CG 파이프라인에 대한 글을 작성해야지 라고 말씀만 드리고 엄두를 내지 못하고 있었는데요, 너무 거창하게 생각해서 시작을 못하는 것 같아 가볍게 글을 쓰려고 합니다. 많은 분들이 즐기시는 영화, 애니메이션, 게임 등 CG 콘텐츠들은 실생활에 있어 상당히 친숙한 반면, 실제 그러한 CG 콘텐츠가 제작되는 과정에 대해서는 잘 모르시는 분들이 많더라고요. 그 일련의 과정들이 어떻게 이루어지는지 가벼운 이해가 뒷받침된다면, 훨씬 그런 콘텐츠를 보는 데 재미를 더할 수도 있을 것 같다고 생각해서 글을 쓰게 되었습니다.

시작하기 전에 앞서서 용어를 살짝 정리하고 가야겠는데요, 엄밀히 이야기해서 CG(Computer Graphics) 라고 하면 컴퓨터로 생성하는 이미지, 즉 포토샵이나 페인터 등으로 그려낸 그림도 CG라고 할 수 있습니다. 또한 전통적인 2D 이미지 제작에 대비하여 3D 라는 용어를 자주 사용할텐데, 이것이 최근들어 많이 제작되는 ‘3D 입체’ 와 혼동을 줄 수도 있지요. 하지만 통상적으로 CG 및 CG 기술이라고 하면 ‘컴퓨터를 사용하여 3D 가상공간상에서 물체를 생성하여 이미지를 만들어 내는 기술’ 을 이야기하며 이 글에서도 그렇게 사용하도록 하고, ‘3D 입체’ 에 대해서는 다루지 않도록 하겠습니다.


(길고긴 파이프라인… 어떻게 이걸 시작해야 하나 글쓰기 전에 막막함을 나타내는 심정…)

CG 파이프라인이란 CG 회사에서 콘텐츠를 제작하기 위해 구축해 놓은 일련의 과정, 시스템을 말합니다. 마치 하나의 공장에서 컨베이어 벨트를 타고 물건이 전달전달 되면서 제작되는 듯 CG 데이터도 그러한 흐름을 거쳐 제작되는데요, 오늘은 그 첫번째 단계로, ‘모델링’ 에 대해서 알아보도록 하겠습니다.


1. 모델링?

모델링은 우리가 원하는 CG 콘텐츠를 제작하기 위하여, 컴퓨터의 가상공간 안에 물체를 만들어 내는 과정을 의미합니다. 모델이 있어야 거기에 색을 입히던 움직임을 주던 할 수 있기 때문에, CG 파이프라인에 있어서 가장 기본이 되는 과정이라고 할 수 있지요. 또한 이 모델링 데이터를 가지고 이후의 모든 파이프라인에서 사용하기 때문에 매우 중요한 과정이라고 할 수 있습니다.

모델링은 기본적으로 3D 가상공간 안에 물체를 만들어 내는 작업인데요, 그럼 어떻게 컴퓨터의 가상 공간 안에 물체를 만들어 낼 수 있을까요? 우리는 창조주가 아니기에 ‘만들어져라!’ 라고 말한마디로 물체를 만들 수는 없고요, 그러기에 우리는 여기에서 수학의 도움을 받습니다. CG는 우리의 현실을 0과 1로 이루어진 컴퓨터라는 가상공간 안으로 옮겨오기 때문에, 수학 없이는 그것을 컴퓨터로 표현할 수 없습니다. CG를 공부하다 보면 이 세상의 수많은 현상들이 수학으로 이루어져 있구나, 이래서 수학이 가치있는 학문이구나 새삼 놀라게 됩니다.


(가상공간 안에서는 그게 다 소스코드고 또 그게 다 수학으로 구현되죠)

얘기가 잠시 샜는데, 좌우지간 모델링을 하는 데에는 가상공간 안에 물체를 정의하는 방식이 필요하고, 거기에도 다양한 방식이 있는데 (폴리곤 Polygon, 넙스 Nurbs, 서브디비전 서피스 Subdivision Surface...) 그 중에서도 가장 대표적이고 널리 쓰이는 폴리곤에 대해서는 알아볼 필요가 있습니다.


2. 폴리곤 모델링

폴리곤은 가장 기본적인 3D 공간상에 물체를 표현하는 방식입니다. 3D 공간상에 점, 선, 면을 정의하고, 이들의 집합을 통해 하나의 물체를 완성해 내는 방식이지요. 그 점, 선, 면을 만들어 내는 방식을 알아보면


x, y, z 축으로 이루어진 3D 공간에 우리는 하나의 점을 찍을 수 있고, 이것을 (x1, y1, z1) 이라는 좌표로 표현할 수 있겠죠. 이것을 폴리곤의 기본 단위의 하나인 버텍스(Vertex) 라고 부릅니다.


다음 단계로, 아마 고등학교 수학시간에 직선의 방정식에 대해서 가르쳐서 알고 있듯이(이게 CG에 쓰이네), 공간상에 점이 2개가 있으면 그 두 점을 지나는 단 하나의 선을 정의할 수 있습니다. 따라서 컴퓨터에 직선과 두 점으로 이루어진 하나의 선분을 정의해서 알려 줄 수 있습니다. 이것을 폴리곤의 기본 단위의 하나인 엣지(Edge) 라고 부르죠. (엣찌와는 다르다 엣찌와는)


마지막으로, 또한 고등학교 수학시간에 나올텐데 3개의 점이 주어졌을때, 그 점들이 일직선상에 있지 않다면 세 점들을 지나는 단 하나의 평면을 평면의 방정식으로 정의할 수 있습니다. 그렇다면, 이 평면상에서 특정한 한 점이 세 점과 선분에 둘러싸인 삼각형의 내부에 있는지 아닌지 판별할 수가 있습니다. 이 삼각형 내부에 있는 점들의 모든 집합을, 폴리곤의 기본 단위의 하나인 페이스(Face) 라고 부르게 되지요.
즉 폴리곤의 기본 단위는 삼각형입니다. 물론 버텍스가 4개, 5개인 폴리곤도 존재하지만, 버텍스가 4개 이상이면 모든 점이 하나의 평면에 있다는 보장이 없기 때문에 Face 를 정의할수가 없습니다. 따라서 CG 소프트웨어 내부적으로는 다 삼각형으로 쪼개어서 계산합니다.

이렇게 수학의 힘을 빌려서 3D 가상공간 상에 하나의 삼각형을 정의하는데 성공했습니다. 모든 폴리곤 모델링은 이 삼각형을 이어붙이는 것입니다. 이렇게 연결된 이 삼각형들을 마치 그물같다고 해서 메쉬(Mesh) 라고 부르는 것이지요. 이렇게 폴리곤 메쉬로 정육면체도 만들고 구도 만들고 아리도 만들고 아이언맨도 만들고 하는겁니다. 다음 동영상은 사람 얼굴을 모델링하는 1분 30초짜리 짧은 동영상입니다. 하나의 구에서 출발해서, 어떻게 폴리곤의 3가지 요소인 버텍스, 엣지, 페이스를 덧붙이거나 삭제하거나 이리저리 움직여서 사람의 얼굴 형태를 만들어 나가는지 잘 살펴볼 수 있습니다.



작업 방식을 보시면 알겠지만 소조나 조각을 하는 부분과 일맥상통하는 부분이 있습니다. 그래서 실제로 미대에서 조소를 하시던 분들이 CG 모델링도 잘 하시는 분들이 많지요. 하지만 보시다시피 숙련된 아티스트가 일일이 버텍스나 엣지를 조절하면서 미학적으로 아름다운 모델을 만들어 내야 하기 때문에 상당히 노동집약적이고 고된 과정이라고 할 수 있습니다. 전문 모델러들의 작품은 예술가의 그것과 비견할 만 하다고 할 수 있겠습니다.


3. 3D 스캔과  토폴로지

물론 모델링을 하는 방법이 수작업만 있는 것은 아닙니다. 또 하나의 대표적인 모델링 방법으로 3D 스캔이 있습니다. 3D 스캔은 현실에 있는 오브젝트를 스캔해서 3D 가상공간 안에 옮겨주는 방식입니다. 3D 스캔을 하면 실제 공간의 수많은 점들을 데이터화 시킬 수 있고, 이것을 각각 버텍스(Vertex)로 하여 알고리즘으로 이어 붙여서 폴리곤으로 만들어 줍니다.
굳이 아티스트가 버텍스나 엣지 일일이 잡아당기는 일 없이 사람의 얼굴이나 물체를 스캔해서 사용하면 되기 때문에 우왕굳 X나좋군? 손으로 모델링 왜함? 할 수 있겠지만, 사람 일이라는게 그렇게 마음먹은 대로 잘 되지는 않지요.



3D 스캔의 단점이 몇 가지가 있는데, 먼저 노이즈 문제와 데이터가 너무 빼곡하다는 단점이 있습니다. 위 그림에서도 보실 수 있겠지만 모델을 스캔해서 공간상의 점들을 버텍스로 연결하다 보니 매끈해야 할 표면이 우둘투둘해 지고, 또한 불필요한 폴리곤이 너무 많이 생성되는 단점이 있습니다. 그렇다고 스캔되는 데이터를 줄이자니 모델의 디테일한 부분을 스캔할 수 없는 단점이 발생하고요. 물론 여기에 대해서도 표면을 매끈하게 하고, 비슷한 표면 굴곡을 가지면서도 버텍스의 갯수를 줄여주는 많은 연구들이 진행되었고 진행중에 있습니다.

3D 스캔을 CG 파이프라인에 적용하기 어려운 보다 근본적인 원인중 하나는 토폴로지(Topology-위상) 에 있습니다. 언뜻 보면 동일한 모양의 모델처럼 보여도, 버텍스의 위치 및 그 버텍스들이 어떻게 서로 연결되었는지가 다른데 이를 토폴로지라고 부릅니다. 아래 그림을 보시면 보다 이해가 쉬우실텐데요, 첫 번째 손과 마지막 손을 보시면, 폴리곤 갯수도 갯수이지만 폴리곤이 서로 연결된 방식이 무척이나 다르다는 것을 아실 수 있습니다.



토폴로지가 중요한 이유는 여러 가지가 있는데, 일단 모델링 자체에서도 문제입니다. 아티스트가 모델을 수정할 때, 토폴로지가 이해하기 쉽거나 일정한 구조로 되어 있지 않으면 모델링을 하기 무척이나 곤란합니다. 예를 들어 얼굴 모델링을 수정한다고 했을 때, 얼굴 폴리곤 메쉬의 토폴로지가 서로 대칭이 아니라던가 제멋대로라던가 하면 일정한 쉐입을 만들기가 무척이나 난감합니다. 따라서 사실 3D 스캔이 배우의 얼굴 스캔-콘텐츠에 사용하는 방식으로 각광받고 있음에도 이러한 토폴로지 관련한 문제는 여전한 이슈입니다.


(얼굴 토폴로지 구성의 예. 그림처럼 일정한 Loop 를 형성해야 하는 등 이러한 구조는 이후 애니메이션에 큰 영향을 미칩니다.)

또한, 토폴로지는 모델링 이후 단계의 파이프라인에서 무척이나 중요합니다. 모델링은 모델로만 존재하는 경우도 있지만 이후에 애니메이션을 주면서 이리저리 변형되고 움직여야 하는데, 이 때 토폴로지가 매우 중요합니다. 예를 들어, 구부러지는 파이프가 있다고 했을 때 구부러지는 부위에 원 모양의 토폴로지가 형성되어 있다면 쉽게 구부러질 수 있지만, 그렇지 않다면 상당히 어색하게 변형되거나 불필요하게 많은 버텍스가 필요하게 될 것입니다.
물론 3D 스캔된 데이터에서부터 마치 모델러가 모델링한 듯한 아름다운 토폴로지를 가진 모델로 만들어주는 연구들도 활발히 진행중에 있습니다. 하지만 아직까지는 ‘3D 스캔한거 수정해서 쓰나 그냥 처음부터 모델링하나’ 정도 수준이라고 보시면 될 것 같습니다.

4. 모델링 아티스트

위에서 말씀드렸다시피 모델링은 그 자체로 하나의 예술분야라고 해도 손색이 없습니다. 많은 3D 아티스트들이 모델링 자체를 작품으로 내놓거나, 여기에 색을 입혀서 렌더링을 건 이후 후반 리터칭으로 작품을 내놓고 있습니다. 모델링 자체로 끝나는 이러한 작품들은 상대적으로 폴리곤 갯수에 대한 제약이 없어서 지난번에 유게에도 올렸던 1억폴리곤(...) 과 같은 작품들이 탄생하기도 합니다.


(현경업씨의 또다른 3D 모델링 작품인 ‘Luna’. 디테일 어휴)

반면 게임 모델링은 또 하나의 전문영역이라고 할 만 한데요, 실시간 연산이 중요한 게임의 특성상 ‘최소한의 폴리곤 갯수만 가지고도 아름다운 물체를 만들어내는’ 노하우가 매우매우 중요하기 때문입니다.  애초에 게임 모델링은 캐릭터 하나에 폴리곤 몇개 미만, 오브젝트 하나에 폴리곤 몇개 미만 등 제약을 걸어놓고 시작합니다. 그럼에도 불구하고 미묘한 버텍스 하나의 위치때문에 심미적으로 아름답고 아름답지 않고가 결정되기에 게임 모델러분들 또한 독자적인 영역을 구축하고 있으시다고 해도 과언이 아닙니다.


(귀여운 토끼티모님하… 폴리곤 4800개 정도 되더군요.)


(한복 아리는 9500개 정도…)

한국에는 전통적으로 뛰어난 모델링 아티스트가 많은 것으로 유명했는데요, 사실 한국에서 모델링이 강세라는 것이 좀 미묘한 면이 있는게, CG 가 전반적으로 상당한 기술연구와 개발을 요구하는 분야인데 여기에 대한 인프라나 시스템이 제대로 구축되지 않은 상황에서 가장 손쉽게 시작할 수 있는 분야가 모델링입니다. 다시 말해 특별한 기술없어도 시작할 수 있는 분야라는 이야기인데요, 전반적인 한국의 CG 분위기가 R&D 보다는 아티스트의 노가다에 의존하고, 때문에 아티스트가 자신의 역량을 드러낼 수 있는 기회보다는 단순반복작업에 많은 시간을 소모해야 해서 도태되거나 해외로 유출되는 현상을 단적으로 드러내보이는 것이 모델링 분야라 좀 씁쓸한 면도 있습니다.

뭐 이 정도로 모델링에 대한 설명을 마칠까 합니다. 궁금하거나 이상한 부분이 있으면 답글로 달아주시고요, 다음 시간에는 이렇게 만들어진 모델, 특히 캐릭터를 어떻게 움직일까. 캐릭터 리깅과 애니메이션에 대해서 다루어 보도록 하겠습니다.