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인공지능(AI)으로 콘텐츠를 생성하는 프로시저럴 기술(Procedural) (7)
[칼럼 핵심 요약]
L-SYSTEM을 3D로 확장하여 식물의 성장을 시뮬레이션하도록 입체적인 식물 모델을 생성한 것이지만, 이 분야에서 최첨단 연구를 하고 있는 캘거리 대학의 Przemyslaw Prusinkiewicz 교수는 더욱 실재 식물을 닮기 위해 식물의 성장 호르몬의 분비와 성장 법칙을 따르는 연구를 실시했다.🌐 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(7) (Mynavi News)
📅 원문 발행일: 2010-01-22 ｜ ✍️ 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] > L-SYSTEM을 3D로 확장하여 식물의 성장을 시뮬레이션하기 위해 입체적인 식물 모델을 생성했지만, 이 분야에서 최첨단 연구를 하고 있는 캘거리 대학의 Przemyslaw Prusinkiewicz 교수는 또한 실제 식물을 닮기 위해 식물 성장 호르몬의 분비와 성장 법칙에 관한 연구를 실시하고 이것을 구현한 보고를 실시하고 있다.
프로시저럴 기술(Procedural)에 의한 식물 생성 (2) ~ 실제 식물의 절차적 표현
L-SYSTEM을 3D로 확장하여 식물의 성장을 시뮬레이션하기 위해 입체적인 식물 모델을 생성한 것이지만, 이 분야에서 최첨단 연구를 하고 있는 캘거리 대학의 Przemyslaw Prusinkiewicz 교수는 더욱 실재 식물을 닮기 위해 식물 성장 호르몬의 분비와 성장 법칙(Inflorescence Model)에 관한 연구를 실시해, 이것을 실장한 보고를 실시하고 있다.
식물의 성장 법칙까지를 모델화. 위는 아래의 가지로부터 열매를 붙이는 Acrobetal Flowering Sequence형. 아래는 위 가지에서 아래를 향해 열매를 맺는 Basipetal Flowering Sequence 형
연구에 따르면 식물은 성장 호르몬을 근본에서 위로 밀어 올리는 종류와 잎끝에서 근본으로 아래를 향해 분비하는 것이 있으며, 전자는 아래 가지에서 열매를 붙이고(Acropetal Flowering Sequence), 후자는 위 가지에서 아래를 향해 열매를 붙이기 시작하는 성장을 한다(Basipetal Flowering Sequence).
한층 더 보충하면, 열매를 붙이는 부분의 가지에도 종류 특유의 성장 법칙이 있어,Prusinkiewicz씨는 이것도 표현하는 모델을 고안하고 있다.
a는 말려들게 하고 발전하는 유형. b는 교대로 분기하여 성장하는 타입. c는 균등하게 분기해 나가는 타입
이러한 실재 식물의 L-SYSTEM으로 구현해 가는 연구는 상당히 진행되고 있으며, 이들을 상당히 정확하게 모델화하는 데 성공하고 있다.
매우 흥미로운 것은 잎을 붙이는 방법과 가지를 나누는 방법에 대해서뿐만 아니라 꽃의 형상 규칙에 대해서도 구현이되어 있다는 점이다.
예를 들면 국화과의 식물은 꽃의 바탕이 원반 모양이 되어 거기에 무수한 종을 붙이지만, 그 종류의 배열 등도 L-SYSTEM의 기호화 표현에 성공하고 있다. 종은 중심에 소용돌이를 감도록 배열되지만 종류에 따라 그 말린 각도와 밀도가 다르다고 하고, Prusinkiewicz씨는, 이 연구에서 대표적인 국화과의 식물, 해바라기의 꽃의 프로시잘 실장예를 발표하고 있다.
여기서 소개한 일련의 식물의 L-SYSTEM에 의한 실장예에 대해서는 Prusinkiewicz씨의 사이트에 대량으로 발표되고 있으므로 보다 상세한 정보는 그쪽으로부터 입수해 주었으면 한다.
각도를 붙이면서 말려들게 하여 종을 붙이는 법칙성의 기술
a는 권취 각도를 137.3°로 한 예, 마찬가지로 b가 137.5°, c가 137.6°
S가 종에 관련된 설명. R이 국화과 식물 특유의 혀 모양 꽃과 관련된 설명. M,N,O,P는 꽃잎에 관련된 기술이 된다. 이 설명으로 실제로 그려지는 위의 이미지의 해바라기
이처럼 처음에는 프랙탈 이론에서 "식물 같은 것을 그릴 수 있다"는 착상으로 시작되었지만, 최첨단 연구에서는 실재 식물의 논리적 표현까지가 가능해지고있다. 대국적이고 반복적인 기호 처리 등은 컴퓨터의 자랑으로 하는 분야이며, 그 기호열로부터 3D 그래픽스의 생성이라는 테마도 GPU나 CPU에의 실장 테마로서는 흥미로운 테마라고 할 수 있다. 렌더링시의 셰이딩(Shading)의 궁리를 하면 꽤 리얼한 꽃밭이나 정글도 프로시잘 생성을 할 수 있을 것 같다.
프로시저럴 기술(Procedural)에 의한 다양한 식물 표현. 실재종을 꽤 리얼하게 재현할 수 있게 되어 있다
식물의 경우, 단체의 표현도 중요하지만, 그 장면에 리얼하게 다양한 식물이 자라는 것 같은 "식생의 표현"도 중요해진다.
독 맥데부르크 대학의 O. Deussen씨는 이 연구 테마에 임해 「Realistic Modeling and Rendering of Plant Ecosystems」라고 하는 논문을 발표하고 있다.
이 연구에서는 식물의 종을 균일한 밀도로 뿌렸다고 해도 그 식물의 개체차이에 의한 성장 속도의 차이나, 종류 특유의 신장의 높이나 바디의 크기, 혹은 처음부터 거기에 존재한 식물의 영향 등으로, 약육 강식적인 에코시스템이 발생한다. 큰 식물은 그 주변까지를 밧줄로 버리기 때문에(넓게 뿌리를 하고, 양분 등을 독차지해 버리거나, 날이 맞지 않기 때문), 그 아래에 많은 식물은 성장하기 어렵다. 큰 나무의 햇빛에는 그다지 초목이 자라지 않는 상황을 현실적으로 본 적이 있을지도 모르지만, 아아한 식물의 식생 표현까지도 프로시잘 생성할 수도 있다는 것이다. 이 연구에서는 식물별 수명의 차이, 종별 생명력의 강도(Vigor), 또 자신이 자라는 곳의 수분함량에까지 배려한 식물의 식생의 절차실장을 실시하고 있다.
식물의 식생까지를 절차 생성할 수 있다
처음 균등하게 뿌린 씨앗(왼쪽 끝), 시간이 진행됨에 따라 성장에 차이가 나오고, 큰 식물은 그 주변에 타사를 들여놓지 않는 줄기 구조가 노견해 온다. 녹색은 지배되지 않는 식물, 빨강은 지배되고 있는 식물. 노란색은 노년에 시들기 시작한 식물을 나타냅니다.
실제로 이 시스템에서 렌더링된 장면
이렇게 해보면 알 수 있듯이, 절차 식물 표현은 상당히 완성도가 높은 기술로 세련되어 왔다는 것을 알 수 있다. 사실, 식물의 절차 생성과 관련하여 이미 실용화 된 상업용 미들웨어가 있습니다.
그것이 미국 Interactive Data Visualization 사의 「SpeedTree」다.
SpeedTree의 식물 제작 화면. 파라미터를 조정해 가는 것만으로 실재하는 식물로부터 가상의 식물까지를 자유자재로 생성할 수 있다
SpeedTree의 식물 제작 화면. 파라미터를 조정해 가는 것만으로 실재하는 식물로부터 가상의 식물까지를 자유자재로 생성할 수 있다
SpeedTree 기반으로 제작된 식물을 포함한 장면. 나무뿐만 아니라 풀꽃을 피울 수 있습니다.
SpeedTree 기반으로 제작된 식물을 포함한 장면. 나무뿐만 아니라 풀꽃을 피울 수 있습니다.
분기의 빈도, 가지의 형상, 잎의 밀도나 형상 등의 파라미터 조작을 GUI 베이스로 설정하는 것으로 여러가지 식물 형상을 프로시져 디자인할 수 있다. 모델 뿐만 아니라 텍스처나 노멀 맵도 출력할 수 있어 LOD 모델의 생성에도 대응하고 있다. 구체적으로는 다 폴리곤으로부터 저 폴리곤 모델의 생성 뿐만이 아니라, 2D 베이스의 빌보드(스프라이트)에의 출력도 대응하고 있어, 최원경의 나무들은 이 빌보드 표시의 치환으로 부하를 저감할 수 있다. 빌보드 베이스의 나무에서 낮은 폴리곤 모델로의 전환도 팝핑을 일으키지 않고 원활하게 오버랩시킬 수 있기 때문에, 정글을 잡아 날아가는 비행 액션계의 게임에서도 문제 없게 사용할 수 있다고 하고 있다.
PC 뿐만이 아니라 PS3, Xbox 360 베이스의 게임 작품에서도 널리 사용되고 있어 최근 작에서는 「그랜드 세프트 오토 IV」, 「브라더 인 암즈:Hell's Highway」, 「프로젝트 토크」등의 채용 예가 있다.
Brother in Arms : Hell 's Highway (UBI SOFT, 2007)
그랜드 세프트 오토 IV (ROCKSTAR, 2008)
프로젝트 토크 (Aeria Games & Entertainment, 2007)
보다 자세한 정보에 대해서는 IDV사의 SpeedTree의 일본어 사이트를 참조해 주었으면 한다. SpeedTree는 미들웨어이므로, 게임 개발자용의 소프트이지만, 최종 유저도 보는 것만으로 즐길 수 있는 무료 데모 소프트 「Trees of Pangaea」등도 공개되고 있으므로, 그쪽도 꼭 실행해 보자. 식물로 가득한 경관을 환경 소프트처럼 즐길 수 있다.
실행하는 것만으로 실시간 식물 정경을 즐길 수있는 SpeedTree 기반의 무료 데모 소프트웨어 "Trees of Pangaea". 모두 7개의 정경을 즐길 수 있다
「프로시쟈르한 식물 표현」은, 식물 형상 모델의 생성으로부터 그 식생 표현이, 지금까지 와 있는데는 다시 놀라지 않지만, 여기까지 오면 프로시잘이라고 하는 것보다는 시뮬레이션이라고 하는 느낌이 들지 않는다.
과거 프로시저르에 의한 의사적인 표현이 주류였던 연기나 불꽃 등의 유체 표현이 리얼리티를 파악해 가는 것으로, 드디어 그 특성의 물리 모델의 구현을 목표로 하는, 시뮬레이션적인 어프로치에 변화해 가는 경위가 있었던 것이지만, 식물의 프로시져르 표현도, 어쨌든 그렇게 되어 갈지도 모른다. (계속)
(트라이Z 니시카와 젠지)