3차원 모델링 (컴퓨터그래픽스운용기능사 필기)

3차원 그래픽스 개요

- 자동차의 충돌, 건물설계, 기계 등의 분야에서 사용한다.
- 3차원 그래픽의 점, 선, 면은 X, Y, Z 축을 중심으로 이동, 변형한다.
(X = 넓이, Y = 높이, Z = 깊이)
- 모델링 종류로는 와이어프레임, 서페이스, 솔리드, 파라매트릭스, 파티클 등이 있다.

모델링 제작 과정

- 모델링 → 투영 → 은면소거 → 쉐이딩 → 매핑 → 디스플레이

모델링의 종류

와이어프레임 모델(Wire-Frame Model)

- 물체를 선으로만 표현하는 방법이다.
- 처리속도는 빠르고, 구조가 간단하다.
- 물체의 부피, 무게, 실제감 등을 표현하기 어려운 표현 방식이다.
- 3D 프로그램의 모델링 기법 중 뼈대라는 의미를 가지며, 면과 면이 만나는 선만으로 입체를 형성하는 방법이다.

서페이스 모델(Sutface Model)

- 면에 대한 정보를 가지고 있으므로 그래픽에 관한 대부분의 문제를 해결할 수 있다.
- 와이어프레임과 솔리드의 중간으로서 스타일링뿐만 아니라 인간공학(인체공학) 등 어떤 디자인에서건 사용이 가능하다.
- 표면처리 방식의 모델링으로 매핑을 이용한다.

솔리드 모델(Solid Model)

- 내부까지도 꽉 차있는 입체로 속이 꽉 차 있어 수치 데이터 처리가 정확하여 제품생산을 위한 도면제작과 연계되어 있다.
- 보다 기본적인 단순한 입체이다. 예를 들자면 구, 육면체, 원기둥으로 이루어져 있다고 설명할 수 있을 것이다.
- 솔리드 모델에서 사용되고 있는 3차원 입체의 표현방법은 2가지로 표현된다. 경계표현과 CSG로 구분된다.

경계표현 방식	B-Rap 방식이라고도 한다. 입체를 경계면의 집합으로서 표시하는 방법이다.
CSG 방식	다면체나 원통의 기본적인 입체를 조합하는 것에 의해 하나의 복잡한 인체를 구성하는 방식이다.

 

파라매트릭스 모델(Parametrix Model)

- 수학적으로 계산되는 곡면처리 모델이다.
- CAD를 이용한 항공기, 자동차, 선박 등 설계 시 사용된다.
- 렌더링 시간이 오래 걸린다.

프랙탈 모델링

- 단순한 형태에서 출발하여 점차 복잡한 형상을 구축하는 기법으로 혹성이나 해안의 표현, 산, 구름 같은 자연물의 규칙적인 움직임을 표현한다.
- 대표적인 프로그램으로는 Bryce 3D가 있다.

파티클 모델링

- 게임의 특수 효과에 활용되는 기법이다.
- 불, 폭발, 연기 등의 자연현상을 표현하는 기법이다.

메타볼 모델링

- 동물, 액체 등의 상당히 실제적이고 유기적인 모양을 만들 수 있는 프로그램이다.
- 영화 쥬라기 공원의 공룡 제작에 사용되었다.
- 마치 수은방울이 서로 접촉하면서 서로 섞이는 특성으로 이루어져서 곡면, 액체 표현에 적합하다.
- 다각형 만들기에도 곡면보다 적은 데이터를 사용하면서 훨씬 부드러움을 강조할 수 있다.

폴리곤 모델링

- 다른 모델링 방법에 비해 시스템 자원을 적게 사용하기 때문에 빠른 작업속도로 다양한 모델을 만들 수 있다.

 

모델링 기법

사출법(Extrusion)

- 2D 물체에 높이를 주어 3D로 만드는 방식이다.

사각법(Beveling)

- 사출법과 같이 입체를 만드는 방법으로 모서리를 깎거나 다듬는 방식이다.

회전법(Revolving : Lathing)

- 2차원 모양을 그린 후 특정한 축을 중심으로 회전시켜 3D 모델을 얻는 방식이다.

스위핑(Sweeping)

- 회전하면서 전진하는 방식으로 단면의 크기를 변형시킬 수 있게 해주는 방식이다.

로프팅(Lofting)

- 평면으로 된 형태에 높이 값을 부여하여 만드는 모델링 기법으로 라인으로 경로(패스)를 만들어주고 나서 단면(Shape)을 적용하여 입체로 모델링하는 기법이다.

불린

- 3차원 모델링 과정에서 A, B 두 모델을 결합하여 새로운 모델을 제작할 때 수학적 개념을 이용하여 합치거나 빼는 모델링 방법이다.

합집합(Addition)	두 물체가 겹쳐지는 부분을 합하는 방식이다.
교집합(Intersection)	두 물체가 겹쳐지는 부분만 남기고 나머지 부분을 지우게 하는 방식이다.
차집합(Subtraction)	두 물체 A와 B가 있을 시, B를 제외한 A부분만을 남기는 방식이다.

 

컴퓨터그래픽스 렌더링

- 렌더링(Rendering)이란, 3차원 컴퓨터그래픽에서 3차원 물체에 색상, 명암, 재질, 그림자 등의 적용과 최종 이미지를 그리는 처리과정을 말한다. 3차원 환경을 2차원으로 렌더링하기 위해서는 색채, 빛, 카메라가 필요하다.

쉐이딩(Shading)

- 쉐이딩이란 물체에 입체감을 더하기 위해 빛으로 음영을 표현하는 것을 말한다. 빛의 방향, 거리의 어둡고 밝기 등에 따라 물체를 표현하여 입체감과 사실감을 더할 수 있다.

플랫 쉐이딩	단일 다각형으로 음영을 주는 기법으로서, 가장 단순한 방식으로 렌더링 속도가 빠르다.
고라우드 쉐이딩	플랫 쉐이딩과 퐁 쉐이딩의 중간 방식으로, 벡터를 인위적으로 조절하여 상대적으로 부드럽게 보인다.
퐁 쉐이딩	가장 사실적인 음영으로 부여할 수 있는 쉐이딩 기법으로 각 점에 전달되는 빛의 양을 계산하여 부드러운 곡선 표현이 가능하며, 반사와 그림자 등의 표현이 가능하기 때문에 실제감을 느낄 수 있다.
메탈 쉐이딩	금속의 재질감이나 반사를 얻을 수 있다.

 

매핑(Mapping)

- 이미지의 질감 처리를 의미하며 2D의 이미지를 3D 오브젝트에 표면(질감)을 입혀주는 것을 말한다. 매핑을 할 때 재질과 빛의 3대 요소로는 전확산, 전반사, 전투명이 있다.

이미지 매핑(Image Mapping)	- 3D 컴퓨터그래픽에서 특성(Texture)으로 제공되는 이미지 오브젝트의 표면처리에 사용하는 것이다. - 텍스터 매핑이라고도 한다. - 일반적으로 텍스처는 비트맵 그래픽으로 이루어져 있다.
범프 매핑(Bump Mapping)	- 3차원 렌더링 기법에 있어서 요철이 있는 면을 표현하기 위한 질감 전사 방법으로, 맵의 밝은 부분은 돌출되어 보이고 어두운 부분은 원래 표면에 가깝게 보이는 재질에 사용한다. - 이미지 매핑과 병용하여 사용하면 좀 더 현실감 있는 화성을 만들 수 있다. - 골프공 매핑이라고도 한다.
투명 매핑(Transparency Mapping)	- 매핑된 이미지의 명도 단계에 따라 객체의 투명도를 조절하는 방식이다.

 

반사 기법

레이트레이싱(Ray Tracing ; 광선 추적법)	- 렌더링 한 장면에서 각각의 광선들의 카메라에 다다를 때까지 추적하여 모든 빛을 계산해 내는 방식으로, 매우 정확한 반사와 굴절에 의해 표면의 질감과 명암은 물론 이미지를 만들어낸다. - 렌더링 시 광원에서 나오는 광선을 추적하여 물체에 반사율, 굴절률을 계산하는 렌더링 표현 방식이다.
리플렉션(Reflection)	레이트레이싱을 뺀 나머지 반사기법으로 물체에 빛이 비추어지는 부분을 반사하여 실제감을 부여하는 방식이다.

 

클리핑

- 컴퓨터의 도형처리에서 특정 영역을 설정하고, 그 영역을 벗어나는 부분의 모든 표현 대상요소를 렌더링에서 제외시키는 기법이다.

 

컴퓨터 애니메이션

- 애니메이션이란, 사물의 연속적 이미지를 컴퓨터를 이용해 만들어내는 것이다.
- "생명을 불어넣다"라는 어원을 가지고 있다.
- 정지된 영상이 빠른 속도로 지나갈 때 영상의 이미지는 마치 살아있는 듯한 착각을 주는데 그러한 착시를 이용한 매체가 애니메이션이다.
- 기본 단위는 프레임이다.
- 대한민국에서 채택하고 있는 NTSC 방식의 TV 화상은 초당 30프레임이다.
- NTSC(미국 텔레비전방송 규격심의회) TV 방송을 위해서는 720*486 사이즈가 적합하다. (....이것도 뭔가 이상하긴 한데...)

애니메이션의 종류

셀 애니메이션	- 여러 장의 정지되어 있는 그림을 빠르게 보여주어 그 잔상에 의해 움직이는 영상을 만들어 내는 것 - 셀이란 애니메이션 프레임을 구성하는 투명한 플라스틱 소재를 말한다.
컷아웃 애니메이션	- 실루엣과 그림자를 이용한 놀이에서 비롯되었다. - 종이 위에 형태를 그리고 잘라낸 다음 손으로 각각의 종이들을 직접 한 장면씩 움직여 가면서 촬영해 가는 기법이다.
로토스코핑 애니메이션	- 애니메이션 이미지를 실제 영상과 합성하는 방법으로서 실사 촬영한 인물 이미지와 캐릭터의 동작 이미지를 일치시키는 것이다. - 사물의 움직임을 연구할 때에도 유용하게 사용된다. - 너무 많은 동작에 적용하면 오히려 부자연스러운 효과를 낼 수 있다.
스톱모션	- 클레이 애니메이션이라고도 하며, 점성이 있는 찰흙을 소재로 인형을 만들고, 이 인형을 조금씩 움직여 한 컷씩 촬영해 연결하는 애니메이션 기법이다. - 영화 "월리스와 그로밋", "치킨 런" 등이 대표적인 스톱모션 애니메이션이다.
키프레임	- 컴퓨터를 통해 원하는 중요 장면을 생성하여 저장 매체에 저장하였다가 그 장면 사이에 변환되는 동작 내지 장면들을 수학적으로 생성하는 기술로서 애니메이션에서 중요한 지점만을 정의하면 이 사이의 나머지 장면 내용은 자동으로 만들어지는 방법이다. - 일러스트의 블렌드 효과와 동일한 효과로 포토샵과 플래시에서는 트위닝이라고 한다.
모션 캡쳐	- 장비를 이용하여 실제 배우 또는 동물의 움직임을 디지털화하는 기술이다. - 실제 인간의 손, 다리, 머리, 허리 등에 감지기를 부착하여 움직임을 기록하는데, 수집 방법으로는 기계식, 자기식, 광학식이 있다.
모핑(Morphing)	- 2차원 이미지나 3차원 이미지를 다른 형상으로 변환시키는 작업을 지칭하는 것으로, 한 사람의 얼굴을 다른 사람의 얼굴이나 동물의 얼굴 등으로 자연스럽게 바꿀 때 사용하는 기법이다. - 이미지 형태를 다른 이미지의 형태로 점차 변환되는 효과를 만드는 기능을 말하며 상업용 광고나 영화의 특수효과처리에 많이 활용된다.
3D 애니메이션	3차원 모델링 기법에 의한 애니메이션 제작 기법으로 슈렉, 벅스라이프, 토이스토리 등이 있다.

 

애니메이션 제작 과정

- 기획 → 스토리보드 → 제작 → 음향 및 합성 →레코딩

기획	애니메이션의 전체적인 목적을 수립하는 단계이다.
스토리보드	컴퓨터 애니메이션 작업에서 작업을 하는 사람과 사람 사이의 의사소통 수단이며, 일정한 형식은 없지만 연속되는 장면을 위주로 음악, 음향, 카메라, 물체, 빛 등의 움직임, 편집과정(또는 작업순서 등)을 제작 시 시행착오를 줄이기 위해 자세히 적어놓은 것이다.
제작	실제 애니메이션을 만드는 과정으로 어떤 기종의 컴퓨터와 소프트웨어를 사용할 것인지 결정하는 과정이다.
음향 및 합성	각 부분의 움직임과 내용에 따라 음악, 음향, 효과 등을 넣는 장면으로 각 부분의 모든 음악을 총괄
레코딩	최종 애니메이션을 기록하는 과정으로 VTR로 제작한다.