A Benchmarking on Rendering Systems for Animation

A Benchmarking on Rendering Systems for Animation

이충환( C.H. Lee ) 최정주( J.J. Choi ) 이의택( E.T. Lee )

시각정보연구팀선임연구원 시각정보연구팀선임연구원

가상현실연구개발센터 책임연구원, 부장

본 고에서는 삼차원 애니메이션을 위한 렌더링 시스템에 대한 기술동향을 분석한다. 이를 위해 렌더링을 지원하는 상용 애니메이션 소프트웨어들에 대한 최신 동향 및 이들 중 현재 고가와 중저가 시장을 주도하 고 있는 Alias/Wavefront Maya

와 Kinetix 3D Studio Max

를 중심으로 렌더링 기능들을 분석하고 성 능평가 한다. 이를 위해 렌더링 기능으로서 Rendering Editor, Material, Lights, Textures, Ray-Trac- i n g 및 S h a d o w , 카메라 및 기타 등에 대해서 각각의 기능들에 대한 특징 및 성능 등에 대해서 언급한다.

마지막으로 본 고는 두 상용 시스템에 대한 다면체 렌더링 기능별 분류 및 그 성능평가에 대해서 벤치마 킹 표로 요약・제시하며 끝을 맺는다.

I . ^{개 요}

렌더링( r e n d e r i n g )은컴퓨터애니메이션을얻기 위한 최종 단계의 작업으로 모델링 및 동작을 입 히기위한애니메이션작업에의해생성된삼차원 s c e n e (장면)을 실세계의 모습과 유사하도록 영상 을 얻어내는 일련의 과정이다. 이를 위해서는 카 메라 및 배경의 제어, 라이트 제어와 같은 물리적 모델의 제어 및 구성과 영상을 얻어내기 위한 다 양한 렌더링 방법 그리고 사실적인 효과를 주기 위한특수 효과적인 기술들이 복합적으로 필요하 다. 한편 이와 같이 복잡한 렌더링 시스템의 구현 을 위해 고려되어야 할 요구사항들을 시스템적인 관점에서살펴보면다음과같은것들이있다[ 1 ] .

먼저렌더링 시스템은 앞에서언급되었듯이다

양한 실세계의 장면을 얻어낼 수 있어야 하며, 또 한 이를 얻기 위한 애니메이터들의 상상력을 충 분히 지원할 수 있어야 한다. 이를 위해서 렌더링 시스템은 가능한 유연한(flexible) 구조로 구성되 어야한다. 이는 다양한 쉐이더( s h a d e r )를구현하 기 위한 방법을 제공해야 하며, 이의 지원을 시스 템이 제한해서는 안된다는 것이다. 이를 위한 방 법들로는 A P I와같은고급사용자들이자신이원 하는 쉐이더 등을 구현할 수 있는 메커니즘의 제 공을 들 수 있으며, 실제 이를 구현하기 위한 방 법들로는 Alias Renderer의“Hierarchical Layerd Shader," Wavefront Explore의“Shader Maker,"

P I X A R의“Renderman Shading Language" 등을 들수있다[1].

둘째로 렌더링의 목표는 궁극적으로 애니메이

전자통신동향분석 제 1 4 권 제 3 호 1 9 9 9 년 6 월

션과같은디지털컨텐트를제작하는데있으므로 이처럼 제작된 컨텐트 영상의 질이 실제 원하는 수준을만족해야한다는것이다. 일례로애니메이 션의제작시영상의질, 즉 a n t i - a l i a s i n g과같이 일 련의제작과정에서생성되는영상물의화질이균 일한 상태로 유지되도록 하는 메커니즘 없이 제 작된 영상물은 보는 이로 하여금 불편함을 줄 수 있다. 이와 같이 렌더링 되는 일련의 영상에 대해 서 영상의 질을 균일하게 컨트롤 하기 위한 a n t i - a l i a s i n g과같은기술이지원되어야하겠다.

셋째로 현재 제작되는 애니메이션이 갈수록 복 잡한모델과기술들이적용되어렌더링되어야하 므로 이의 적절한 지원을 위한 고려가 있어야 하 겠다. 즉 렌더링 속도와 렌더링을 하기 위한 자원 즉 시스템 메모리 등의 효율적인 관리를 위한 방 법들이적용되어야한다. 속도를위해서는다양한 최적화렌더링방법들에대한지원과하드웨어등 을이용한Batch 렌더링등이지원되어야하며, 자 원의효율적인이용을위해점진적인렌더링영상 획득, 수정과같은기법등이지원되어야하겠다.

마지막으로 렌더링 시스템은 사실적인 영상을 얻기 위해 다양한 특수효과 기법을 제공해야 하 며, 또한 이를 지원함에 있어서 가능한 단일 시스 템 하에서 많은 기법들이 지원되는 것이 바람직 하다. 이는 일반적인 Global I l l u m i n a t i o n을 위한 R a d i a n c e, Ray-Trace Style의 영상을 위한 S o f t - I m a g e의 M e n t a l R a y [ 2 ]와 같이 특수한 용도로 따 로 제작된 렌더링 시스템의 경우 그 용도에 대해 서는우수한성능을보이지만다른용도의간단한 효과를 위해서 사용하기에는 문제를 안고 있다.

따라서 가능한 통합된 렌더링 환경 하에서 다양 한 효과를 제공할 수 있는 렌더링 시스템이 바람 직하겠다.

본 고에서는 위와 같은 렌더링 시스템의 요구

조건을 염두에 두고, 현재 사용되고 있는 렌더링 시스템들의 기능들에 대해서 분석해보기로 한다.

이를위해서제I I장에서는먼저저, 중, 고가에이르 는 상용 시스템들에 대한 동향분석 및 특징들에 대해서 언급하고, 제I I I장에서는 이들 중・저가시 장의 선두주자인 Kinetix 3D Studio Max

와 최근 출시되어 고가시장을 이끌고 있는 A l i a s / W a v e - front Maya

의비교・분석을통해렌더링시스템 의 기능들에서 정의해 본다. 제I V장에서는 실제 두 시스템의 수행과 비교를 통해 얻어진 벤치마 킹결과를토대로 제I I I장에 언급된비교・분석의 결과를 요약・정리하고 마지막으로 제V장에서 결론을맺는다.

I I . ^{상용 시스템들 고찰}

애니메이션을 위한 렌더링 상용 시스템들로는 먼저저가의영화, 필름과CF 등고기능의렌더링 보다는 w e b과같은인터넷상의그래픽을위한저 가형 시스템들로 Photoshop 3D Effects,

U l e a d Photo Impact,

Ulead Cool 3D

를들수있다. 이들 은 I장에서 언급된 바와 같은 요구조건을 만족하 는렌더링시스템들이라기보다는단순히영상에 간단한 삼차원 효과를 입힌다든지, 혹은 글씨에 대해3차원효과및애니메이션을줄수있는네트 워크 응용을 위한 시스템들이다. 그렇지만 이들 저가형시스템들의특징을보면빠른속도로기존 의고기능 시스템들이 지원하는기능들을이식해 가고 있으며, 앞으로도 계속해서 많은 삼차원 렌 더링기법들이이들시스템에이식될추세이다.

다음으로, LightScape,

P o v - R a y ,

Ray Dream

S t u d i o

와 같은 중저가형 렌더링 시스템들은 다

른 범용 그래픽 시스템과는 달리 렌더링 중심의

시스템들로 구분해 볼 수 있으며, API와 같은 유

애니메이션을 위한 렌더링 시스템 동향분석

연한 인터페이스들보다는 R a y - T r a c i n g과 같이 기존의 저가형 렌더링 시스템에서 찾아볼 수 없 었던고기능렌더링들을일반 사용자들에게쉽게 제공하고자하는시스템들로볼수있다.

한편, NewTeK LightWave,

Kinetix 3D Studio M a x

[3, 4]와 최근 발표된 Robert McNeel &

A s s o c i a t e s의Rhino[5], ANIMATION: MASTER '98 등은 중저가의 캐릭터 모델링, 애니메이션, 렌 더링시스템들로서비교적고기능의렌더링효과 를 얻을 수있는 시스템들이다. 그러나최근 S I G - GRAPH '98에서 처음으로 상용버전의제품으로 출시된 R h i n o의 경우는 기존의 중저가 시장의 모 델링소프트웨어에서찾아보기힘들었던 N U R B S 를기반으로 NURBS 모델링에 초점을 맞춰 개발 된 제품으로 단순히 빠르고 보기 좋은 영상을 얻 기 위한, 쉐이딩, 텍스처/범프 매핑, 쉐도우와 같 은기능들을제공하며, Reflection/Refraction과같 은Ray-Tracing 효과는제공하지않는다.

고가의 애니메이션을 위한 통합환경을 제공하 는시스템들로는Avid SoftImage[2, 6–8 ]와 A l i a s / Wavefront Maya[9, 10] 등이있으며, 렌더링기능 을전문적으로제공하는P I X A R의Renderman 등 이 있다. Alias/Wavefront의 M a y a [ 1 0 ]는 기존의 P o w e r A n i m a t o r

의 모델링, 렌더링, 애니메이션, 사용자 인터페이스에 Advanced Visualizer,

E x - p l o r e ,

3D Design,

D y n a m a t i o n

등 기존의 A l i - a s / W a v e f r o n t의제품군들중시장을선점하고있 는 다양한 제품들의 진보된 기능들을 하나의 단 일시스템으로통합한시스템이다. Maya는S G I의 그래픽스 워크스테이션 환경을 탈피해서 W i n - dows NT 환경의 제품으로 SIGGRAPH '98에서 처음으로 출시되었다. 한편 M a y a의 렌더러는 기 존의 Explore 렌더러와 Alias 렌더러의 P r o c e d u r a l Shading Language, Software Particle Rendering,

Shadermake 등의기존의기능성( f u n c t i o n a l i t y )을 제공하지만, 실제 이의 구현과 제I장에서 언급된 요구사항을충족시키기위해서완전히다른구조 로 1 9 9 5년부터개발이시작되었다. 먼저유연하고 사용자들의독자적인쉐이더등을지원하기위한 구조로 노드들의“Maya Dependency Graph ( D G ) "로 이루어진 쉐이딩 네트워크를 채택하였 으며, 또한 렌더링 된 출력의 일관성을 유지하기 위한 anti-aliasing 메커니즘으로“Atomic Super Sampling" 방법을채택하고있다[1]. 성능향상의 측면에서는 쿼드트리 형태의 tile 단위의 영상 분 할구조및 Depth-Mapped Shadow, Vectorization, Swapping, Block Order Texture(BOT) 등 속도향 상을 위한 최적화 방법들을 제공하고 있다. 렌더 링의효과측면에서도기존의 P I X A R의 P h o t o r e - alistic RenderMan이나3D Studio Max Renderer 등 에서는 제공하지 않는“Shadow Rays(secondary rays) Tracing" 등을지원하고있다[ 1 ] .

한편 기존의 P o w erA n i m a t o r

와 더불어 W i n - dows NT 기반의 시스템으로 고가의 시스템으로 서주목을끌었던 S o f t I m a g e

는 S O F T I M A G EⓇ

|3D v3.8 이후“Sumatra(code name)"[6] 라는차세

대모델링, 렌더링, 애니메이션플랫폼을개발하고

있으며, 이를 기반으로하는 렌더러로서“T w i s t e r

(code name)"[11]라는 제품을 개발하고 있다. 실

제로 렌더러의 주요 특징을 살펴보면 기존의

S o f t I m a g e

가다른제품들에비해강점으로가지

고있던3차원텍스처페인팅등과더불어사용자

와의 interactive rendering 기능 등에 대해서 중점

을두고있으며, 기존의Ray-Tracing 영상을생성

하기위한“Mental Ray(ver2.0)"의기능을향상시

키는것등에초점을맞추고있다. 다음은T w i s t e r

의개괄적인기능규격으로차세대렌더링시스템

의동향을파악하는데도움을줄수있다[ 1 1 ] .

전자통신동향분석 제 1 4 권 제 3 호 1 9 9 9 년 6 월

●

Interactive Rendering: motion blur and shadow m a p p i n g과 같은 고기능 렌더링이 사용자와 상 호작용이 가능하도록 지원. 일부 이러한 기능들 은 이미 Maya 렌더러에서 하드웨어 렌더링 기 능들로지원하고있음.

●

Next-Generation Photorealism: 기존의 m e n t a l - r a y에 depth-map shadows, scanline motion-blur, polygon displacement, support for caustics, light diffusion around a scene 등과같은고기능을첨가.

●

Plug-and-Play Visual Effects: 다양한시각효과 들은물론, 쉐이딩효과를 얻기 위해 M a y a와 비 슷한 노드형태의 구조와 RenderTree 에디터 등 과같은편집기제공.

●

Multi-pass Output: 전체 장면단위로 다중 카메 라들이 다른 해상도, duration, 혹은 output for- mat 등의출력을낼수있도록하는것으로이는 shadow, matte, reflection과 같은 작업에 효율적 임.

●

True Distributed Rendering: production 렌더링에 필수적인것으로scalable, multi-threaded 렌더링 및 분산된 다중 C P U를 이용한 렌더링 등을 지 원해서 복잡한 애니메이션의 렌더링 작업을 빠 른속도에수행할수있도록하는기능제공.

I I I . 렌더링 시스템 기능분석

본장에서는모델링 및애니메이션소프트웨어 내부에표현된자료구조를출력장치를통하여사 용자에게 보여주기 위한 렌더링 기능에 대하여 3D Studio Max

와 M a y a

를중심으로비교, 성능 평가를통해렌더링시스템의기능에대해서분석 한다. 일반적으로 렌더링은 모델링 및 애니메이 션 작업 도중에 화면에 표시하는 것을 포함할 수

있다. 대개의 경우 선분의 연결로 표현하는 w i r e - frame, graud shading을하는smooth, 면의법선벡 터를사용하여s h a d i n g하는facet mode, shading된 f a c e t과 w i r e f r a m e을 동시에 보여주는 모드들을 제공하고각기highlight mode를결합하여사용할 수 있도록 하고 있다. 소프트웨어를 사용하는 컴 퓨터에 그래픽 가속장치가 지원되는 경우 각 모 드에lighting 이나hardware texturing을병행지원 하는데, 이는 소프트웨어 자체의 성능과는 별다 른연관관계가없다고볼수있다. Maya의경우는 물체를 반투명하게 표시하여 모델링 작업 시 깊 이(depth) 관계를 쉽게 파악할 수 있는 X-ray 렌 더링기능을제공하고있다.

본장에서는애니메이션영상을 제작하기 위한 production rendering에초점을맞추어대상소프트 웨어를비교하는방향으로설명한다

1 . Rendering Editor

물체의 렌더링을 위하여 필요한 질감, 무늬, 광

원, 카메라 등의 렌더링 요소에 대한 인자를 설정

하고 각 렌더링 요소 사이의 연결관계, 렌더링 요

소와물체와의연결관계를편집하기위한렌더링

편집기가 필요하다. Maya의경우각렌더링요소

를 M u l t i l i s t e r라는하나의편집기를사용하여표현

하고있다(그림1). Maya는노드라는독특한구조

를 바탕으로 렌더링을 기술하는데, 하나의 s h a d -

ing group이라는노드에질감, 무늬, 광원을연결하

고, shading group을물체에할당하여렌더링을수

행한다. 따라서shading group을구성하는각요소

의인자를편집하면즉시물체의렌더링에반영될

수 있는 구조를 가지고 있다. M a y a에서는 s h a d -

ing group을 구성하는 요소를 생성하고 표현하기

위하여 M u l t i l i s e r를 사용하며, 각 요소의 인자를

변경하기위하여Attribute Editor, 각요소사이의 연결및렌더링되는물체와의연결을제어하기위 하여 Connection Editor, Relationship Panel 및 H y p e r g r a p h라는 편집기를 각각 사용하고 있다 (그림 1). 특히 이들 편집기에서는 연결구조를 drag-and-drop 기능을 사용하여 쉽게 설정할 수 있도록 사용자에게 많은 배려를 하고 있다. 실제 로 이러한 편집기들은 Maya 렌더러가 쉐이더의 경우도 노드를 기본으로 하는 D G로 구조화되어 있기때문에가능한것으로, 실제이러한 D G를편

집 혹은 사용자가 추가하여 만들어 낼 수 있는 쉐 이더의 수는 무한한 것으로 여타 다른 진보된 렌 더러들도이와유사한구조를사용하여렌더러에 유연성을제공한다.

사용자는 어떠한 물체를 렌더링 하고자 할 때, 먼저Multilister 상에서하나의shading group을생 성하고, shading group에서 질감 및 무늬, 광원을 각기생성하며이때기본적인연결구조가자동으 로생성된다. 이렇게생성된shading group의각요 소에 대하여 Attribute Editor를 통하여 인자를 수 애니메이션을 위한 렌더링 시스템 동향분석

(그림 1 ) M a y a 의 M u l t i l i s t e r 와 Hypergraph(Maya Help [ 8 ] 파일 참조)

정할수있고 최종적으로 shading group이만들어 지면 물체에 할당하여 렌더링을 위한 편집 작업 이완결된다.

한편3D Studio Max(이하 M a x로약칭)의경우 M a y a의 M u l t i l i s t에해당하는부분으로는(그림 2 ) 의Material Editor와Material Browser 및 N a v i g a t o r 를 들 수 있다. Max는 M a y a와 달리 쉐이더에 대 한그래프구조를 가지지 않고대신material 단위 의 객체를 유지하며, 각 m a t e r i a l에 대한파라미터 들을조절함으로써쉐이딩효과를제어하게된다.

또한 M a x는 이러한 쉐이더에 해당하는 m a t e r i a l

객체들을(그림2 )에보이는 b r o w s e r의library 형태 로제공함으로써사용자에게유연성( f l e x i b i l i t y )을 제공한다. 이러한 l i b r a r y는사용자의정의에 의해 서 추가, 삭제될 수 있는 구조로 다양한 쉐이더의 구현메커니즘을제공한다. 그러나, 이러한 m a t e - rial library를추가하거나편집할때사용자에게제 공되는자유도는 M a y a의Hypergraph Editor에비 해서는 그 편리함에 있어서 한계를 가지고 있다.

또한Material Editor 자체의사용에있어서도, ma- t e r i a l의할당등에“Shading Group Button"과같은 m a n i p u l a t o r를 제공하는 M a y a에 비해 그 편리성 전자통신동향분석 제 1 4 권 제 3 호 1 9 9 9 년 6 월

(그림 2 ) 3D Studio Max 의 Material Editor 및 Material/Map Browser 와 N a v i g a t o r

이떨어진다고하겠다.

2 . M a t e r i a l

질감 표현을 위하여 M a y a는 물체의 표면을 위 한8종류의surface material, 입체를위한4가지v o l - umetric material과하나의displacement shader를제 공한다. 비교적 단순한 금속성 표면의 표현을 위 한 Blinn Shader, 광택이 없는 비반사체를 위한 Lambert Shader, 유리나반짝이는 플라스틱 표면 을위한Phong Shader를기본적인표면질감표현 을위한쉐이더로사용한다. 이들을확장하여계층 적으로 쉐이더를 사용하기 위한 Layered Shader, Phong Shader에 거칠기 및 highlight 영역 조절을 추가한 Phong E, 기본적인 쉐이더에 shading map 의색상을 추가한Shading Map Shader, 실제로특 별한기능을제공하지않으나, 다른 shading group 과의 연결 혹은 물체의 특정한 특성과 연결을 위 한Surface Shader, 배경을shading group에연결하 는Background Shader를제공한다. 입체의질감표 현은 주로 안개, 구름과 같이 환경적 특성에 대한 쉐이더를제공하고, Displacement Shader는물체에 bump map과 같이 오목 볼록한 특성을 부여하기 위한쉐이더를제공한다.

한편 M a x의 경우는 위에서 언급했듯이 쉐이더 를 위한 객체로서 m a t e r i a l들을 제공하며, 기본적 으로 시스템이 제공하는 이런 m a t e r i a l들의 수는 M a y a에서기본적으로제공되는쉐이더들보다훨 씬 많다. 따라서 렌더링에 경험이 없는 초보자들 이사용하기에는 M a x의경우가훨씬쉽다고말할 수 있지만, 그 쉐이더들을 조작하고 편집하고, 또 한특별한기능의쉐이더를추가한다든지하는전 문적인 렌더링 작업의 편의성에서는 M a y a의 쉐 이더구조가훨씬탁월하다고할수있다.

3 . L i g h t s

렌더링을사용하여영상물을얻기 위하여광원 의 종류 및 배치를 설정한다. Maya에서는 4가지 의광원종류를선택하여배치할수있다. 모든방 향으로 한 점에서 거리에 무관한 환경적 특성만 을갖는단순한Ambient Light, 위치정보없이방 향성만을 갖고 색상과 강도만을 갖는 D i r e c t i o n a l Light, 한점에서모든방향으로거리에따라서강 도가 변하는 Point Light, 위치와 방향, 조명 범위, 강도변화를모두갖는Spot Light를제공한다.

이상 4개의 광원 종류는 렌더링 기능에서는 기 본적으로 제공하는 것이다. 그러나 사용의 편의 성에서 보면 M a y a는 광원과 물체의 연결을 위한 Relationship Panel을 제공하고 광원의 위치에서 물체를 볼 수 있도록 하여 광원의 위치를 쉽게 지 정할수있도록하는Look Through Selected 기능, 광원의 종류에 따른 특성을 쉽게 조절할 수 있도 록도와주는Manipulator 기능등사용자편의성에 많은노력을기울였다. 이같이사용자와의상호작 용에 있어서 Manipulator, 즉 삼차원 위젯( w i d - g e t )을이용한인터페이스는M a y a의경우 l i g h t에 만 국한되는 것이 아니라, 모델링, 애니메이션 등 사용자와의 상호작용에서 편의성이 요구되는 곳 에일관되게사용되고있다(그림3).

한편 M a x의 경우는 M a y a와는 달리 Spot, Di-

rectional, Ambient(omni)의 3종류의 광원과 광원

의 제어 종류에 따라 S p o t과 Directional 광원의 경

우Free/Target 두종류로구분하고있다. 또한광

원에 따른 뷰( v i e w )를 제어하기 위한 (그림 4 )의

윗쪽에 보이는 것과 같은 특별한 툴들을 가지고

있다. 즉광원에의한뷰를설정시이러한 t o o l b o x

들이 나타나서 이들을 가지고 뷰를 제어하는 것

이다. 그러나, 광원의 종류나 제어 툴들을 보면

M a y a와비교해서더많다고할수있으나, 실제로

애니메이션을 위한 렌더링 시스템 동향분석

사용자의 편의성 및 제어도 측면에서는 M a y a의 인터페이스가더직관적이며, 일관된편리성을제 공한다고할수있다.

4 . T e x t u r e s

물체표면의외관( a p p e a r a n c e )을보다다양하게 변화시키기 위하여 텍스처( t e x t u r e )를 사용한다.

M a y a에서 텍스처는 물체의 쉐이더와 결합하여 사용하며, 일반적으로 쉐이더의 c o l o r, t r a n s p a r - ency, ambient/specular/reflected color, 혹은 b u m p map 등에 연결하여 사용한다. 텍스처로는 대개 미리 정의된 그림이나 사용자의 그림파일을 사 용하며, 텍스처를 물체에 어떻게 입혀서 사용할 수있는가(텍스처매핑)의기능이중요한기능상 의고려대상이다. Maya는텍스처매핑을기본적 인 모델링과 다름없이 수행할 수 있다. 매핑 좌표 계로planar, spherical, cylindrical 등을사용할수있 다. 일반적으로 텍스처는 2 D인 경우가 일반적이 고물체는3차원에존재하고굴곡이심할수있기 때문에 매핑 좌표계를 써서 단번에 좋은 결과를 얻기가 매우 어렵다. 특히 모델이 자유곡면으로 이루어져서 2D parametric domain이 존재하는 경

우가 아닌 다면체 모델의 경우 이러한 문제는 더 욱 심각하게 발생할 수 있다. Maya는 이런 문제 를 해결하기 위하여 Texture View Editor를 제공 하고, 이를 사용하여 텍스처를 매우 정교한 수준 에서 매핑할 수 있도록 하고 있다. 또한 M a y a에 서는기존의2D 텍스처에비하여3차원으로의매 핑이 비교적 자유로운 Solid 텍스처(혹은 3D 텍스 처)를제공한다. 또한Reflection Map 혹은C a m e r a I m a g e P l a n e과 함께사용할수 있는 E n v i r o n m e n t 전자통신동향분석 제 1 4 권 제 3 호 1 9 9 9 년 6 월

(그림 3 ) M a y a 의 광원종류와 M u l t i l i s t e r 에의 광원표현( Maya Help [ 8 ] 참조)

(그림 4 ) 3D Studio Max 의 광원의 종류 및 광원에 따른

뷰 제어를 위한 툴박스

S p o t P o i n t D i r e c t i o n a l

A m b i e n t

Target S p o t

F r e e S p o t F r e e

D i r e c t T a r g e t

D i r e c t

O m n i

T e x t u r e s와같이강화된기능도함께제공한다.

기능적측면에서M a x는 M a y a와비슷한기능을 제공한다. 구조적인 차이점에 의해 특별히 M a y a 의texture shader group과같은것은없지만, mate- r i a l에서 다양한 종류의 텍스처링 m a t e r i a l들을 지 원하며, 특히 Solid 텍스처와 같은 기능도 이와 같 은 방법에 의해서 제공한다. 매핑의 제어를 위해 서는 UVW modifier와 같은 M a y a의 m a n i p u l a t o r 를제공하기도한다. 그러나M a y a의Texture V i e w E d i t o r와 같이 정교한 매핑을 위한 편집기들은 제 공되지않는다.

한편, Maya와Max 공히 S o f t I m a g e의통합환경 에서제공되는3D Texture Painting과같이텍스처 를 삼차원 모델에 사용자가 i n t e r a c t i v e하게 p a i n t 하듯이 매핑할 수 있는 기능은 제공되지 않으며, 두 시스템 모두 외부의 다른 소프트웨어 혹은 plug-in 소프트웨어로 이를 지원하고 있다. Maya 의경우는 A l i a s / W a v e f r o n t의“3D Studio Paint"에 wire 형태의 모델을 e x p o r t해서 여기서 위에 설명 된바와 같은 매핑을 할수있으며, Max의경우는

“4D Paint"라고 하는 plug-in 소프트웨어를 통해 이와같은기능을수행할수있다.

5 . Ray-Tracing 및 S h a d o w

R a y - T r a c i n g은광선을광원으로부터눈에이르 는 경로 혹은 반대 방향의 경로를 추적하여 모델 링된 물체의 사진품질 영상을 얻기 위한 렌더링 기법이다. 보통 primary ray로부터 물체에 반사/

굴절되는 secondary ray를 재추적하는 추적 깊이 에 따라서 품질이 달라지므로 렌더링 시간에 따 라서 얻어지는 영상의 품질이 많이 차이가 난다.

반면에 Ray-Tracing 기법은 대개의 렌더링 소프 트웨어에서 기본적으로 제공하는 기능이므로 소 프트웨어마다 속도의 차이를 제외하고는 별다른

차이점을얻기는힘들다. 다만 M a y a는그림자처 리와 관련하여 Soft Shadow라고 불리는 R a y - T r a c i n g에의한그림자와, depth map에의한그림 자를 사용자가 선택적으로 사용할 수 있는 기능 을 제공한다. Soft Shadow는 광선추적에 의하여 화면의pixel 단위로렌더링을하므로색이점차적 으로 변하는 그림자와 secondary ray에 의한 그림 자, 입자의그림자등을적절히표현할수있다. 반 면 depth map shadow는 정확하지는 않지만 매우 빠르게 그림자를 생성할 수 있고(그림 5), 특히 environment shader인light fog에의한그림자를생 성할 수 있다(그림 6). 또한 M a y a의 경우는 다른 애니메이션을 위한 렌더링 시스템 동향분석

(그림 5 ) M a y a 의 Depth Map Shadow 에 의해 생성된 Light Fog 그림자[ 8 ]

(그림 6 ) 3D Studio Max의 Light Shadow 및 E n v i r o n -

m e n t F o g 에 의한 효과[ 1 2 ]

전자통신동향분석 제 1 4 권 제 3 호 1 9 9 9 년 6 월

소프트웨어에 비해 수행성능의 개선 및 자원 (r e s o u r c e), 특히메모리 관리를 위해 다양한 최적 화 방법을 사용하고 있으며, 사용된 자원에 대한 profiling 기능등이우수하다.

6 . ^{카메라및기타}

카메라는 자체로 렌더링 되지 않고, 렌더링 될 화면의 위치와 특성만을 표현하기 때문에 렌더 링 자체와는 직접적인 관련이 없다고할 수 있다.

M a y a에서는 렌더링 되는 배경화면을 위해서 Image Plane이라는특수한기능을카메라와관련 하여 제공한다. Image Plane은“R o t o s c o p i n g " [ 8 ] 과 같이 배경과 애니메이션의 동작매칭과 같은 작업을 위한 기능들을 제공하며, 렌더링의 배경 으로서의 역할 이외에 모델링의 배경이 되어 모 델링을 돕는 기능을 아울러 제공한다. 또한 특징 으로는 이러한 Image Plane을 제어하기 위해 다 양한 format, device, film의 i m a g e에 대한 기 정의 된 정보를 제공하며, 이들을 또한 Image Plane에 사용할 수있도록 하고 있다. 더불어 단일 영상만 이아니라동영상까지도Image Plane으로서지원 함으로써, R o t o s c o p i ng과같은전문적인애니메이 션 제작을 지원하고 있다. 이와 유사한 M a x의 기 능이라면, en v i r o n m e n t m a p을들수있으며, Maya 와 같은 다양한 기능을 제공하지는 못 하고 단순 히렌더링의배경으로서의역할만을수행한다.

M a y a에는이들외에Dynamic 애니메이션에서 생성된 입자의 렌더링을 위한 하드웨어 렌더링 기능을 제공하여 빠른 렌더링을 할 수 있도록 하 고, 소프트웨어 렌더링 된 화면과 합성하는 기능 을제공한다. 이외에다양한이미지포맷및파일 포맷으로 영상을 출력하거나, 출력 영상물의 품 질 제어를 위한 a n t i - a l i a s i n g과 같은 다양한 필터 링을 아울러 제공하고 있다. 특히 애니메이션 작

업의 제작 등에 렌더링된 화면의 일부를 다시 렌 더링하는유용한기능(partial image rendering)을 가지고 있어서 시험작업중에 전체 화면을 다시 렌더링하는데따른시간낭비를줄일수있고, 렌 더링 인자를 애니메이션 할 수 있는기능, 애니메 이션 제작 전문 스튜디오 등에서 사용할 수 있는 분산 렌더링 기능 등 전문가를 위한 배려가 많은 것이 특징이다. 특히 영화나 필름제작 등과 같은 전문 애니메이션 렌더링을 위한“Batch Render- ing" 명령을 따로 가지고 있으며, 이를 통해 다양 한제어를가능케하고있다.

I V . 시스템 벤치마킹 결과

본 장에서는 위에서 언급된 기능들에 대한 분 류 및 그기능에 대한 벤치마킹 결과를 기술한다.

성능평가를 위해서는 시스템의 수행 결과에 대 해서그 기능의사용 편의성및 지원가능한 기술 정도를가지고high, middle, low의세단계로분류 해 보았으며, 각 기능들에 대한 특징들을 기술해 보았다( <표1> 참조) .

V. ^{결 론}

본기고에서는삼차원애니메이션을위한렌더

링 시스템의 동향분석을 위해 먼저 이러한 렌더

링 시스템들이 가져야 될 요구사항과 함께 현재

상용 시스템들의 특징 및 동향을 분석하였다. 또

한 렌더링 시스템들의 기능분석을 위하여 현재

애니메이션을 위한 렌더링 시스템으로 널리 사

용되고 있는 소프트웨어 중 3D Studio Max와

Alias/Wavefront Maya을 중심으로 렌더링 기능

을 분석하고 성능평가를 하였다. 한편 이러한 분

애니메이션을 위한 렌더링 시스템 동향분석

<표 1 > 시스템 벤치마킹 결과(뒤에 계속)

대기능

기본물체 v i e w i n g 모드

Production 렌더링 모드

Material 및 쉐이더

소기능 세부내용

(기능정의)

기타특기사항

Max Maya

Max Maya

・G r a u d-s h a d i n g(b o t h s i d e)

・F a c e normal shading

・S h a d e된 w i r e f r a m e

・E d g e+f a c e t

・반투명하게보임

・T i m i n g, animation output c o n t r o l 등

・Q u i c k c o l o r/gray 모드

・C o m m a n d line 렌더링 모드

・Material preview primitive, Preview control, Active m a - terial 적용on/off, Preview browser control,

・Material, shader, texture, light, camera 등렌더링 관련 객체의상호작용제어

・다양한쉐이더의구현방법 S m o o t h+h i g h l i g ht

S m o o t h F a c e t+h i g h l i g h t F a c e t

L i t w i r e f r a m e W i r e f r a m e B o u n d i n g b o x Edged facet X -r a y(t r a n s p a r e n t) F a s t viewing 모드

A n i m a t i o n 렌더링

F r a m e q u i c k 렌더링

B a t c h 렌더링

Material Editor vs.

M u l t i l i s t e r

Shader flexibility

기능유무

( :

m i d d l e

h i g h,

○

l o w

X ・기능은 비슷하나 M a y a의 인터페이스 및결과가더우수해보임.

・M a y a가 훨씬 많은 이미지 f o r m a t 및 device, film, video format을지원함.

・Maya, Max 모두 animation clip을 a v i 형태로 바로 생성 p r e v i e w해 볼 수 있 으며, M a y a의경우는 f c h e c k라는외부 u t i l i t y를따로이용할수도있음.

・May, Maya 모두 비슷한 기능을 하나 M a y a의 render view가훨씬많은기능 을가지고있음(예; partial image 렌더 링 등) .

・A n i m a t i o n을 만들기 위한 최종단계로 렌더링 할 때 이용. Maya의 경우 M a - chine dedicate 렌더링, remote ma- chine 렌더링등지원.

・M a x의경우는Material Editor, Maya의 경우는 M u l t i l i s t e r에 해당되는 부분으 로 비슷하지만 서로 다른 디자인 p h i - l o s o p h y를가지고만들어짐.

・M a y a의 경우 drug-and-drop connec- tion 등진보된인터페이스를가지고있 음.

・M a x의경우쉐이더객체를material 단 위로 하여 shading 파라미터를 다이알 로그 인터페이스를 조작하여 쉐이더들 을구현하도록하고있으며, 다양한 m a - t e r i a l들을 l i b r a r y로제공하고있음.

・M a y a의경우shading 그룹을기본적인 쉐이더 객체로 하여 material, texture, light 등과shading 그룹과의D G를형성 하여 다양한 쉐이더들을 구성하도록

・기능은 비슷하나 M a y a의 인터페이스 및결과가더우수해보임.

X

X

○

○

전자통신동향분석 제 1 4 권 제 3 호 1 9 9 9 년 6 월

대기능 소기능 세부내용

(기능정의)

기타특기사항

Max Maya

Max Maya

텍스처 매핑

R a y - T r a c i n g

E n v i r o n - m e n t

A t m o s - p h e r e

L i g h t

・Plane, cylindrical, spherical 매핑등

・Mapping adjustment for accurate mapping

・Raytraced shadow

・Shadow Mapped shadow (depth mapped shadow)

・Point light

・Ambient light

・Corn spot light

・Cylinder spot light Point

O m n i

Target/free spot

Target/free direct

・Environment map 관련

・Mapping to various rendering parameters

・Ray tracing시 r e f l e c t i o n , refraction control Mapping coordinates

Mapping control

Mapping types

R e f l e c t i o n s / r e f r a c t i o n s

Environment map vs. Image plane

F o g Volume fog Volume light

S h a d o w

함. 이를 위해 shading group editor, connection editor, relationship panel, hypergraph editor 등 다양한 DG editor 들을지원.

・매핑 기능면에는 Max, Maya 비슷한 성능을보이지만interface 및조작방법 에서 M a y a가 진보되어 있음. 즉 매핑 을위한3D 위젯과정확한매핑을위한 texture view editor와같은편리하고직 관적인UI 제공함.

・M a x의경우material editor의dialog in- t e r f a c e에서다양한파라미터들에대해 map browsing을제공.

・M a y a의경우는attribute editor에서매 핑가능파라미터들에대해제공.

・M a x의경우material editor의dialog in- terface, Maya의경우는attribute editor 에서제어가능.

・M a y a는environment map을카메라의 image plane이라는개념으로제공하며 M a x에 비해 훨씬 뛰어난 기능들을 제 공(예; image plane pixel control, ro- toscoping, movie file onto image plane, image plane for modeling 등) .

・M a y a의 경우 fog 등 visual effect 관련 부분은Maya F/X에따로제공.

・Volume light의 경우는 M a y a의 l i g h t e f f e c t의light fog 기능과유사함.

・Max, Maya 모두두shadow 방법을제공 하지만 M a y a의 경우 p e r f o r m a n c e와 a n t i - a l i a s i n g을위한다양한optimize 방법 을제공하고내부적으로구현하고있음.

・L i g h t를위한v i e w - port tool bar 따로 제공.

・Shadow 등 R a y - Tracing 관련 파라 미터 일부를 여기 서조정.

・3D 위젯을이용한 light control,

・M a x와같이 s h a d - ow 등렌더링파라 미터를light attrib- ute editor에서조정.

○

X

석 및 평가는 렌더링 소프트웨어를 개발하는 개 발자들에게 앞으로의 렌더링 소프트웨어가 가져

야 할 기능들에 대한 참조로서 사용될 수 있으며, 실제 이들을 사용하는 디자이너 및 영상물 제작

기능유무

( :

m i d d l e

h i g h,

○

l o w

<표 1 > 시스템 벤치마킹 결과(계속)

Mapping types

애니메이션을 위한 렌더링 시스템 동향분석

자들의 측면에서도 렌더링 소프트웨어의 이해에 도도움이되리라믿는다.

참 고 문 헌

[1] Kelvin Sung et al., “Design and Implementation of the Ma- ya Renderer," Pacific Graphics ’ 98 invited paper, 1998.

[ 2 ] Microsoft, Rendering, SoftImage 3D User’ s Guide, 1995.

[ 3 ] KINETIX, Rendering and Animation, 3D Studio Max U s e r’ s Guide, Vol. 1, 1996.

[ 4 ] KINETIX, 3D Studio Max Tutorial, 1996.

[ 5 ] Robert McNeel & Associates, Rhinoceros NURBS Model- ing for Windows User’ s Guide, 1998.

[6] Softimage Inc., Next Generation: Sumatra, h t t p : / / w w w . s o f t i m a g e . c o m .

[7] Alias/Wavefront, Using Maya: Basics, 1998.

[ 8 ] Alias/Wavefront, Using Maya: Rendering, 1998.

[9] Alias/Wavefront, Learning Maya, 1998.

[10] Alias/Wavefront, MAYA

B A C K G R O U N D ER–T H E FIRST STEP TOWARDS A VISION, 1995, http://www.

a w . s g i . c o m / p a g e s / h o m e / p a g e s / c o r p o r a t e _ i n f o / p a g e s / w h i t e _ p a p e r s / p a g e s / 9 5 _ 0 8 _ 0 6 _ M a y a _ B a c k g r o u n d e r / i n d e x . h t m l .

[11] Softimage Inc., “T w i s t e r”Version 1.0 The Future of3-D R e n d e r i n g, White Paper, July 1998, http://www.soft- i m a g e .c o m / d e f a u l t . a s p ? u r l = / P r o d u c t s / T w i s t e r / d e - fault.htm.

[12] Jareck Dukat, This Old House: A 3D Studio Max Tutorial, Digital Producer Magazine T u t o r i a l, 1998, http:// www.

digitalproducer.com/pages/old_house.htm.