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[케이스 스터디] ‘아바타 : 물의 길’을 탄생시킨 물 표현 기술
2023-05-02 1,594 14

물방울부터 파도까지 사실적으로 시각화하기 위한 시뮬레이션

 

현재 유니티의 자회사인 웨타 디지털(W.t. Digital)에서는 영화 ‘아바타 : 물의 길’ 속 세상을 생생하게 구현하기 위해 사용된 다수의 툴과 솔루션을 개발했다. 이번 호에서는 영화에서 물을 사실적으로 표현할 수 있었던 CGI 기술에 대해 살펴본다. ■ 자료 제공 : 유니티코리아

 


▲ ‘아바타 2’ 세트장에 있는 제임스 카메론 감독(사진가 마크 펠먼. 사진 제공 : 20th Century Studios)

 

제임스 카메론 감독은 물을 다루는 데 익숙하다. ‘타이타닉’을 작업했던 것 외에도, 2012년에는 잠수정을 조종하여 거의 11km 깊이의 지구에서 가장 깊은 태평양 마리아나 해구 바닥까지 단독 잠수를 해내는 기록을 세우기도 했다. 제임스 카메론은 2014년 다큐멘터리 ‘딥씨 챌린지’에서 “여기 해저에서는 인간의 상상력을 가뿐히 넘어서는 자연의 상상력을 느낄 수 있다”고 말했다.

‘아바타’의 판도라 세계와 그 아름다운 비주얼이 결국 카메론의 상상력에서 비롯되었음을 생각하면 분명 놀라운 광경이었을 것이다.

 

▲ ‘아바타 : 물의 길’의 제이크 설리(샘 워딩턴)(사진 제공 : 20th Century Studios)

 

Unity Weta Tools : 물 표현 전담 팀

물의 부족인 멧카이나족의 새로운 산호초 마을이 등장하는 ‘아바타’ 속편에서 카메론의 비전을 표현하려면 시각 효과를 대규모로 사용해야 했고, 특히 주된 배경이 되는 물에 대한 효과가 많이 필요했다. 다양한 시상식을 휩쓴 물 효과를 포함해 영화의 VFX를 만드는 데 사용된 툴과 솔루션은 웨타 디지털에서 개발했다.

캐릭터와 물 요소 사이의 상호 작용을 가능한 한 사실적으로 표현하기 위해 유니티 및 웨타의 물 시뮬레이션 VFX 전문가인 알렉세이 스토마힌, 스티브 레서, 조엘 레트본, 션 플린을 포함한 전문가들이 모여 ‘물 표현 전담 팀’을 구성했다. 이 팀에서 개발한 물 효과 툴 세트는 최근 VES 어워드(VES Awards)의 첨단 기술 부문에서 수상하기도 했다.

이들은 디테일에 집중하기 위해 뉴질랜드의 NIWA(해양연구소)와 협력하며 광범위한 연구와 실험을 수행하여 CGI 물을 만드는 최상의 접근 방식을 찾았다. 이때 조수, 바람, 해저가 수생 환경에 미치는 영향도 고려했다.

 


▲ ‘아바타 : 물의 길’의 로아크(브리튼 달튼)(사진 제공 : 20th Century Studios)

 

물 효과를 위한 툴 세트

‘아바타 : 물의 길’에는 2225개의 장면에서 물 효과가 필요했으며, 일부 장면에는 필요한 수준의 고해상도를 구현하기 위해 최대 8일간의 시뮬레이션이 필요했다. 한 장면에서 50개 이상의 크리처가 물과 상호 작용한 신(scene)도 많았다. 이로 인해 커다란 크리처용 대형 도메인부터 피부 표면의 얇은 막을 표현하기 위한 서브밀리미터 해상도에 이르기까지 다양한 규모에 맞는 정확한 시뮬레이션이 필요하다는 문제가 발생했다.

모든 경우에 알맞는 물 표현 시스템을 만들기란 계산상 불가능했기 때문에, 계산 시간을 최소화하기 위해 여러 가지 개별 솔버를 통해 툴 세트가 개발되었다. 이 팀에서 개발한 대부분의 물 효과 툴은 웨타의 독점 시뮬레이션 프레임워크인 로키(Loki)에 포함되어 있다. 이 기술에는 절차적 파도, 대량의 물, 분무, 박무, 중심 기포, 확산 기포, 포말, 표면 장력파, 얇은 막, 잔류 습기 등 여러 물 상태를 위한 솔버가 포함되어 있다.

유니티×웨타 디지털(Unity×W.t. Digital)의 션 플린(Sean Flynn) 시뮬레이션 리드는 “로키의 물 상태 머신은 이 영화에서 대규모의 물 효과가 나타나는 장면 다수를 구현하는 데에 결정적인 역할을 했다. 일반적인 VFX 영화에서 이 정도로 복잡한 물 효과가 나타나는 장면은 흔치 않고, 이를 구현하려면 매우 숙련된 아티스트의 수많은 반복 작업과 패스가 필요하다. 반면, 우리가 택한 상태 머신 접근 방식을 사용하면 업계에 갓 입문한 아티스트도 한 번의 패스만으로 훌륭한 결과물을 만들어 낼 수 있었다”고 설명했다.

 

상태 머신

이러한 솔버 중 다수는 공중 분무 시스템인 로키 상태 머신에 속해 있다. 물 상태가 주변 공기와 결합되며 상태 간 전환은 질량과 운동량이 보존되는 방식으로 처리된다.

모든 경우를 아우르는 하나의 접근 방식 대신 로키 상태 머신을 사용하면 여러 솔버가 동시에 실행될 수 있다. 각 솔버는 대량의 물, 분무, 박무 같은 각 상태에 필요한 디테일 수준에 최적화되어 있다. 그러므로 분무와 박무에 필요한 미세한 물방울의 상호 작용을 캡처하면서 대규모 물 시뮬레이션을 효율적으로 진행할 수 있다.

주변 공기를 포함한 모든 상태는 단일 시뮬레이션 패스로 완료된다. 모든 솔버는 솔버 사이의 적절한 물리적 상호 작용으로 계산되기 때문에, 영화 전체에서 자연스럽고 사실적인 물 상호 작용을 만드는 데 도움이 되었다.

 


▲ 시그라프 2022에서 발표된 ‘Loki : A unified multiphysics simulation framework for production’

 

얇은 막과 물방울 시뮬레이션

시그라프 2019(SIGGRAPH 2019)에서는 물이 피부 위로 흐르다 떨어질 때의 정확도 높은 표면장력과 접착 효과에 중점을 두고, 캐릭터와 물의 근접 상호 작용을 모델링하기 위한 실용적인 접근방식이 제시되었다. 당시 팀은 카메론이 각본에 참여한 ‘알리타 : 배틀 엔젤’의 한 장면을 통해, 이런 접근방식을 활용하면 1mm도 안 되는 규모에서 전체 캐릭터를 물 한 겹으로 덮을 수 있을 만큼 높은 품질의 이펙트 해상도를 구현할 수 있다는 사실을 보여 주었다.

이 접근방식은 기존의 셀 내 입자(FLIP/APIC) 솔버를 조정하여 물과 고체 간의 소규모 상호 작용 역학을 캡처하는 것이었다. 이후 이 기술은 ‘아바타 : 물의 길’ 제작 과정에서 더욱 발전하여, 물에서 등장하는 캐릭터와 관련된 모든 시퀀스를 처리하는 데 활용되었다.

유니티×웨타 디지털의 알렉세이 스토마힌(Alexey Stomakhin) 수석 리서치 엔지니어는 “서브밀리미터 규모에서 물 역학을 시뮬레이션해야 했기 때문에 결코 간단한 솔루션은 아니었다. 계산하는 데 며칠이 걸리는 경우도 많았다. 아티스트가 최소한의 튜닝만 하면 물리적으로 진짜 같은 비주얼을 즉시 제작할 수 있을 만큼 솔버가 확장성이 좋고 견고하며 안정적이어야 했다”고 전했다.

 


▲ 시그라프 2019의 ‘A practical guide to thin film and drips simulation’ 세션에서 선보인 정확도 높은 표면 장력 및 접착 효과의 클로즈업 렌더

 

수중 기포 및 결합

‘아바타 : 물의 길’의 캐릭터가 수중에서 호흡할 때처럼, 수중 시나리오에서 사실감 있는 역학을 구현하기 위해 사용된 수중 기포 접근 방식은 관심 영역 주변의 좁은 물 띠와 기포를 함께 시뮬레이션하는 것이었다. 기포 자체는 중심과 확산이라는 두 영역으로 표현된다.

중심 영역은 더 폭발적이고 격동적인 동작의 커다란 기포를 캡처한다. FLIP/APIC 입자로 표현되는 기상(air phase)과 오일러 그리드상의 비압축성 2상 나비에-스토크스 방정식 해를 활용하여 부피 보존과 정확한 인터페이스 추적이 가능하다.

확산 영역은 오일러 그리드 해상도 미만인 작은 기포의 모션을 캡처한다. 제작 팀은 벌크 유체와 확산 기포 입자를 결합하는 새로운 스키마를 개발했으며 이는 모래, 머리카락, 천과 같은 물속에 잠긴 다른 투과성 물체에도 적용될 수 있다.

 

파도 곡선 및 표면 시뮬레이션

수면 시뮬레이션의 시각적 디테일을 향상하기 위해 웨타 디지털 및 IST Austria 팀은 시뮬레이션을 입력으로 사용하는 포스트 프로세싱 방법을 개발하고, 수면 위에 세밀한 라그랑지언 파도를 시뮬레이션하여 겉보기 해상도를 높였다.

벌크 유체 표면에서 전개되는 스플라인 곡선에 연결된 라그랑지언 파도 패킷을 통해 선형 파도 이론을 확장하여 비평면 도메인에서 활용하기도 했다. 이 방법은 기본 유체 시뮬레이션에 맞춤화되어 흩어지는 파도의 움직임과 함께 고주파 잔물결을 생성한다.

 


▲ 시그라프 2020에서 발표된 ‘Wave Curves: Simulating Lagrangian water waves on dynamically deforming surfaces’ 

 

사실적인 급류 시뮬레이션을 위한 기포와 촉촉한 거품

물속의 움직임으로 생성된 수중 기포가 수면에 도달하여 거품으로 변하는 움직임을 사실적으로 구현하기 위한 기술이 개발되었다. 이 기술은 ‘아바타 : 물의 길’에서 물이 등장하는 거의 모든 장면에 중요하게 활용되었다.

보통 벌크 유체 같은 대규모 모션을 캡처하는 데 사용되는 그리드 기반 나비에-스토크스 시뮬레이터는 그리드 해상도로 인해 본질적인 한계를 지니고 있으므로, 부서지는 파도에서 생긴 분무나 박무 같은 소규모 현상에는 적용하기 어렵다. 이런 급류 효과는 보통 독립적인 라그랑지언 입자로 시뮬레이션된다.

유니티×웨타 디지털의 조엘 레트본 (Joel Wretborn) 시니어 리서치 엔지니어는 “우리가 급류 효과를 구현할 때 중요했던 것은 기포와 결합된 그리드 기반 유체 솔버와 수면에 제한된 거품용 SPH 솔버 간의 상호 작용이다. 로키의 선언적 솔버 프레임워크는 새로운 솔버를 개발하지 않고도 프로덕션에서 복잡한 시스템을 구축하고 지원할 수 있게 해 준다”고 설명했다.

대부분의 기존 솔버가 놓치고 있는 핵심은 집단 효과이다. 기포가 모이면 부력도 더해져 하나의 기포보다 더 빠르게 상승하고, 다수의 기포 집단은 물의 움직임에 상당한 영향을 미칠 수 있다.

이번에 개발된 신기술은 주변 유체와 양방향으로 결합된 기포를 시뮬레이션하여 이러한 한계를 해결한다. 그 결과 기포 집단 효과를 효과적으로 캡처할 수 있고, 기포와 유체 모션을 더 긴밀히 연결하여 자연스러운 효과가 생성된다. 수면에 도달한 기포는 수면에 제한된 ‘촉촉한’ 거품 입자로 전환되며 SPH(입자완화 유체동력학) 방식으로 이산화된다. 이렇게 클로즈업과 광활한 대양 장면에 모두 사용할 수 있는 사실감 넘치는 급류 역학을 만들어냈다.

 


▲ 시그라프 2022에서 발표된 ‘Guided bubbles and wet foam for realistic whitewater simulation’ 개요(영상 제공 : W.t. FX)

 

 

■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

정수진 sjeong@cadgraphics.co.kr


출처 : 캐드앤그래픽스 2023년 5월호

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