인공지능(AI)으로 콘텐츠를 생성하는 프로시저럴 기술(Procedural) (2)

[칼럼 핵심 요약]
필자적으로는, 우리 PC 유저나 게임 유저에 있어서 가장 친밀하고 보급을 완수한 프로시저 기술이라고 하면, 널리 PC나 게임기에 채용된 「FM 음원」이 아닐까 생각하고 있다.
🌐 원문 링크: 人工知性でコンテンツを生成するプロシージャル技術(2) (Mynavi News)
📅 원문 발행일: 2009-12-11 ｜ ✍️ 저자: 西川善司 (니시카와 젠지 / Zenji Nishikawa)

NOTE

💡 현대 그래픽스 관점에서의 발전사 (Modern Retrospective)

Houdini & 노드 기반 PCG 파이프라인: 2000년대 후반 프로시저럴 알고리즘(L-System, 노이즈 기반 지형)은 현재 Houdini 엔진 및 언리얼 엔진 5의 PCG(Procedural Content Generation) 프레임워크로 체계화되었습니다.
신경망 생성형 AI(Neural Rendering / Generative AI): 규칙 기반 프로시저럴 알고리즘에 더해, 신경망(NeRF, 3D Gaussian Splatting, Diffusion 기반 3D 생성)을 결합하여 복잡한 환경과 3D 에셋을 실시간 생성/복원하는 시대가 열렸습니다.

📖 본문 해설

[원문 리드문] > 필자적으로는, 우리 PC 유저나 게임 유저에 있어서 가장 친밀하고 보급을 완수한 프로시저 기술이라고 하면, 널리 PC나 게임기에 채용된 「FM 음원」이 아닐까 생각하고 있다.

우리의 친숙한 프로시저럴 기술(Procedural)

다세포 생물은 복잡한 세포 구조를 가지지만, 이론상은 유전자를 기초로 단백질을 합성해 가면 복잡한 생물을 합성할 수 있는 것도 알려져 있다. 대담한 비유를 하면 유전자가 프로시저럴 기술(Procedural)이고, 그 아티팩트로서의 생물이 프로시저럴 기술(Procedural)에 의해 생성되는 콘텐츠라고 말하게 된다.

뭐, 이것은 너무 비약했다고 해도, 필자적으로는, 우리 PC 유저나 게임 유저에 있어서 가장 친밀하고 보급을 완수한 프로시저 기술이라고 하면, 널리 PC나 게임기에 채용된 「FM 음원」(FM: Frequency Modulation)이 아닐까 생각하고 있다.

FM 음원은 모든 음파가 다양한 주파수, 위상, 진폭 사인파의 합성파로 표현할 수 있다는 이론을 바탕으로 만들어진 것이다. FM음원에서는, 사인파의 발신기를, 실재하는 악기의 발음의 메카니즘과 닮은 형태로 연결한 「알고리즘」세트가 준비되어 있었다. 소리를 만들 때는, 만들고 싶은 소리의 종류에 맞을 것 같은 임의의 알고리즘을 선택해, 그 각 발신기로 입력 파형을 임의의 파라미터로 변조해 (컨볼루션하여) 소리를 만들어 간다. 현실 세계의 소리를 디지털 녹음하면(음장에도 의존하지만) 수백킬로바이트에서 수백 메가바이트의 데이터량이 된다. 그러나 FM 음원이라면 수십 바이트의 변조 파라미터만으로 울리고 싶은 만큼의 길이의 소리를 얼마든지 울릴 수 있다. 물론, 현실 세계의 소리보다 저렴해지는 경우도 많지만, 당시의 수십킬로바이트~수백킬로바이트 정도의 메모리 밖에 가지지 않는 PC에 있어서는 비용 대 효과의 면에서 큰 메리트가 있었던 것이다.

현재 주목받고 있는 프로시저 기술도 표현하고 싶은 콘텐츠를 가능한 한 적은 파라미터로 산술적으로 합성한다……라는 발상의 방향성으로는 FM 음원과 같다.

4기 발신기(4OP) 타입의 FM 음원의 모든 알고리즘. 신디사이저는 어떤 의미 모두 프로시저럴 기술(Procedural)?

그런데, 근대 프로시져 기술이 되면, 본격적인 연구 개발은 1980년대 후반부터 활발해져 왔다고 한다.

주로 연구 대상으로 활발한 것은 대리석, 나뭇결, 바위 등 자연물을 표현하는 텍스처의 자동 생성이다. 물, 연기, 불꽃 등의 주제도 연구 대상이었지만, 이 분야는 최근에는 유체 물리 시뮬레이션을 구현하는 것과 같은 직접적인 접근으로 이행하고 있다고 한다.

그래, 프로시저 기술과 물리 시뮬레이션 기술의 선은 어려운 것이다.

리얼을 찔러 완전한 자연 재현, 현실 모방을 목표로 하는 것이 (물리) 시뮬레이션, 의사적인 수법으로 만족할 수 있는 수준의 것을 합성하는 것이 프로시얼 기술…

프로시저럴 기술(Procedural)의 첫 번째 단계 ~ 콘텐츠를 언어와 기호로 표현하는 것

텍스처 생성 관련 프로시저 기술의 진화 촉진은 ‘TOY STORY’ 등의 CG 애니메이션 영화 제작원으로 알려진 픽사가 1989년 발표한 오프라인 CG 제작 시스템 ‘RENDERMAN’에 포함된 ‘RENDERMAN SHADING LANGUAGE’(RSL)에 의해 빅뱅을 향했다고 한다.

프로시듀얼(Procedural)과는 직역하면 '수속'이며, RSL에는 바로 텍스처를 '수속'으로 기술할 수 있는 특징을 갖추고 있었다.

그림은 CG 분야에서 프로시저 기술이 얘기될 때 예시되는 '벽돌 모양'을 RSL로 기술한 예이다.

RSL을 통한 벽돌 프로 시저 텍스처

다시 말해, 3DMark03의 Feature Test에 나온 PixelShader 2.0 Test는 바로 대리석이나 나뭇결의 패턴을 프로시저르 텍스처로 생성한 것이었다

이것은 벽돌의 폭과 높이, 시멘트(벽돌의 틈새에 깔린 흰 부분)의 폭 등을 설정함으로써 임의의 벽돌 모양 텍스처를 생성할 수 있다. 실제의 적용시에는 벽돌과 시멘트의 색이 단색이라고 리얼리티가 부족하기 때문에, 주기 노이즈 함수를 매개시켜 변화를 담고 있다(벽돌의 붉은 명암의 편차가 그것). 프로그램 소스의 전체 목록은 여기에서 참조 할 수 있으므로 관심있는 사람은보고 싶습니다.

이러한 제작자에게 스크립트를 쓰게 하는 어프로치로, 콘텐츠를 생성시키는 수법은, 가장 기본적이고 로우 레벨의 프로시저 기술이라고 할 수 있다.

벽돌의 예로 가면 벽돌 텍스처를 생성하는 것은 RSL의 런타임이지만, 벽돌 텍스처 자체의 구현은 인간이 했기 때문에, RSL 그 자체는 프로시저 기술보다는 프로시저 툴이라고 하는 위치가 된다.

이러한 스크립트 언어적인 프로시저 기술은 텍스처 생성 뿐만 아니라 3D 모델 생성용도 개발되고 있다. 그 대표 예로서 「Generative Modeling Language」(GML)라고 하는 것이 있다.

GML에서는 3D 모델의 기본 형상(프리미티브)을 언어로 기술해 가는 것으로, 산술 함수와 조합해 가는 것으로 다양하고 복잡한 형상을 구축할 수 있다.

사각형을 준비하고 (1),이 사각형을 하늘색으로 위로 뻗어 기둥으로하고, 이것을 둥글게 자르고 원기둥으로 만든다 (2-3). 대각선으로 자르고(4~5), 이번에는 거기를 기점으로 하여 수평 방향으로 원통을 늘인다(6~7)

복잡한 기하학적 패턴이 내장된 3D 모델의 생성은 수작업적인 접근보다 GML적인 기법이 더 적합하다고 할 수 있다.

보다 복잡한 기술을 더해 가는 것으로 기하학적 모양을 담은 입체 모델도 생성할 수 있다. 난이도는 나름대로 높은 수법이지만, 정확한 치수로, 게다가 복잡한 반복 모양적인 형상을 가진 3D 모델을 제작하고 싶을 때에는, 인간이 각도나 좌표를 신경쓰면서 모델링하는 것에 비해 효율이 높을지도 모른다.

덧붙여 GML에 대해 더 자세히 알고 싶은 사람은 이쪽을 참조해 주었으면 한다.

최신의 프로시저 기술은, 이러한 기본적인 「절차형 어프로치」의, 이른바 스크립트적인 프로시져 기술을 베이스로 일어나면서도, 한층 더 발전시킨 것으로 진화하고 있다.

대표적인 것은 스크립트적 프로시저 기술을 비주얼 인터페이스(GUI)에 실어 응용성을 부가한 저작 시스템의 형태다.

그 일례로는, 미국 Darkling Simulations사가 개발한 「DarkTree」가 있다.

Darkling Simulation사 제품은, 일본에서는 오크사가 대리점을 맡고 있어, 일본어화된 사이트가 준비되어 있기 때문에 흥미가 있는 사람은 그쪽을 보시고 싶다

이것은 쉐이더나 텍스처를 GUI 베이스로 개발할 수 있는 시스템으로, 임의의 구성 부품을 조합해, 거기에 변조 파라미터나 "종"이 되는 데이터를 주는 것으로 자유자재인 텍스처나 쉐이더를 생성할 수 있는 것이 되어 있다. DarkTree에서는 유저(아티스트)의 사용법이나 감성 나름으로는 리얼계의 것으로부터 환상적인 것을 만들 수 있어 실제로 이미 상용 게임이나 영화 CG에서의 개발 씬에 있어서 실용화가 행해지고 있다.

DarkTree의 조작 화면. 각 컴포넌트를 자유자재로 연결하여 프로시저 텍스처를 제작할 수 있다. GUI 베이스의 직관적인 조작으로 스크립트 작성에 상당하는 프로시저·콘텐츠를 만들 수 있는 구조가 되어 있는 것이다