상호작용하는 방식이 바뀌고 있으며, 골격 애니메이션을 렌더하고 복잡한 씬에 통합하는 방식에 대한 새로운 고려 사항이 요구되고 있습니다.
리깅 경험이 없거나 적은 일반 사용자도 리깅 프로세스를 훨씬 더 간소화할 수 있는 새로운 타사 플랫폼도 등장하고 있습니다. 독립형 리깅 도구인 Akeytsu에 대한 Ask NK의 아래 동영상을 참조하세요:
골격 애니메이션에 입문하고자 하는 분들을 위해 튜토리얼과 강좌부터 활발한 온라인 커뮤니티까지 다양한 리소스가 준비되어 있습니다.
초보자는 3D 애니메이션과 리깅에 대한 기초 강좌부터 시작하는 것이 좋습니다. Udemy, Coursera, LinkedIn Learning과 같은 플랫폼에서는 간단한 리그 설정부터 복잡한 애니메이션 제작까지 골격 애니메이션의 기초를 다루는 포괄적인 강좌를 제공합니다.
Blender Guru 및 Gleb Alexandrov와 같은 유튜브 채널의 튜토리얼은 Blender에서 골격 애니메이션을 배우기 위한 실용적인 실습 가이드를 제공합니다. 보다 체계적인 학습을 원한다면 CGCookie 또는 애니메이션 멘토의 강좌를 적극 권장합니다. Blender Artists 또는 Polycount와 같은 커뮤니티 포럼도 질문하고, 작업을 공유하고, 숙련된 애니메이터로부터 피드백을 받을 수 있는 훌륭한 소스입니다.
다음에서 CG Cookie의 Blender 리깅 코스 예고편을 확인하십시오:
더 고급 주제에 관심이 있는 분들을 위해 Richard Williams의 '애니메이터의 생존 키트'와 Tina O'Hailey의 'Rig It Right!” 같은 책에서 애니메이션 기술과 리깅 모범 사례에 대한 심층적인 통찰력을 제공합니다. 또한 시그라프의 연구 논문은 애니메이션 기술 및 방법론의 최신 발전 동향을 제공합니다.
다른 복잡한 기술과 마찬가지로 골격 애니메이션은 초보자와 숙련된 사용자 모두에게 많은 질문을 불러일으킵니다. 다음은 가장 일반적인 질문 몇 가지에 대한 답변입니다.
골격 애니메이션은 비디오 게임부터 블록버스터 영화에 이르기까지 현대 미디어의 초석으로 남아 있습니다. 유연하고 사실적인 움직임으로 캐릭터에 생동감을 불어넣는 능력은 애니메이터나 게임 개발자에게 필수적인 기술입니다. 기술이 계속 발전함에 따라 골격 애니메이션에 사용할 수 있는 기술과 도구는 더욱 정교해져 창의적인 표현을 위한 흥미롭고 새로운 가능성을 제공할 것입니다. 이제 막 시작했거나 기술을 다듬고자 하는 사람이라면 지속적인 학습과 실험을 통해 3D 애니메이션의 이 중요한 측면을 마스터하는 것이 중요합니다.
