왼쪽부터 김종현 디자인테크놀로지학과 교수, 박도희 디자인테크놀로지학과 학부생.

 

[대학저널 온종림 기자] 인하대학교 디자인테크놀로지학과 박도희 학부생이 김종현 교수의 지도를 받아 가상 캐릭터의 머리카락 움직임을 더욱 풍부하고 자연스럽게 표현할 수 있는 새로운 시뮬레이션 기술을 개발했다.

영화, 게임, 가상현실(VR), 디지털 휴먼 등에서 사실적인 머리카락을 표현하려면 수만에서 수십만 개에 이르는 머리카락 가닥의 움직임을 계산해야 한다. 그러나 모든 가닥을 물리적으로 직접 시뮬레이션하면 많은 계산 시간이 필요하기 때문에, 실제 제작 환경에서는 소수의 대표 머리카락인 ‘가이드 스트랜드’를 먼저 시뮬레이션한 뒤 그 움직임을 바탕으로 나머지 머리카락 가닥의 움직임을 계산해 채우는 보간 방식이 주로 활용된다.

이같은 방식은 대표 머리카락 가닥인 ‘가이드 스트랜드’ 두 개가 서로 반대 방향으로 움직일 때, 그 사이에 있는 머리카락의 움직임이 서로 상쇄되는 한계가 있었다. 머리카락이 자연스럽게 갈라지거나 흔들리는 표현이 약해지고, 곱슬머리의 부피와 형태가 지나치게 부드럽게 펴지는 문제가 나타났다.

연구팀이 개발한 ‘비선형 과장 커널’은 대표 머리카락의 움직임을 나머지 머리카락에 전달하는 과정에서 사라지기 쉬운 세밀한 움직임을 보완해 더욱 풍부하고 자연스러운 머리카락 움직임을 표현할 수 있도록 한 것이다.

또한 머리카락의 뿌리와 끝부분이 서로 다른 운동 특성을 가진다는 점을 반영했다. 과도한 움직임으로 머리카락 길이가 비정상적으로 늘어나는 것을 방지하기 위한 정규화·안정화 기술도 함께 개발했다.

이에 따라 다양한 머리카락 시뮬레이션 시스템과 콘텐츠 제작 환경에 비교적 간단하게 적용할 수 있다는 장점이 있다.

실험 결과, 기존 선형 보간 방식에서는 머리카락의 평균 곱슬 진폭이 가이드 머리카락보다 약 25.15% 감소했지만 제안된 방식은 진폭을 약 8.18% 향상시켜 곱슬머리의 부피와 세부 형태를 효과적으로 유지했다.

이번 기술은 디지털 휴먼과 가상 캐릭터의 머리카락 애니메이션을 비롯해 게임, 영화, VR·AR, 메타버스, 실시간 인터랙티브 콘텐츠 제작 등에 활용될 수 있다.

이번 연구는 박도희 학생이 제1저자, 김종현 교수가 교신저자로 참여해 국제학술지 PLOS ONE에 최근 게재됐다.

박도희 학생은 “학부 과정에서 전공 수업을 통해 배운 컴퓨터 그래픽스와 수학적 지식을 실제 연구 문제에 적용하고, 하나의 알고리즘을 논문으로 발전시키는 전 과정을 경험할 수 있어 뜻깊었다”라고 말했다.

김종현 교수는 “이번 성과는 학부생이 연구 아이디어의 구현과 실험을 주도하고 국제학술지 논문 작성까지 수행했다는 점에서 의미가 크다”라고 말했다.

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