가상현실 캐릭터 디자인을 위한 “가상 인간” 구현 연구 :A Study on the Implementation of “Virtual Human” for Virtual Reality Character Design

왕신

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자료유형: 학위논문

저자정보: 왕신 (동서대학교, 동서대학교 일반대학원)

지도교수: 이병춘

발행연도: 2022

저작권: 동서대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

오늘날 기술과 경제가 끊임없이 발전함에 따라 사람과 관련된 과학 기술은 더욱 중시되기 시작했으며, 가상 인간은 아나운서, 아이돌, 게임 캐릭터 등 다방면에서 점차적으로 출현 빈도가 증가했다. 이와 같은 상황에서 사실감이 높은 가상 인간은 사람들로 하여금 더욱 높은 몰입감을 느끼도록 할 수 있다. 현 단계에서의 제작 기술 수준이 지속적으로 높아지고 있어 캐릭터 제작 효과도 나날이 좋아지고 있다. 거의 사람과 똑같은 수준까지 제작할 수 있어 실제로 다른 세계에 있는 듯한 효과를 구현한다. 따라서 가상현실 세계에서 사실감을 부여할 수 있는 가상 인간의 역할이 매우 중요하다. 그러나 현재 사실감 있는 가상 인간을 제작하는 데 많은 시간이 소요되고, 제작 속도가 느리다는 이유로 가상 인간이 활용되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 제작 절차의 개선이 현 단계에서 가장 시급히 해결해야 할 문제이며, 새로운 가상 인간 제작 기술을 연구하는 것이 필요하다고 판단된다. 본문에서 저자는 기존의 제작 기반에 근거하여 가상 인간 제작 기술에 대해 연구를 진행했다. 일반적인 제작 기술에서는 제작자가 ZBrush와 Maya 등의 소프트웨어를 사용하여 직접 가상 인간을 제작 하지만, 이러한 제작 방식에는 결점이 존재한다. 예컨대 제작시간이 비교적 길고, 사실감이 부족하다는 등의 문제점이 있으며, 이를 해
결하기 위해 저자는 가상 인간이 실제와 거의 동일하게 구현될 수 있도록 카메라를 사용하여 실제 인물을 촬영하고, Photoscan을 이용하여 실제 인물과 유사한 가상 인간을 제작하여 유저로 하여금 더욱 사실감을 느낄 수 있도록 했다. 하지만 첨단 장비를 갖춘 전문 제작자 외에도 휴대전화나 일반 카메라로만 촬영하는 사람이 많다，그들이 촬영한 사진은 곧바로 Photoscan에서 최적화된 모델링을 제작하지는 못한다. 따라서 촬영한 사진에 별도의 처리를 진행해야 하는데, Adobe Lightroom 혹은 Photoshop을 이용해 사진의 선명도를 높이고, 노이즈를 줄여줌으로써 사진의 정밀도를 높일 수 있다. 또한 본 연구에서는 제작 프로세스를 최적화하고 3D 스캐닝 기술을 활용하여 유저 자신만의 가상 인간을 생성하여 가상 인간을 더욱 실감 나게 만들 수 있도록 했다. 본 논문에서는 먼저 Photscan 사용하여 가상 인간 기반 모델링 도출하고, ZBrush에서 모델링에 대한 수정을 진행했다. 토폴로지 제작과정에서 수정을 할 수 있는 부분을 찾아내고, 각기 다른 제작 방법과 비교하여 더욱 나은 방법을 찾아 개선함으로써 제작 속도를 높일 수 있었다. 둘째, 가상 인간의 제작에서 인물의 사실감은 피부 상태에서 나타난다. 실제 인물과 같이 반사되는 피부 재질을 제작할 때는 Substance Painter, ZBrush, Photoshop에 대한 연구를 진행하여 비교 제작하였다. 또한 sss1) 재질의 원리와 제작방법을 연구하고, 다양한 소프트웨어와 결합하여 더욱 실감 나게 피부를 표현할 수 있는 sss 텍스처를 도출하였다. 또한 캐릭터의 텍스처 맵도 중요한 부분으로 Substance Painter, Mari와 ZBrush에 대한 비교를 통해 더욱 우수한 텍스처 맵을 도출 하였다. 셋째, Unreal Engine 4에서 렌더링 테스트를 진행하여 가장 사실적인 가상 인간의 효과를 도출하였다. 본 연구에서는 가상 인간에 대한 선행연구의 분석을 통해 가상 인간을 정의하였고 제작 기법에 대한 연구를 바탕으로 현재의 기술적 한계를 극복하고 새로운 제작 파이프라인을 제안하였다.

There are many technical difficulties in reducing virtual humans in a 1:1 ratio, so it is worth challenging. The human perspective reacts very sensitively to the same kind of image, especially the face, and is likely to fall into “Uncanny Valley”, a step that gradually resembles humans and feels unpleasant. Therefore, how to
technically overcome these problems and produce more realistic virtual humans is a problem facing current production research. At the same time, the researcher wants to find out how to reduce the production cost of virtual humans and lower the production threshold so that more people can participate in the development of the virtual world. Thus, this researcher conducted a comparative study based on the current production method. Virtual humans are receiving positive responses from many people because they are not violated by
privacy or limited time and space. Through the survey, it was found that the current manufacturing process was "making basic modeling using Zbrush and Maya → progressing topology using TopoGun →
manufacturing UV using Maya → manufacturing texture using Mari → rendering using Arnold." Virtual humans produced in this way have high realism, but because production costs are too high and it is difficult to use universally, this researcher achieved the ultimate goal of improving production efficiency and reducing production costs by conducting production and analysis of the overall process.
First, using low-resolution photos, without taking a 360-degree panoramic photo, the model made using Photoscan is not complete. Therefore, you should try to make adjustments in Photoscan, and use the most complete part to modify in ZBrush, so as to solve the completeness of the model.Second, in order to improve the speed and quality of the Topology,
the author tried a variety of methods. To solve the problem of manual Topology, the author was troubled for a long time.
We produced and studied modeling of "virtual humans" using Photoscan, a new virtual human production technology method, and solved difficult problems that cannot be produced exactly like real people in general
production technology. In particular, it was possible to solve problems such as reducing realism because it was different from the user''s actual image, and it was possible to have its own characteristics. As a result of the study, if the accuracy of the picture is high, more precise modeling can be derived, and the time cost of virtual human production is greatly reduced, accuracy is high, and simple. The user''s own characteristics can be implemented to derive modeling that is close to perfection, which is an advantage in virtual human production. In addition, it was possible to improve the realism of virtual humans and derive better modeling. If the purpose of the project requires the best virtual human, this research data, a new way of virtual human pipeline that can use a camera to take pictures of people and extract 3D data using Photoscan, is of great significance in enhancing the reality of virtual humans. In the subsequent production process, the work was done more quickly using ZBrush, and the texture was produced using the ZWrap plug-in to make the skin texture more realistic.
In addition, by rendering in Unreal Engine 4, the actual effects in the game could be seen better through simulation. So, a new manufacturing process can be understood by "manufacturing basic modeling using Photoscan, Zbrush and Maya → progressing topology using Zbrush → UV manufacturing using ZWrap → rendering using Unreal Engine 4.“
If the existing pipeline and new production methods are used to obtain an efficient production process for virtual human realism and reality, more delicate work and usage plans are required, but <Table 11> shows a clear time difference.
Through this study, it was clearly seen that the high quality of virtual human production was improved, and the production speed was improved by supplementing all stages of the new process. While the production time of the existing method takes a total of 17 days, the new type of pipeline using photo scan saved a tremendous amount of time of 8 days. In addition, labor costs account for a relatively high proportion of the production environment. Therefore, time saving is directly related to the budget. According to "Opensali," the average annual salary of the game company Top 10 is more than 35 million won. Therefore, the average junior producer''s daily salary is about 110,000 won. As the production period has been reduced, the total production cost has decreased significantly from 2.09 million won to 1.1 million won. At the same time, no advanced equipment was required in the new process. Since each advanced camera costs about 1 million won, it can save money. Therefore, applying a new production process is of great significance in that investment in these areas can be reduced, and the threshold for virtual human production can be lowered and the scope of application can be expanded through the new production process.

표 목 차 ⅲ
그 림 목 차 ⅲ
국 문 요 약 ⅳ
1. 서 론 1
1.1 연구 필요성 및 목적 1
1.2 연구방법 2
2. 가상 인간의 선행 연구 4
2.1 가상 인간 구현이 필요한 실감미디어 기술 4
2.1.1 Augmented Reality(AR) 4
2.1.2 Virtual reality(VR) 5
2.1.3 Mixed Reality(MR) 7
2.1.4 Extended Reality(XR) 8
2.2 가상 인간의 발전단계 9
2.2.1 가상 인간의 정의 9
2.2.2 가상 인간의 발전역사 12
2.3 가상 인간의 기존 제작 기술 소개 15
2.3.1 한국，중국，미국제작 기술의 비교 연구 15
2.4 사실적인 가상 인간의 필요성 18
3. 기존 방식의 가상 인간 제작 연구 21
3.1 가상 인간 모델링 제작 21 3.1.1 현 단계 기초 제작 프로세스 조사 21
3.2 기초 제작 프로세스 제작 단계 26
3.2.1 3D Modeling 제작 단계 26
3.2.2 토폴로지 제작 단계 27
3.2.3 UV 제작 단계 28
3.2.4 Texture Mapping 제작 단계 30
3.2.5 렌더링 단계 30
4. 사실적인 가상 인간 제작 연구 31
4.1 가상 인간 제작 연구 의미와 기대 효과 31
4.1.1 연구의 의미 31
4.1.2 실 제작의 기대 효과 32
4.2 사실적인 가상 인간 모델링 제작 35
4.2.1 Photoscan로 모델링의 제작 35
4.2.2 ZBrush에서의 모델링 수정 39
4.3 사실적인 가상 인간 텍스처 제작 41
4.3.1 SSS텍스처의 원리와 제작 방법 41
4.3.2 mari와 ZBrush의 텍스처 제작 비교 44
4.3.3 Substance Painter의서 텍스처의 제작 48
4.3.4 머리카락 제작 50
4.3.5 실제 안구 제작 53
4.4 Unreal Engine 4를 기반으로 한 렌더링 57
4.5 기존 방식과 새로운 방식의 비교 분석 59
5. 결 론 62
참고문헌 65
ABSTRACT 67

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