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컴퓨터 알고리즘을 통한 그림자 연극의 창의적 동작 개발

2016.08.02 미래창조과학부

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컴퓨터 알고리즘을 통한 그림자 연극의 창의적 동작 개발
- 그림자 공연팀 노하우와 컴퓨터 공간탐색 능력 융합 알고리즘 개발 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 전신 그림자 연극을 전문으로 하는 공연팀의 지식에 기반한 공간탐색 알고리즘을 이용하여 컴퓨터가 인체 활용 공연 예술 분야의 콘텐츠를 창작할 수 있는 새로운 원천기술을 확보했다고 밝혔다.

□이제희 교수(서울대학교) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 컴퓨터 그래픽스 분야 국제 학술지 에이시엠 트랜잭션즈 온 그래픽스(ACM Transactions on Graphics)에 게재되었다.

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : Shadow Theatre: Discovering Human Motion from a Sequence of Silhouettes
- 저자 정보: 원정담(제 1저자, 서울대학교), 이제희(교신저자, 서울대학교)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성
○ 그림자 연극은 조명에 비친 물체 혹은 신체의 그림자를 통해 관객에게 이야기를 전달하는 공연 예술의 한 분야이다. 최근 대형 조명과 대형 스크린의 사용이 용이해짐에 따라 물체나 신체 일부분이 아닌 전신을 사용하여 그림자 연극을 하는 팀들이 생겨났다.
○ 전신 그림자 연극은 이전의 그림자 연극에 비해 규모도 크고 역동적이어서 과거의 공연들을 압도한다. 하지만 전신을 이용하여 특정한 모양을 만드는 것은 매우 제한적이고 쉽지 않은 일이다. 때문에 전신을 이용한 그림자 연극팀은 세계적으로도 많지 않다.
○ 최근 컴퓨터의 계산능력을 이용하여 공연 예술을 포함한 전반적인 문화 콘텐츠를 제작하려는 시도가 활발히 일어나고 있다. 이에 컴퓨터의 빠른 공간탐색* 능력을 활용한다면 전신 그림자 연극으로 표현되는 다양한 자세와 움직임을 자동으로 구할 수 있을 것이라 생각하여 연구에 착수하였다.
* 공간탐색 : 가능한 여러 경우를 대입해 보면서 알맞은 답을 찾는 방법

2. 연구 내용
○ 연구팀은 그림자 연극의 무대를 3D 그래픽스 기술을 활용하여 컴퓨터상에서 재현하였다. 그림자 연극의 주요한 요소는 빛, 스크린, 배우이다. 빛과 스크린의 위치와 방향은 고정적이나 배우들의 위치와 동작은 계속 변하며, 이에 따라 그림자의 모양이 결정된다.
○ 연구팀은 그림자 연극 문제를 기본적으로 사람의 미세한 자세변화가 그림자에 큰 영향을 미칠 수 있는 불량조건문제(ill-posed problem)*라 보았다. 입력 실루엣과 정확하게 닮은 동작을 찾는 것이 불가능하거나, 한 개의 입력 실루엣에 다양한 수 개의 동작들이 존재할 수 있는 가능성이 있기 때문이다.
* 불량조건문제(ill-posed problem) : 잘 정의된 문제가 아닌 것. 잘 정의된 문제는 해(답)이 존재하고 유일하며, 문제의 초기조건 변화량에 비례하여 해가 연속적으로 변화한다. 초기조건이 조금 변하면 결과도 조금 변화하는 것이다. 즉 그림자 문제는, 사람의 미세한 자세변화가 결과 그림자에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 ‘잘 정의된 문제’라고 볼 수 없는 것이다.
○ 게다가 입력된 실루엣에 따른 컴퓨터상 인체의 동작이 실제로는 불가능에 가까운 경우도 고려해야 했다. (한 손으로 땅을 짚는 물구나무서기 자세 등) 설령 인체가 표현 가능한 범위 내의 동작이 도출됐다 하더라도 스크린 크기 등 무대 조건의 제약에 따라 달라질 수 있었다. 이 때문에 그림자 공연 연구는 숙련된 전문 공연팀의 도움을 필요로 했다.
○ 이에 연구팀은 위와 같은 선택의 문제와 환경 제약의 한계를 극복하기 위해 그림자 연극 전문 공연팀을 직접 방문하였다. 그들이 처음 동작을 만들고 연습하는 전반적인 과정을 녹화한 후 분석하였다. 연구팀은 공연팀이 사용하는 6가지의 주요 전략*을 발견하였다.
* 6가지 주요 전략 : 주요자세(연속적인 입력 실루엣이 주어졌을 경우, 대표적인 모양에 해당하는 하나의 시간 단계(time step)에 대한 자세를 우선으로 만드는 것), 특징점(모양 인식 시 큰 영향을 주는 것을 고려), 시선처리(배우가 스크린을 쳐다볼 수 있어야 함), 몸의 균형, 크기(스크린 대비 배우 동선 가능 공간 고려), 최소동작.

○ 연구팀은 그림자 연극을 위한 주요 자세를 생성하기 위한 답을 찾기 위해 수학적 함수를 푸는 방법을 선택하였다. 변수는 사람의 자세를 결정하는 관절들의 각도와 위치, 목적함수는 결과 그림자가 입력 실루엣과 얼마나 닮았는지 그리고 찾아낸 신체의 자세가 앞선 전략들을 얼마나 만족하는지를 표현한 수식들이다. 연구팀은 위와 같이 구성된 수학적 함수의 답을 CMA*를 사용하여 구하였다.
* CMA(Covariance Matrix Adaptation) : 공간탐색 기법 중에 한 가지 방법. 일반적으로 목적함수가 비선형, 미분불가능인경우에 사용한다. 초기 통계분포를 가지고 새로운 여러 해를 추출하고, 해당 해들 중에 좋은 해들을 가지고 통계분포를 개선한다. 이러한 추출-개선의 방법을 반복하여 최종적으로 해를 구하는 방법이다.

○ 다양한 실루엣에 대한 실험을 진행한 결과, 사람이 가능할 만한 동작을 발견할 수 있었다. 특히 코끼리와 토끼와 같이 복잡하게 생긴 동물에 대해서도 컴퓨터는 그럴듯한 동작을 제시해주었다. 자동차와 바이올린과 같이 추가적인 물체를 사용하는 경우에도 위 실험은 유효했다.
○ 연구팀은 이러한 동작을 3D 프린터로 출력하여 현실에서도 유효하다는 것을 확인하였다. 출력된 모형을 이용한 작은 무대에서도 컴퓨터상의 계산결과와 비슷한 그림자 이미지를 얻을 수 있었다.

3. 연구 성과
○ 연구팀이 전문 공연팀으로부터 얻은 6가지 주요 전략과 제약조건들은, 최적화 알고리즘이 사람이 표현 가능한 동작이 있는 곳을 집중적으로 탐색할 수 있도록 도와주었다.
○ 해당 알고리즘을 통해 기존 그림자 연극에서 표현하기 어려웠던 전신 자세나 동작을 쉽고 편하게 변형할 수 있게 되었다. 또한 새로운 표현을 위한 자세와 동작을 발굴하기 용이해짐으로서, 그림자 연극의 질이 높아지고 콘텐츠가 더욱 풍부해질 것으로 기대된다.
○ 또한 해당 기술을 통해 기존 그림자 연극의 콘텐츠를 늘릴 수 있을 뿐만 아니라, 사람의 ‘전신’을 활용한 예술 관련 분야의 새 지평을 열 것으로 전망된다. 인체를 이용한 거대한 조각품 제작이 그 예이다. 게다가 모형의 3D 프린터 인쇄가 가능한 점은 향후 아이들의 미술, 체육 등의 교육을 위한 교구 제작 시 새로운 길을 제시해 줄 것이다.

□ 이제희 교수는“해당 성과는 컴퓨터의 빠른 탐색능력을 이용해 인간이 미처 발견하지 못한 창의적인 자세와 움직임을 발견하고 만들어내는 기술을 제시한 것”이라며 “해당 알고리즘을 통해 그림자 공연에서의 콘텐츠뿐만 아니라, 비슷한 접근 방법을 통해 다른 공연 ·예술 분야의 콘텐츠 발굴에도 많은 영감을 제공할 것”이라고 본 연구의 의의와 활용도를 밝혔다.

“이 자료는 미래창조과학부의 보도자료를 전재하여 제공함을 알려드립니다.”

<자료출처=정책브리핑 www.korea.kr>

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