KR100436816B1 - 3차원 캐릭터 애니메이션 제작 방법 및 시스템 - Google Patents

3차원 캐릭터 애니메이션 제작 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 캐릭터 애니메이션에 관한 것으로, 특히 일반적으로 모션 캡쳐된 애니메이션 데이터나 도구를 사용하여 인위적으로 만든 키 프레임 애니메이션 데이터를 3차원 가상공간에서 용이하게 적용할 수 있는 3차원 캐릭터 애니메이션 제작 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 모션 캡쳐된 애니메이션 데이터 및 도구를 이용하여 만든 키 프레임을 저장하는 데이터 베이스부, 애니메이션 데이터를 오프라인에서 수정 및 변형하는 모션 에디터부, 3차원 캐릭터의 지오메트리를 제작하고 캐릭터의 지오메트리를 본(bone) 크기에 맞는 애니메이션 데이터로 변환하는 캐릭터 에디터부, 모션에디터부와 캐릭터 에디터부로부터 데이터를 수신하여 애니메이션 데이터를 생성하고 변형하는 모듈를 포함하는 애니메이션 엔진부, 애니메이션 엔진부에서 애니메이션 데이터를 수신하여 디스플레이하거나 다른 응용에 적용하는 어플리케이션부를 포함한다.

Description

3차원 캐릭터 애니메이션 제작 방법 및 시스템 {Method and system for three dimensional character animation}
본 발명은 3차원 캐릭터 애니메이션에 관한 것으로, 특히 일반적으로 모션 캡쳐된 애니메이션 데이터나 도구를 사용하여 인위적으로 만든 키 프레임 애니메이션 데이터를 3차원 가상공간에서 용이하게 적용할 수 있는 3차원 캐릭터 애니메이션 제작 방법 및 시스템에 관한 것이다.
종래의 한국특허 등록번호 10-2000-0016330호 " 3차원 애니메이션 시스템 및 방법" 은 애니메이션 데이터가 인터넷 또는 웹 및 모뎀 등의 비교적 느린 통신 링크를 통해 비교적 짧은 시간 내에 로컬 컴퓨터에 다운로드될 수 있는 3차원 애니메이션 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 선행논문 신호처리합동학술대회 2001년9월 "휴먼모션을 위한 3차원 애니메이션 엔진 개발"은 데이터베이스로부터 3차원 애니메이션 데이터와 3차원 캐릭터 데이터를 적용하여 애니메이션하는 것과 실시간 애니메이션 생성 기술의 일부를 제공하는 것이다.
최근에는 3차원 애니메이션을 이용한 게임이 많이 등장하고 있으며 인터넷 상에서의 아바타 애니메이션이 등장하였다. 모션 캡쳐된 애니메이션 데이터의 사용은 상당한 노력과 자원이 들어가며 키 프레임 애니메이션 데이터 역시 도구를 이용한 많은 노력이 필요하다.
본 발명 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 3차원 애니메이션 데이터를 인터넷 상이나 단독 시스템에서 3차원 캐릭터에 쉽게 적용할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다. 모션 캡쳐된 데이터와 도구를 이용해 인위적으로 가공한 키 프레임 데이터를 적용할 수 있게 제공한다. 애니메이션을 용이하게 하기위해 본(bone) 기반 애니메이션을 지원하고 본(bone)은 캐릭터의 지오메트리인 버텍스에 영향을 준다. 하나의 버텍스는 1개이상의 본(bone)에 영향을 받을 수 있다. 본 발명에 따라 3차원 가상공간에서 캐릭터 상호간의 충돌과 캐릭터와 정지 물체와의 충돌과 캐릭터와 애니메이션 물체와의 충돌과 캐릭터와 환경과의 충돌을 감지한다. 기존의 기술은 이전 키 프레임 과 다음 키 프레임의 보간으로 자연스러운 동작을 보여 주었지만 본 발명에 따라 기존의 보간 방식을 포함하고 서로 애니메이션 데이터끼리의 보간을 통해 실시간으로 애니메이션 데이터를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 3차원 캐릭터 애니메이션 시스템의 전체 구성도.
도 2는 애니메이션 엔진에 대한 구성도.
도 3는 본 발명에 관한 3차원 애니메이션 데이터 구성도.
도 4은 본 발명에 관한 3차원 캐릭터 지오메트리 데이터 구성도.
도 5은 본 발명에 관한 본(bone) 기반 3차원 애니메이션에 따른 캐릭터의 스킨의 애니메이션을 예시하는 도면.
도 6은 본 발명에 관한 3차원 애니메이션 데이터의 생성에 관한 모듈의 구성도.
도 7은 본 발명에 관한 키 프레임 사이를 보간을 예시하는 도면.
도 8은 본 발명에 관한 서로 다른 애니메이션 데이터의 키 프레임간에 보간을 예시하는 도면.
도 9은 본 발명에 관한 충돌 검사 및 바닥체크를 하는 예시한 도면.
도 10은 본 발명에 관한 가림 제거 기법을 예시한 도면.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
10 : 모션캡쳐 데이터 및 데이터베이스부 12 : 모션 에디터부
14 : 캐릭터 에디터 및 데이터 베이스부 16 : 애니메이션 엔진부
18 : 어플리케이션부 20 : 충돌검사 및 바닥체크 모듈
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 모션 캡쳐된 애니메이션 데이터 및 도구를 이용하여 만든 키 프레임을 저장하는 데이터 베이스부, 애니메이션 데이터를 오프라인에서 수정 및 변형하는 모션 에디터부, 3차원 캐릭터의 지오메트리를 제작하고 캐릭터의 지오메트리를 본(bone) 크기에 맞는 애니메이션 데이터로 변환하는 캐릭터 에디터부, 모션에디터부와 캐릭터 에디터부로부터 데이터를 수신하여 애니메이션 데이터를 생성하고 변형하는 모듈를 포함하는 애니메이션 엔진부, 애니메이션 엔진부에서 애니메이션 데이터를 수신하여 디스플레이하거나 다른 응용에 적용하는 어플리케이션부를 포함한다.
또한, 본 발명의 에니메이션 엔진부는 캐릭터간 충돌과 캐릭터와 정지 물체와의 충돌과 캐릭터와 애니메이션 물체와의 충돌과 애니메이션 물체끼리의 충돌을 검사하는 충돌검사 및 바닥체크 모듈, 이전 키 프레임과 다음 키 프레임 사이를 보간해서 샘플링하는 키프레임간 애니메이션 보간모듈, 서로 다른 애니메이션 데이터 사이를 보간하여 애니메이션을 생성하고 변형하는 애니메이션 데이터 생성 및 변환 모듈, 환경과의 상호작용으로 인한 IK를 이용한 애니메이션 데이터를 생성하고 변형하는 서로다른 애니메이션 데이터 보간모듈을 포함한다.
또한, 애니메이션 엔진부의 충돌검사 및 바닥체크 모듈은, 면과선, 면과면, 면과 바운딩 박스, 바운딩 박스와 바운딩 박스, 비운딩 박스와 바운딩 구, 바운딩 구과 바운딩 구간의 접촉을 파악하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 애니메이션 엔진부에 의해 생성된 애니메이션 데이터는 본(bone) 이름과 본(bone) 이름에 해당하는 회전 변환 정보와 위치 변환 정보(translation vector)를 키 프레임 개수 만큼 보유하는 것을 특징으로 하며, 애니메이션 데이터는 모션 캡쳐 등으로 획득된 것과 도구를 사용하여 인위적으로 만든 키프레임 데이터를 포함한다.
또한, 본 발명은 모션 캡쳐된 애니메이션 데이터부로부터 애니메이션 데이터를 수신하여 캐릭터 저작 도구 및 모션 에디터를 사용하여 변형하는 단계, 캐릭터의 지오메트리 데이터를 수신하는 단계, 캐릭터의 본(bone)의 크기에 맞게 애니메이션 데이터와 지오메트리 데이터를 변형하는 단계, 변형된 애니메이션 데이터와 캐릭터의 지오메트리 데이터를 애니메이션 데이터 로더 및 캐릭터 지오메트리 로더를 통해서 애니메이션 엔진에 제공하는 단계, 애니메이션 엔진에서 애니메이션 데이터와 캐릭터의 지오메트리 데이터를 실시간으로 재생과 변환과 생성하는 단계, 디스플레이장치에 실시간으로 재생되는 애니메이션을 화면에 보여주는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 캐릭터 애니메이션 시스템의 전체 구성도이다.
모션 캡쳐된 데이터 및 도구를 이용하여 만든 키 프레임을 저장하여 데이터 베이스화 하는 모션캡쳐 데이터 및 데이터 베이스부(10), 애니메이션 데이터를 오프라인에서 수정 및 변형하는 모션 에디터부(12), 3차원 캐릭터의 지오메트리를 제작하고 캐릭터의 본(bone) 크기에 맞는 애니메이션 데이터를 변환하는 캐릭터 에디터 및 데이터베이스부(14), 캐릭터간 충돌과 캐릭터와 정지 물체와의 충돌과 캐릭터와 애니메이션 물체와의 충돌과 애니메이션 물체끼리의 충돌을 검사하고, 이전 키 프레임과 다음 키 프레임 사이를 보간해서 샘플링하는 모듈과, 서로 다른 애니메이션 데이터 사이를 보간하여 애니메이션을 생성하고 변형하는 모듈, 환경과의 상호작용으로 인한 IK(inverse kinematics)를 이용한 애니메이션 데이터를 생성하고 변형하는 모듈로 구성된 애니메이션 엔진부(16)와 애니메이션 데이터를 디스플레이하거나 다른 어플리케이션에 적용하는 어플리케이션부(20) 이다.
도 2는 애니메이션 엔진부(16)의 세부 구성도이다.
애니메이션 엔진부(16)에는 충돌 검사 및 바닥 체크를 위해 면과 선, 면과 면, 면과 바운딩 박스, 바운딩 박스와 바운딩 박스, 바운딩 박스와 바운딩 구, 바운딩 구와 바운딩구 간의 접촉을 알아내는 충돌검사 및 바닥체크 모듈(20)이 구비되어 있다. 바운딩 박스나 바운딩 구는 캐릭터의 부분(예:팔,다리) 메쉬 또는 전체 메쉬를 둘러싸는 최소의 바운딩 박스 및 바운딩 구를 말하고, 캐릭터 뿐만 아니라 물체 및 환경이 될 수도 있다.
키 프레임간 애니메이션 보간모듈(22)은 특정시간에 이전 키 프레임과 다음 키 프레임 사이를 선형 및 비선형 보간하고 그 시간에서 보간된 결과를 그시간에 캐릭터의 정지 동작으로 어플리케이션에 적용한다. 따라서 연속적으로 시간에 대한 보간된 결과를 연속적으로 샘플링하여 최종 캐릭터에 대한 애니메이션을 얻을 수 있다.
서로 다른 애니메이션 데이터 보간모듈(26)은 특정 시간에 키 프레임 사이를 보간하고 보간해서 샘플링된 서로 다른 값을 다시 서로 선형 및 비선형 보간하여 서로 다른 애니메이션의 사이의 애니메이션을 생성할 수 있다. 환경과 상호작용으로 인한 데이터 생성 및 변환 모듈(24)은 역운동학(IK : inverse kinematics)을 이용한다.
도 3은 애니메이션 데이터의 구성도이다.
애니메이션 데이터의 처음에는 파일버전, 본(bone)의 갯수, 시작프레임의 색인, 프레인갯수, 초당 프레임 갯수, 시작 태그(30) 등이 있으며, 본(bone) 이름과 본(bone) 이름에 해당하는 회전 변환 정보(rotation matrix or quaternion)와 위치 변환 정보(translation vector)(32, 34, 36)를 키 프레임 개수 만큼 보유하고 있으며, 마지막에는 종료 태그(38)로 이루어 진다.
애니메이션 데이터에는 본(bone) 구조에 대한 LOD(level of detail)를 지원하는 애니메이션 데이터가 있으며, 캡쳐된 애니메이션 데이터와 도구를 이용해 인위적으로 만든 키프레임 데이터가 내재되어 있다. 또한, 애니메이션 데이터는 도구를 이용해서 캐릭터의 본(bone)의 크기에 맞추어진 애니메이션 데이터를 포함한다.
도4는 캐릭터 지오메트리 데이터의 구성도이다.
캐릭터 지오메트리 데이터의 시작 부분에는 태그와 텍스쳐 및 재료정보, 본(bone)간의 부모자식관계(40)를 나타내며, 본(bone) 이름과 본(bone)간의 부모 자식 관계를 나타내는 정보와, 각 본(bone)에 해당하는 최초 회전 변환 정보 와 위치 변환 정보(42, 44)와, 캐릭터를 구성하는 모든 버텍스의 로컬 또는 글로벌 위치 정보와 영향을 끼치는 본(bone)의 이름(48), 텍스쳐 버텍스와 버텍스 노말(normal) 벡터 정보(50)와, 폴리곤에 속하는 버텍스의 정보(52)로 이루어진다.
도 5는 본(bone) 간의 영향을 도시한 버텍스의 예시도이다.
버텍스(vertex)1은 본(bone)1의 변환 정보에 의해 70퍼센트 영향을 받고 본(bone) 1의 변환 정보에 대해 30퍼센트 영향을 받는다. 버텍스 2는 본(bone) 1의 변환정보에 의해 45퍼센트 영향을 받고, 본(bone) 2의 변환 정보에 의해 55퍼센트 각각의 변환행렬에 대해서 영향을 받는다.
도 6은 3차원 캐릭터 애니메이션을 용이하게 구성도를 도시한 것이다.
모션 캡쳐된 애니메이션 데이터(70)는 캐릭터 저작 도구 및 모션 에디터(72)에 의해 변형되고, 변형된 데이터는 캐릭터의 본(bone)의 크기에 맞는 애니메이션 데이터(76)로 변형되고, 이렇게 변형된 애니메이션 데이터와 캐릭터의 지오메트리 데이터(74)는 애니메이션 데이터 로더(78) 및 캐릭터 지오메트리 로더 를 통해서 애니메이션 엔진부(80)에 제공되고, 애니메이션 엔진에서 실시간 애니메이션 재생과 변환과 생성함으로써 디스플레이 장치(82)나 어플리케이션에 이용된다.
도 7은 발의 궤적에 대한 키 프레임에 대해 이전 키 프레임과 다음 키프레임의 보간하는 위치를 화살표로 도시한 것이다.
주기적이거나 또는 비주기적으로 보간하여 샘플링하는 순간이 화살표이다.
도 8은 서로 다른 애니메이션 데이터를 보간하는 예로서 걷는 동작과 뛰는 동작을 도시한 것이다.
특정시간에 걷는 동작과 뛰는 동작을 각각 40 퍼센트와 60 퍼센트로 모션보간법(90)을 적용하여 보간한 예이다. 주기적 또는 비주기적인 연속적인 샘프링으로 걷는 동작과 뛰는 동작의 중간 동작의 애니메이션을 생성 및 변형하는 애니메이션을 제공한다.
도 9는 바운딩 박스와 바운딩 박스 사이에 충돌 검사의 예이고 바운딩 구와 바운딩 구 사이에 충돌 검사 예를 도시한 것이다.
도 10은 뷰 프러스텀(view frustum) 안에서의 캐릭터 및 물체에 대해서 앞의 물체에 의해서 뒤의 물체가 가려진 예를 도시한 것이다.
앞의 물체가 투영된 면에 나타나는 S1과 뒤의 물체가 투영되어 나타나는 면이 S2이고, S2가 S1 안에 있으면 디스플레이 장치에 가려진 물체를 제거한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 3차원 애니메이션 데이터를 제공하며, 애니메이션 데이터는 모션 캡쳐 장치나 시스템으로부터 획득된 것과 도구를 사용하여 인위적으로 만든 키프레임 데이터이다. 캐릭터 지오메트리 데이터는 3차원 버텍스(vertex)와 메쉬(mesh)데이터와 텍스쳐이다. 데이터 베이스로부터 3차원 애니메이션 데이터 및 3차원 캐릭터의 지오메트리 데이터 로딩할 수 있다. 애니메이션 데이터는 본(bone)의 애니메이션을 기반으로 하고 캐릭터 지오메트리(geometry) 데이터의 버텍스는 본(bone)의 움직임에 영향을 받아 따라서 움직이고 하나의 버텍스가 여러 개의 본(bone)에 영향을 받을 수 있다. 애니메이션 엔진은 캐릭터간 충돌과 캐릭터와 다른 물체와의 충돌과 캐릭터와 환경과의 충돌을 검사를 포함하고, 가림(occlusion) 제거(culling) 등을 실시 할 수 있다.
3차원 애니메이션 엔진은 실시간으로 애니메이션 데이터를 변형할 수 있고, 특정시간에 키프레임을 보간하여 샘플링하며, 시간을 기반으로 하고 3차원 애니메이션을 용이하게 하는 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 인터넷 또는 웹 모뎀 등의 통신뿐만 아니라 모션데이터베이스에 대한 데이터 베이스를 가지고 있으며, 모션캡쳐된 캐릭터 애니메이션데이터 적용 방법 및 3차원 애니메이션 엔진을 제공하고, 애니메이션 데이터 생성도 제공할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 3차원 가상공간에서의 캐릭터와 캐릭터, 캐릭터와 가상공간, 캐릭터와 가상공간의 임의의 물체와의 상호작용으로 3차원 애니메이션 데이터의 실시간 생성이 가능한 효과가 있다.
또한, 웹 베이스 시스템 또는 단독 시스템에 3차원 캐릭터 애니메이션을 캐릭터에 적용하는 데에도 용이하게 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 모션 캡쳐된 애니메이션 데이터 및 도구를 이용하여 만든 키 프레임을 저장하는 데이터 베이스부;
    상기 애니메이션 데이터를 오프라인에서 수정 및 변형하는 모션 에디터부;
    3차원 캐릭터의 지오메트리를 제작하고 캐릭터의 지오메트리를 본(bone) 크기에 맞는 애니메이션 데이터로 변환하는 캐릭터 에디터부;
    상기 모션에디터부와 상기 캐릭터 에디터부로부터 데이터를 수신하여 애니메이션 데이터를 생성하고 변형하는 모듈를 포함하는 애니메이션 엔진부;
    상기 애니메이션 엔진부에서 애니메이션 데이터를 수신하여 디스플레이하거나 다른 응용에 적용하는 어플리케이션부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 캐릭터 애니메이션 시스템
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에니메이션 엔진부는,
    캐릭터간 충돌과 캐릭터와 정지 물체와의 충돌과 캐릭터와 애니메이션 물체와의 충돌과 애니메이션 물체끼리의 충돌을 검사하는 충돌검사 및 바닥체크 모듈;
    이전 키 프레임과 다음 키 프레임 사이를 보간해서 샘플링하는 키프레임간 애니메이션 보간모듈;
    서로 다른 애니메이션 데이터 사이를 보간하여 애니메이션을 생성하고 변형하는 애니메이션 데이터 생성 및 변환 모듈;
    환경과의 상호작용으로 인한 IK를 이용한 애니메이션 데이터를 생성하고 변형하는 서로다른 애니메이션 데이터 보간모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 캐릭터 애니메이션 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    충돌검사 및 바닥체크 모듈은, 면과선, 면과면, 면과 바운딩 박스, 바운딩 박스와 바운딩 박스, 비운딩 박스와 바운딩 구, 바운딩 구과 바운딩 구간의 접촉을 파악하는 것을 특징으로 하는 3차원 캐릭터 애니메이션 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 애니메이션 엔진부에 의해 생성된 애니메이션 데이터는,
    본(bone) 이름과 상기 본(bone) 이름에 해당하는 회전 변환 정보와 위치 변환 정보(translation vector)를 키 프레임 개수 만큼 보유하는 것을 특징으로 하는 3차원 캐릭터 애니메이션 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 상기 애니메이션 엔진부에 의해 생성된 애니메이션 데이터는,
    모션 캡쳐 등으로 획득된 것과 도구를 사용하여 인위적으로 만든 키프레임 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 캐릭터 애니메이션 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 3차원 캐릭터의 지오메트리 데이터는,
    본(bone) 이름과 상기 본(bone) 간의 부모 자식 관계를 나타내는 정보;
    상기 각 본(bone)에 해당하는 회전 변환 정보와 위치 변환 정보;
    상기 캐릭터를 구성하는 모든 버텍스의 로컬 또는 글로벌 위치 정보와 영향을 끼치는 본(bone)의 이름;
    텍스쳐 버텍스와 버텍스 노말 정보;
    폴리곤에 속하는 버텍스의 정보; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 캐릭터 애니메이션 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 3차원 캐릭터의 지오메트리 데이터는,
    3차원 버텍스(vertex)와 메쉬(mesh)데이터와 텍스쳐와 매질정보를 포함하는것을 특징으로 하는 3차원 캐릭터 애니메이션 시스템.
  8. 모션 캡쳐된 애니메이션 데이터부로부터 상기 애니메이션 데이터를 수신하여 캐릭터 저작 도구 및 모션 에디터를 사용하여 변형하는 단계;
    캐릭터의 지오메트리 데이터를 수신하는 단계;
    캐릭터의 본(bone)의 크기에 맞게 상기 애니메이션 데이터와 상기 지오메트리 데이터를 변형하는 단계;
    상기 변형된 애니메이션 데이터와 캐릭터의 지오메트리 데이터를 애니메이션 데이터 로더 및 캐릭터 지오메트리 로더를 통해서 애니메이션 엔진에 제공하는 단계;
    상기 애니메이션 엔진에서 상기 애니메이션 데이터와 상기 캐릭터의 지오메트리 데이터를 실시간으로 재생과 변환과 생성하는 단계;
    디스플레이장치에 실시간으로 재생되는 애니메이션을 화면에 보여주는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 캐릭터 애니메이션 제작 방법.
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