가상 인간
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1. 개요
가상 인간은 기계 학습, 게임 개발, 인공 신경 과학 등 다양한 분야의 융합 연구를 통해 개발되고 있으며, 해부학, 텍스처 생성, 애니메이션, 얼굴 표정, 보행, 행동 등 여러 세부 기술을 포함한다. 가상 인간은 사용자가 직접 제어하거나 기계가 제어하는 방식으로 나뉘며, 가상 인플루언서, 가상 비서, 아바타, 가상 배우 등 다양한 목적으로 활용된다. 20세기 초 윌리엄 페터의 보잉 맨을 시작으로, 사이버맨, 콤비맨, 보우먼 등 초기 모델 개발과 영화 및 데모 제작을 거쳐, 현재는 실시간 애니메이션과 가상 세계와의 상호 작용 연구가 활발히 진행되고 있다. 가상 인간은 시뮬레이션, 훈련, 엔터테인먼트, 의료, 군사 등 광범위한 분야에서 활용되며, 가상 앵커, 가상 마네킹, 가상 환자, 가상 캐릭터, 가상 병사 등 다양한 형태로 구현된다.
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가상 인간 | |
---|---|
가상 인간 | |
![]() | |
정의 | 사람의 컴퓨터 시뮬레이션 |
개요 | |
설명 | 가상 인간은 사람의 컴퓨터 시뮬레이션이다. |
역사 | |
최초 연구 | 1970년대 |
연구 집중 시기 | 30년 |
2. 연구 분야
막스 플랑크 지능 시스템 연구소의 지각 시스템은 가상 인간을 단순한 인공물을 넘어 우리 자신을 이해하는 도구로 간주한다. 현실 인간과 구별하기 어려울 정도로 가상 인간을 시뮬레이션할 수 있다면, 인간의 본질에 대해 탐구할 수 있다고 믿는다.[1]
가상 인간 연구는 기계 학습, 게임 개발, 인공 신경 과학 등 여러 분야의 협력을 통해 이루어진다. 주요 연구 분야는 다음과 같다.
- 해부학 및 기하학: 3D 스캐너, 디지털 변환기 및 소프트웨어 도구를 사용하여 인체를 모델링한다.
- 머리카락 및 피부 표현: 생성, 표현 및 렌더링.[4][5]
- 골격 애니메이션 및 물리 기반 애니메이션: 환경 상호 작용.[9]

- 신체 표면 애니메이션 및 변형: 신체 표면 변형 시뮬레이션.[10]
- 얼굴 애니메이션: 파라미터화된 모델과 근육 모델 연구.
- 보행 생성: 자연스러운 걷기 동작 생성.
- 장애물 회피: 최적의 궤적 탐색.
- 파지: 물체 잡기 위한 움직임 생성.
- 행동: 애니메이션의 특징과 개성 부여.[11]
2. 1. 해부학 및 기하학
가상 인간에 대한 연구는 기계 학습, 게임 개발, 인공 신경 과학과 같은 활동의 학제 간 협력을 포함한다.
- '''해부학 및 기하학''': 3D 스캐너, 디지털 변환기 및 소프트웨어 도구를 사용하여 인체 모델링.
- ''머리카락 및 피부 생성, 표현 및 렌더링''.[4][5] 정확하고 성능이 좋은 시뮬레이션에는 컴퓨트 및 테셀레이션 셰이더와 같은 최신 컴퓨터 그래픽 기술이 필요하다.[6][7]
- 환경 상호 작용에 대한 ''골격 애니메이션'' 및 물리 기반 애니메이션. 방법에는 파라메트릭 키프레임 세트를 선택하는 행동 트리,[8] 절차적 역 운동학, 또는 신경망 구동 운동 제어가 포함된다.[9] 참조 데이터를 얻는 일반적인 방법은 모션 캡처를 통해 이루어진다.
- ''신체 표면 애니메이션 및 변형 또는 스키닝''': 기본 골격 구조의 움직임에 따라 가시적인 신체 표면의 변형 시뮬레이션.[10]
- ''얼굴 애니메이션'', 인간 커뮤니케이션에 필수적인 역할을 한다. 두 가지 주류 얼굴 애니메이션 연구가 존재한다: 파라미터화된 모델과 근육 모델.
- ''걷기'' ''또는 보행 생성''': 주어진 궤적과 속도를 기반으로 자연스러운 걷기 동작을 생성해야 한다.
- ''장애물 회피''': 장애물을 피하면서 걷기에 대한 최적의 궤적을 찾기 위해 비 교차 또는 비 충돌 위치 제약 조건에 따라 일부 제어 목표를 충족시키는 작업
- ''파지'', 객체를 잡기 위해 최상의 팔과 손의 움직임을 생성해야 한다. 파지는 종종 '''도달'''이 선행되며, 머리와 몸통 제어뿐만 아니라 눈 제어와 시선에 크게 의존한다.
- ''행동'',[11] 애니메이션에 더 많은 특징과 개성을 부여하여 기계 기반 애니메이션보다 더 자연스럽고 개인화되도록 노력한다. 예를 들어, 음성 제스처 생성.[12]
2. 2. 머리카락 및 피부 표현
생성, 표현 및 렌더링.[4][5] 정확하고 성능이 좋은 시뮬레이션에는 컴퓨트 및 테셀레이션 셰이더와 같은 최신 컴퓨터 그래픽 기술이 필요하다.[6][7]2. 3. 골격 및 물리 기반 애니메이션
기계 학습, 게임 개발, 인공 신경 과학 등 여러 분야의 협력을 통해 가상 인간에 대한 연구가 이루어지고 있다.- '''해부학 및 기하학''': 3D 스캐너, 디지털 변환기 및 소프트웨어 도구를 사용하여 인체를 모델링한다.
- '''머리카락 및 피부 생성, 표현 및 렌더링''':[4][5] 정확하고 성능이 좋은 시뮬레이션을 위해서는 컴퓨트 및 테셀레이션 셰이더와 같은 최신 컴퓨터 그래픽 기술이 필요하다.[6][7]
- '''환경 상호 작용에 대한 골격 애니메이션 및 물리 기반 애니메이션''': 파라메트릭 키프레임 세트를 선택하는 행동 트리,[8] 절차적 역 운동학, 또는 신경망 구동 운동 제어가 포함된다.[9] 모션 캡처를 통해 참조 데이터를 얻는 것이 일반적이다.
2. 4. 신체 표면 애니메이션 및 변형
기본 골격 구조의 움직임에 따라 보이는 신체 표면의 변형을 시뮬레이션한다.[10]2. 5. 얼굴 애니메이션
컴퓨터 얼굴 애니메이션은 인간 커뮤니케이션에 필수적인 역할을 한다. 얼굴 애니메이션 연구는 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 파라미터화된 모델을 사용하는 것이고, 다른 하나는 근육 모델을 사용하는 것이다.2. 6. 보행 생성
주어진 궤적과 속도를 기반으로 자연스러운 보행 동작을 생성해야 한다.[9]2. 7. 장애물 회피
장애물 회피는 장애물을 피하면서 걷기에 대한 최적의 궤적을 찾기 위해 비 교차 또는 비 충돌 위치 제약 조건에 따라 일부 제어 목표를 충족시키는 작업이다.2. 8. 파지
객체를 잡기 위해 최상의 팔과 손의 움직임을 생성해야 한다. 파지는 종종 '''도달'''이 선행되며, 머리와 몸통 제어뿐만 아니라 눈 제어와 시선에 크게 의존한다.[12]2. 9. 행동
가상 인간의 행동 연구는 기계 학습, 게임 개발, 인공 신경 과학과 같은 분야의 학제간 협력을 포함한다.- '''해부학''' 및 '''기하학''': 3D 스캐너, 디지털 변환기 및 소프트웨어 도구를 사용하여 인체 모델링.
- '''머리카락''' 및 피부 생성, 표현 및 렌더링.[4][5] 정확하고 성능이 좋은 시뮬레이션에는 컴퓨트 및 테셀레이션 셰이더와 같은 최신 컴퓨터 그래픽 기술이 필요하다.[6][7]
- 환경 상호 작용에 대한 '''골격 애니메이션''' 및 물리 기반 애니메이션. 방법에는 파라메트릭 키프레임 세트를 선택하는 행동 트리,[8] 절차적 역 운동학, 또는 신경망 구동 운동 제어가 포함된다.[9] 참조 데이터를 얻는 일반적인 방법은 모션 캡처를 통해 이루어진다.
- '''신체 표면 애니메이션 및 변형 또는 스키닝''': 기본 골격 구조의 움직임에 따라 가시적인 신체 표면의 변형 시뮬레이션.[10]
- '''얼굴 애니메이션''', 인간 커뮤니케이션에 필수적인 역할을 한다. 두 가지 주류 얼굴 애니메이션 연구가 존재한다: 파라미터화된 모델과 근육 모델.
- '''걷기''' 또는 보행 생성: 주어진 궤적과 속도를 기반으로 자연스러운 걷기 동작을 생성해야 한다.
- '''장애물 회피''': 장애물을 피하면서 걷기에 대한 최적의 궤적을 찾기 위해 비 교차 또는 비 충돌 위치 제약 조건에 따라 일부 제어 목표를 충족시키는 작업
- '''파지''', 객체를 잡기 위해 최상의 팔과 손의 움직임을 생성해야 한다. 파지는 종종 '''도달'''이 선행되며, 머리와 몸통 제어뿐만 아니라 눈 제어와 시선에 크게 의존한다.
- '''행동''':[11] 애니메이션에 더 많은 특징과 개성을 부여하여 기계 기반 애니메이션보다 더 자연스럽고 개인화되도록 노력한다. 예를 들어, 음성 제스처 생성.[12]
3. 유형
가상 인간은 제어 방식이나 목적에 따라 여러 가지로 분류할 수 있다.
3. 1. 제어 방식
가상 인간은 제어 방식에 따라 분류할 수 있다. 사용자가 직접 제어하는 방식과 기계가 제어하는 방식(NPC)으로 나뉜다.3. 2. 목적
- 디지털 채널에서 청중에게 영향력을 행사한다 (가상 인플루언서). 예시: 릴 미켈라.
- 디지털 채널에서 청중을 돕는다 (가상 비서). 예시: 루는 Magazine Luiza의 얼굴이자, 인스타그램 채널을 통해 사용자들의 질문에 답하고 문제를 해결함으로써 사용자를 돕는다.
- 가상 환경에서 사용자의 그래픽 표현을 제공한다 (아바타). 아바타는 더 팰리스, 세컨드 라이프, Active Worlds, IMVU, 제페토 등과 같은 온라인 세상에서 대중화되었다.
- 미디어에 출연한다 (가상 배우). 이러한 미디어는 가장 일반적으로 영화나 시리즈를 포함한다. 이러한 가상 배우는 실제 배우의 디지털 표현이거나 완전히 컴퓨터로 생성된 캐릭터일 수 있다.
4. 역사
가상 인간의 역사는 컴퓨터 그래픽 기술의 발전과 함께 진화해왔다.
20세기 초, 윌리엄 페터는 보잉에서 컴퓨터를 사용해 인체를 그린 최초의 인물로, "보잉 맨"으로 알려진 그림을 만들었다. 이후 "퍼스트 맨", "세컨드 맨" 등의 모델을 개발하여 조종사의 움직임을 시뮬레이션했다.[14]
이후 여러 회사에서 다양한 가상 인간 모델을 개발했다.
모델명 | 개발사 | 특징 | 주요 용도 |
---|---|---|---|
사이버맨[14] | 크라이슬러 | 15개의 관절, 관찰자 위치 미리 정의 | 자동차 안팎의 인간 활동 모델링 |
콤비맨[15] | (미상) | 35개의 내부 링크 골격 시스템 | 조종석에서 물건에 쉽게 도달할 수 있는지 테스트 |
보우먼[16] | 보잉 | 50번째 백분위수의 3차원 인간 모델, 23개의 관절, 가변적인 링크 길이 | 바구니와 같은 물건에 손을 뻗는 동작, 충돌 감지, 시각적 간섭 식별 |
샘미[17] | 노팅엄 대학교 | 17개의 관절이 있는 21개의 강체 링크, 다양한 신체 유형, 발전된 비전 시스템 | 일반적인 인체 공학적 설계 및 분석, 복잡한 물체 조작 |
뷰포드[18] | 록웰 인터내셔널 | 50번째 백분위수 인간 모델, CAD로 생성된 다각형, 15개의 독립적인 링크 | 운영자가 배치한 모델 주변의 도달 및 여유 공간 확인 |
프레데릭 파크는 유타 대학교에서 머리와 얼굴 표현을 제작하고, 더욱 현실적인 얼굴을 위한 매개변수 모델을 제안했다.[19] 또한, 포터와 윌머트의 원통형,[20] 허비슨-에반스의 타원체,[21] 배들러와 스몰리아르의 버블맨[22] 등 기본 부피를 사용한 가상 인간 모델도 연구되었다.
1980년대 초, 사이먼 프레이저 대학교의 톰 캘버트는 전위차계를 이용한 컴퓨터 애니메이션 인물을 만들었고,[23] 펜실베이니아 대학교에서는 잭 (인간 모델링) 소프트웨어 패키지가 개발되어 테크노마틱스에서 상용화되었다.
1980년대와 1990년대에는 여러 단편 영화와 데모가 제작되었다. 1982년 Information International Inc(트리플-I 또는 III)에서 피터 폰다의 3D 스캔을 제작하고 Adam Powers, the Juggler 데모를 제작하였다. 같은해 필립 베르제론, 나디아 마그네나-탈만, 다니엘 탈만은 Dream Flight를 제작했다.[24] 1985년 최초로 얼굴 애니메이션 기술을 사용한 영화 "Tony de Peltrie"가 제작되었다. 같은 해, Digital Productions는 믹 재거의 노래 Hard Woman 비디오를 개발하였고, 로버트 에이블 & 어소시에이츠는 TV 광고 "The Making Of Brilliance"를 제작하였다. 1987년에는 마릴린 먼로와 험프리 보가트를 시뮬레이션한 영화 Rendez-vous in Montreal이 제작되었다.[24] 1988년에는 아카데미상을 수상한 최초의 컴퓨터 제작 영화 "Tin Toy"가 나왔다. 1989년 영화 "The Abyss"에서는 인간의 얼굴을 얻는 물 같은 가짜 다리가 등장했고, 이후 "터미네이터 2"는 가상 인간 애니메이션의 이정표를 세웠다. 픽사의 “Geri's Game”은 아카데미상 단편 애니메이션 영화 부문을 수상했다.
1990년대부터는 실시간 애니메이션과 가상 세계와의 상호 작용에 대한 연구가 진행되었다. 가상 현실, 인간 애니메이션 및 비디오 콘텐츠 분석 기술이 융합되면서, 가상 현실에서 가상 인간과의 상호 작용, 가상 세계에서 복제본, 아바타 또는 참여자로서의 자기 표현이 가능해졌다. 궁극적으로는 적응, 지각, 기억을 갖춘 현실적이고 믿을 수 있는 가상 인간을 만드는 것이 목표이며,[26] 감정을 시뮬레이션하면서 자유롭게 행동할 수 있는 가상 인간을 만들기 위한 연구가 진행되고 있다.[27]
4. 1. 초기 모델
윌리엄 페터는 20세기 초 보잉의 아트 디렉터로, 컴퓨터를 사용하여 인체를 그린 최초의 인물이었다. 이 그림은 "보잉 맨"으로 알려져 있다. 보잉 747의 계기판 연구에 사용된 7개의 관절을 가진 "퍼스트 맨"은 골반, 목, 어깨, 팔꿈치를 움직여 많은 조종사의 움직임을 표시할 수 있게 했다. "퍼스트 맨"에 12개의 관절을 추가하여 "세컨드 맨"을 만들었으며, 에드워드 마이브리지가 제작한 일련의 사진을 기반으로 한 애니메이션 영화 시퀀스를 생성하는 데 사용되었다.[14]이후 여러 회사에서 다양한 모델을 개발했다.
모델명 | 개발사 | 특징 | 주요 용도 |
---|---|---|---|
사이버맨[14] | 크라이슬러 | 15개의 관절, 관찰자 위치 미리 정의 | 자동차 안팎의 인간 활동 모델링 |
콤비맨[15] | (미상) | 35개의 내부 링크 골격 시스템 | 조종석에서 물건에 쉽게 도달할 수 있는지 테스트 |
보우먼[16] | 보잉 | 50번째 백분위수의 3차원 인간 모델, 23개의 관절, 가변적인 링크 길이 | 바구니와 같은 물건에 손을 뻗는 동작, 충돌 감지, 시각적 간섭 식별 |
샘미[17] | 노팅엄 대학교 | 17개의 관절이 있는 21개의 강체 링크, 다양한 신체 유형, 발전된 비전 시스템 | 일반적인 인체 공학적 설계 및 분석, 복잡한 물체 조작 |
뷰포드[18] | 록웰 인터내셔널 | 50번째 백분위수 인간 모델, CAD로 생성된 다각형, 15개의 독립적인 링크 | 운영자가 배치한 모델 주변의 도달 및 여유 공간 확인 |
얼굴 모델링에서 프레데릭 파크는 유타 대학교에서 머리와 얼굴 표현을 제작했으며, 3년 후 더욱 현실적인 얼굴을 만들기 위한 매개변수 모델을 제안했다.[19]
일부 연구자들은 기본 부피를 사용하여 가상 인간 모델을 만들기도 했다. 포터와 윌머트의 원통형,[20] 허비슨-에반스의 타원체,[21] 배들러와 스몰리아르의 버블맨[22] 등이 그 예시이다.
1980년대 초, 사이먼 프레이저 대학교의 톰 캘버트는 전위차계를 신체에 부착하여 컴퓨터 애니메이션 인물을 만들었다. 캘버트의 애니메이션 시스템은 라바노테이션 및 운동학적 사양과 함께 모션 캡처 장치를 사용하여 캐릭터의 움직임을 완전히 지정했다.[23]
같은 시기에, 잭 (인간 모델링) 소프트웨어 패키지가 펜실베이니아 대학교에서 개발되었으며, 테크노마틱스에서 상용화되었다.
4. 2. 영화 및 데모 제작
1980년대 초, 여러 회사와 연구 단체에서 가상 인간 관련 단편 영화와 데모를 제작했다. Information International Inc(트리플-I 또는 III)는 피터 폰다의 3D 스캔을 제작하고 Adam Powers, the Juggler 데모를 제작하여 컴퓨터 그래픽의 잠재력을 보여주었다.1982년, 필립 베르제론, 나디아 마그네나-탈만, 다니엘 탈만은 Dream Flight를 제작했다. 이 영화는 그래픽 추상 데이터 유형 기반 파스칼 언어 확장인 MIRA 그래픽 언어를 사용했다. 이 영화는 여러 상을 받았으며 SIGGRAPH '83 영화 쇼에서 상영되었다. 1985년에는 최초로 얼굴 애니메이션 기술을 사용하여 이야기를 전달한 영화 "Tony de Peltrie"가 제작되었다. 같은 해, Digital Productions는 믹 재거의 노래 Hard Woman 비디오를 개발하여 양식화된 여성의 애니메이션을 보여주었다. 로버트 에이블 & 어소시에이츠는 TV 광고 "The Making Of Brilliance"를 제작하여 놀라운 움직임과 렌더링을 보여주었다.
1987년, 캐나다 공학 연구소 100주년 기념 행사를 위해 나디아 마그네나-탈만과 다니엘 탈만은 마릴린 먼로와 험프리 보가트가 몬트리올 구시가지 카페에서 만나는 장면을 시뮬레이션한 영화 Rendez-vous in Montreal을 제작했다. 이 영화는 실제 인간의 3D 복제와 행동 모델링에 대한 광범위한 연구 결과이다.[24]
1988년, "Tin Toy"는 아카데미상을 수상한 최초의 컴퓨터 제작 영화이다. 같은 해, deGraf/Wahrman은 Silicon Graphics를 위해 "Mike the Talking Head"를 개발하여 새로운 4D 머신의 실시간 기능을 시연했다.
1989년, Kleiser-왈착은 Dozo를 제작했다. 그들은 모션 분석의 광학 기반 솔루션을 사용하여 동작을 캡처했다. 같은 해, 영화 "The Abyss"에서 특정 시퀀스는 인간의 얼굴을 얻는 물 같은 가짜 다리를 보여준다. 1989년, "The Little Death"와 "Virtually Yours"의 배우 로타 데지레는 고급 얼굴 애니메이션과 최초의 컴퓨터 애니메이션 키스를 시연했다. 이후, "터미네이터 2" 영화는 1991년에 실제 사람과 장식이 혼합된 가상 인간 애니메이션의 이정표를 세웠다.
1990년대에는 Pixar의 “Geri's Game”을 포함한 몇 편의 단편 영화가 제작되었고, 아카데미상 단편 애니메이션 영화 부문을 수상했다.
4. 3. 최근 연구 동향
행동 애니메이션은 크레이그 레이놀즈에 의해 도입되고 개발되었다.[25] 그는 집단 직관과 움직임을 연구하기 위해 새떼와 물고기 떼를 시뮬레이션했다. 무스와 탈만은 여러 가상 인간을 가상 세계에 통합함으로써, 군중 시뮬레이션 분야를 개척했다.1990년대부터 연구자들은 실시간 애니메이션과 가상 세계와의 상호 작용으로 전환했다. 가상 현실, 인간 애니메이션 및 비디오 콘텐츠 분석 기술의 융합은 가상 현실에서 가상 인간의 통합, 이러한 가상 인간과의 상호 작용, 그리고 가상 세계에서 복제본, 아바타 또는 참여자로서의 자기 표현으로 이어졌다. 상호 작용은 다양한 사용자 구성 수준에서 가상 환경과 상호 작용하도록 계획되었다. 고사양 구성은 사용자가 음성, 제스처 및 생리적 신호로 가상 인간과 상호 작용하여 로컬 및 웹을 통해 디지털 데이터 환경을 탐색할 수 있는 몰입 환경을 포함할 수 있다. 이를 위해 가상 인간은 사용자의 제스처, 음성 및 표정을 인식하고 음성과 애니메이션으로 응답할 수 있게 되었다.[26] 이 개발의 궁극적인 목표는 적응, 지각 및 기억을 갖춘 현실적이고 믿을 수 있는 가상 인간을 만드는 것이다. 이러한 가상 인간은 감정을 시뮬레이션하면서 자유롭게 행동할 수 있는 가상 인간을 만들기 위한 오늘날의 연구의 길을 열었다.[27] 이상적으로는 환경을 인식하고 예측할 수 없는 가상 인간을 갖는 것이 목표이다.
5. 응용 분야
- 시뮬레이션 기반 학습 및 훈련 (운송, 토목 공학 등), 기술 개발, 팀 협업 및 의사 결정을 위한 가상 인간.
- 작업 환경 및 차량 내 인간 공학적 분석을 위한 가상 사용자.
- TV 및 웹용 가상 앵커.
- 비상 상황 시뮬레이션 및 훈련을 위한 가상 개인 및 군중.
- 의류 산업을 위한 가상 마네킹.
- 영화를 위한 가상 배우.
- 정형외과 수술, 성형 수술, 보철 및 재활 의학을 위한 가상 환자.
- 사회 불안 장애 및 공포증 치료를 위한 가상 인간, 가상 심리 치료.
- 건물, 조경, 조명 등을 갖춘 가상 도시 및 건축 시뮬레이션을 위한 가상 거주자.
- PC 게임 및 놀이공원/카지노를 위한 가상 캐릭터.
- 스포츠 시뮬레이션 및 교육을 위한 가상 운동선수.
- 전장 시뮬레이션, 팀 훈련, 평화 유지 작전 등 군사적 목적으로 활용되는 가상 병사.
- 인터랙티브 드라마를 위한 가상 캐릭터 (동음이의).
- 산업 또는 기타 작업 환경에서 인간 활동 시뮬레이션을 위한 가상 작업자.[28]
- 거주 문화 유산 지역을 위한 가상 고대인.
- 가상 컨퍼런스 참가자의 가상 표현은 대역폭 (컴퓨팅) 요구 사항을 줄이기 위해 사용된다.
- 장비 설계 및 유지 보수를 위한 가상 직원 (접근성, 수리 용이성, 안전성, 공구 간격, 가시성 등을 고려한 설계).
- 인간 공학적 분석을 위한 가상 인간.
- 가상 인플루언서 - 연구에 따르면 가상 인간의 인간과 유사한 외모가 광고 맥락에서 애니메이션과 같은 가상 인간보다 메시지 신뢰도가 더 높은 것으로 나타났다.[29]
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