아바타: 물의 길을 탄생시킨 물 표현 기술

현재 유니티 산하에 있는 Wētā Digital에서는 아바타: 물의 길 속 세상을 생생하게 구현하기 위해 사용된 다수의 툴과 솔루션을 개발했습니다. 이번 게시물은 영화에서 물을 사실적으로 표현할 수 있었던 CGI 기술을 살펴보겠습니다. 영화에 쓰인 툴을 누구보다도 먼저 사용해 보고 싶다면 유니티 웹사이트에서 Unity Wētā Tools 베타에 등록하세요.

제임스 카메론은 물을 다루는 데 익숙합니다. 타이타닉을 작업했던 것 외에도, 2012년에는 잠수정을 조종하여 거의 11km 깊이의 지구에서 가장 깊은 태평양의 마리아나 해구 바닥까지 단독 잠수를 해내는 기록을 세우기도 했습니다. 제임스 카메론은 그때 찍은 2014년도 다큐멘터리 딥씨 챌린지에서 “여기 해저에서는 인간의 상상력을 가뿐히 넘어서는 자연의 상상력을 느낄 수 있습니다”라고 말했습니다.

판도라 세계와 그 아름다운 비주얼이 결국 카메론의 상상력에서 비롯되었음을 생각하면 분명 놀라운 광경이었을 것입니다.

물의 부족인 멧카이나족의 새로운 산호초 마을이 등장하는 속편에서 카메론의 비전을 표현하려면 시각 효과를 대규모로 사용해야 했고, 특히 배경의 주가 되는 물에 대한 효과가 많이 필요했습니다.

다양한 시상식을 휩쓴 물 효과를 포함해 영화의 VFX를 만드는 데 사용된 툴과 솔루션은 현재 유니티의 자회사인 Wētā Digital에서 개발했습니다.

캐릭터와 물 요소 사이의 상호 작용을 가능한 한 사실적으로 표현하기 위해 유니티 및 Wētā의 물 시뮬레이션 VFX 전문가인 알렉세이 스토마힌, 스티브 레서, 조엘 레트본, 션 플린을 포함한 전문가들이 모여 ‘물 표현 전담 팀’을 구성했습니다. 이 팀에서 개발한 물 효과 툴 세트는 최근 VES Awards의 첨단 기술 부문에서 수상의 영예를 안았습니다.

이들은 디테일에 온 신경을 기울이기 위해 뉴질랜드의 NIWA(해양연구소)와 협력하며 광범위한 연구와 실험을 수행하여 CGI 물을 만드는 최상의 접근 방식을 찾았습니다. 이때 조수, 바람, 해저가 수생 환경에 미치는 영향도 고려했습니다.

아바타: 물의 길에는 2,225개의 장면에서 물 효과가 필요했으며, 일부 장면에는 필요한 수준의 고해상도를 구현하기 위해 최대 8일간의 시뮬레이션이 필요했습니다.

한 장면에서 50개 이상의 크리처가 물과 상호 작용한 씬도 많았습니다. 이로 인해 커다란 크리처용 대형 도메인부터 피부 표면의 얇은 막을 표현하기 위한 서브밀리미터 해상도에 이르기까지 다양한 규모에 맞는 정확한 시뮬레이션이 필요하다는 문제가 발생했습니다.

모든 경우에 알맞는 물 표현 시스템을 만들기란 계산상 불가능했기 때문에 계산 시간을 최소화하기 위해 여러 가지 개별 솔버를 통해 툴 세트가 개발되었습니다.

“Loki 물 상태 머신은 이 영화에서 대규모의 물 효과가 나타나는 장면 다수를 구현하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 일반적인 VFX 영화에서 이 정도로 복잡한 물 효과가 나타나는 장면은 흔치 않고, 이를 구현하려면 매우 숙련된 아티스트의 수많은 반복 작업과 패스가 필요합니다. 반면 저희가 택한 상태 머신 접근 방식을 사용하면 업계에 갓 입문한 아티스트도 한 번의 패스만으로 훌륭한 결과물을 만들어 낼 수 있었습니다.” – 션 플린, Unity x Wētā Digital 시뮬레이션 리드

이 팀에서 개발한 대부분의 물 효과 툴은 Wētā의 독점 시뮬레이션 프레임워크인 Loki에 포함되어 있습니다. 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 있습니다.

상태 머신

이러한 솔버 중 다수는 공중 분무 시스템인 Loki 상태 머신에 속해 있습니다. 물 상태가 주변 공기와 결합되며 상태 간 전환은 질량과 운동량이 보존되는 방식으로 처리됩니다.

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

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

SIGGRAPH 2019에서는 물이 피부 위로 흐르다 떨어질 때의 정확도 높은 표면 장력과 접착 효과에 중점을 두고 캐릭터와 물의 근접 상호 작용을 모델링하기 위한 실용적인 접근 방식이 제시되었습니다. 당시 팀은 카메론이 각본에 참여한 알리타: 배틀 엔젤의 한 장면을 통해 이 방식을 활용하면 1밀리미터도 안 되는 규모에서 전체 캐릭터를 물 한 겹으로 덮을 수 있을 만큼 뛰어난 품질의 이펙트 해상도를 이 접근 방식으로 구현할 수 있다는 사실을 보여 주었습니다.

이 접근 방식은 기존의 셀 내 입자(FLIP/APIC) 솔버를 조정하여 물과 고체 간의 소규모 상호 작용 역학을 캡처하는 것이었습니다. 이후 이 기술은 아바타: 물의 길 제작 과정에서 발전하여 물에서 등장하는 캐릭터와 관련된 모든 시퀀스를 처리하는 데 활용되었습니다.

“서브밀리미터 규모에서 물 역학을 시뮬레이션해야 했기 때문에 결코 간단한 솔루션은 아니었습니다. 계산하는 데 며칠이 걸리는 경우도 많았습니다. 아티스트가 최소한의 튜닝만 하면 물리적으로 진짜 같은 비주얼을 즉시 제작할 수 있을 만큼 솔버가 확장성이 좋고 견고하며 안정적이어야 했습니다.” – 알렉세이 스토마힌, Unity x Wētā Digital 수석 리서치 엔지니어

아바타: 물의 길의 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 것이었습니다. 기포 자체는 중심 및 확산이라는 두 영역으로 표현됩니다.

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

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

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

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

물속의 움직임으로 생성된 수중 기포가 수면에 도달하여 거품으로 변하는 움직임을 사실적으로 구현하기 위한 기술이 개발되었습니다. 이 기술은 아바타: 물의 길에서 물이 등장하는 거의 모든 장면에 중요하게 활용되었습니다.

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 어렵습니다. 이런 급류 효과는 보통 독립적인 라그랑지언 입자로 시뮬레이션됩니다.

“저희가 급류 효과를 구현할 때 중요했던 것은 기포와 결합된 그리드 기반 유체 솔버와 수면에 제한된 거품용 SPH 솔버 간의 상호 작용입니다. Loki의 선언적 솔버 프레임워크는 새로운 솔버를 개발하지 않고도 프로덕션에서 복잡한 시스템을 구축하고 지원할 수 있게 해 줍니다.” – 조엘 레트본, Unity x Wētā Digital 시니어 리서치 엔지니어

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

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

물 표현 전담 팀에서 사용된 시뮬레이션 기술은 Wētā Digital의 전현직 동료들과 알렉세이 스토마힌, 조엘 레트본, 케빈 블룸, 질 다비에, 스티브 레서, 존 에드홀름, 이노훈, 에스턴 슈바이카르트, 샤오 자이, 션 플린, 앤드류 모팻, 게리 보일, 토마스 스크리반, 안드레아스 소더스트론, 존 요한슨, 크리스토퍼 스프렌저, 켄 무세스, 크리스 보이탄을 포함한 Wētā FX 및 교육 기관의 동료들이 만들었습니다. Unity Wētā Tools 베타에 대해 자세히 알아보세요.