[📚정보] Unreal Engine: Rig, FK, IK

[pluto(mayor1980)]

언리얼의 차세대 모션 기술에 대해 알아봅시다.

메타휴먼이 발전하며, 이를 제어할 고도의 모션 기술이 필요합니다.

모션이 사용되는 경우는 크게 세 종류로 나눠질 수 있겠습니다.

첫 번째는 미리 찍어둔 모션을 재생만 하는 경우입니다.

영화나 게임의 컷씬이 이 방법을 이용합니다.

잘 보이도록 미리 카메라 연출을 하고 수정할 수 있습니다.

두 번째는 사람의 모션을 실시간으로 캡쳐하는 경우입니다.

버튜버나 VR이 이 방법을 사용합니다.

카메라 연출이나 좋은 장면을 의도하기 쉽지 않지만, 대신 실시간입니다.

세 번째는 실시간으로 모션이 절차적 생성되는 경우입니다.

실시간으로 반응하는 NPC나 플레이어가 이 방법을 사용합니다.

한정된 입력으로 자연스러운 모션과 상호작용을 구현해야 해서 어렵습니다.

이번에 살펴볼 내용은 모션의 절차적 생성입니다.

Rig의 기본적인 정의부터, Motion Matching까지 차근차근 알아보겠습니다.

목표는 Witcher 4 데모가 어떻게 만들어졌는지 이해하는 것입니다.

실시간으로 두 캐릭터가 동기화된 상호작용 모션을 보여주고 다시 헤어집니다.

이 모션은 절차적으로 생성되었지만, 매우 높은 퀄리티를 보여주고 있습니다.

기존의 게임에서는 보기 힘든 형태의 동작임을 알 수 있습니다.

(플레이어 캐릭터도 아니고 그냥 배경의 NPC입니다)

Rig: Bone + Weight

모든 3D 애니메이션의 시작은 리깅(Rigging)입니다. 리깅은 찰흙처럼 정지해 있는 3D 모델(보통 '메시(Mesh)' 또는 '스킨(Skin)'이라 부름)에 움직일 수 있는 뼈대를 심고, 이 뼈대가 살(메시)을 자연스럽게 움직이도록 연결하는 전체 과정을 말합니다.

아무리 정교하게 모델링 된 캐릭터라도 리깅이 되어있지 않다면 단순한 디지털 조각상에 불과합니다. 리깅은 이 조각상에 생명을 불어넣어 애니메이션을 할 수 있는 '디지털 인형(Puppet)'으로 만드는 작업입니다.

이 과정은 크게 두 가지 핵심 요소로 나뉩니다.

1. Bone (본 / 스켈레톤)

본(Bone)은 캐릭터를 움직이기 위해 내부에 심는 뼈대(Skeleton)입니다. 관절(Joint)이라고도 부릅니다.

핵심은 '계층 구조 (Hierarchy)':

    본은 독립적으로 존재하는 것이 아니라, '부모-자식' 관계의 계층 구조로 엄격하게 연결됩니다. 이는 실제 생물의 뼈대와 같습니다.

    - 골반(Root) 본이 부모가 됩니다.

    - 어깨 본은 골반의 자식입니다.

    - 팔꿈치 본은 어깨의 자식입니다.

    - 손목 본은 팔꿈치의 자식입니다.

    이 계층 구조 때문에, 부모인 어깨를 회전시키면 자식인 팔꿈치와 손목이 자동으로 함께 따라 움직입니다. 이것이 모든 뼈대 애니메이션의 가장 근본적인 원리입니다.

2. Weight (웨이트 / 스키닝)

뼈대를 심었다고 해서 메시가 바로 따라 움직이지는 않습니다. 뼈(Bone)와 살(Mesh)을 연결해 주는 작업이 필요한데, 이를 스키닝(Skinning) 또는 웨이트 페인팅(Weight Painting)이라고 합니다.

'영향력'을 할당하는 과정:

    웨이트는 3D 모델의 표면을 구성하는 수많은 정점(Vertex) 각각에 대해, '어떤 본에 의해 얼마나 많은 영향을 받을지'를 숫자로 정의하는 값입니다. 이 영향력의 총합은 항상 1(100%)이 됩니다.

예시 (팔꿈치):

    - 팔꿈치 관절 부분의 한 정점은 어깨 본(부모)과 팔꿈치 본(자식)의 중간에 있습니다.

    - 이 정점에 '어깨 본 영향력 50%, 팔꿈치 본 영향력 50%'라고 웨이트 값을 할당하면, 두 뼈가 움직일 때 그 정점은 두 움직임의 중간 지점으로 부드럽게 이동합니다.

    - 만약 '어깨 본 100%'로 설정하면, 팔꿈치를 굽혀도 이 정점은 어깨를 따라가며 로봇처럼 각지게 꺾일 것입니다.

리깅이란, 모델에 계층 구조를 가진 뼈(Bone)를 만들고, 이 뼈가 메시의 각 정점에 얼마나 영향을 미칠지 웨이트(Weight)를 설정하여, 모델이 자연스럽게 변형(Deform)되며 움직일 수 있도록 준비하는 전체 과정입니다.

이렇게 뼈대와 웨이트 설정이 완료된 '리그(Rig)'가 준비되어야, 비로소 우리는 이 뼈대를 어떻게 '제어'할 것인지에 대한 다음 단계로 넘어갈 수 있습니다. 그리고 그 가장 첫 번째이자 기본적인 제어 방식이 바로 순방향 운동학(FK)입니다.

Forward Kinematics (FK)

FK는 '순방향'이라는 이름처럼, 뼈대(Bone)의 계층 구조를 따라 부모에서 자식 순서로 움직임을 제어하는 가장 기본적이고 직관적인 방식입니다.

1. 정확한 작동 방식

컴퓨터 그래픽스에서 스켈레톤은 '부모-자식' 관계의 계층 구조(Hierarchy)로 이루어져 있습니다. 예를 들어, 어깨 (부모) -> 팔꿈치 (자식) -> 손목 (손자) 순입니다.

FK 방식에서는 항상 부모가 자식을 이끕니다.

a)  애니메이터가 어깨 본을 회전시킵니다.

b)  어깨에 연결된 자식인 팔꿈치와 손목이 어깨의 움직임을 그대로 따라갑니다.

c) 그다음 애니메이터가 팔꿈치를 회전시킵니다.

d)  팔꿈치의 자식인 손목이 어깨의 회전 값 + 팔꿈치의 회전 값을 모두 더한 움직임을 따라갑니다.

이처럼 애니메이션 데이터가 뼈대 체인(Chain)의 루트(Root)에서 끝(End)으로 순차적으로 전달된다고 해서 '순방향(Forward)' 운동학입니다.

2. 언리얼 엔진에서의 구현

언리얼 엔진의 모든 애니메이션 시퀀스(UAnimSequence)의 기본 데이터가 바로 FK입니다.

- 애니메이션 시퀀스 애셋을 열어보면 타임라인에 따라 각 본(Bone)의 트랜스폼(주로 회전값)이 키프레임으로 저장되어 있습니다.

- 애니메이션 블루프린트(AnimBP)에서 Output Pose로 연결되는 모든 애니메이션 데이터는 기본적으로 이 FK 데이터가 재생되는 것입니다.

Inverse Kinematics (IK)

1. FK의 한계점

FK는 팔을 휘두르거나 꼬리를 흔드는 등, 호를 그리는(Arc-based) 움직임에는 매우 직관적입니다. 하지만 특정 목표 지점을 정확히 짚어야 할 때 치명적인 단점이 있습니다.

문제: 캐릭터의 손을 문고리 위치에 정확히 가져다 놓으려면 어떻게 해야 할까요? FK 방식으로는 어깨를 몇 도, 팔꿈치를 몇 도 돌려야 할지 일일이 수동으로 계산하고 수정해야 합니다. 이는 매우 비직관적이고 시간이 오래 걸리는 작업입니다.

핵심 한계: 뼈대 체인의 끝부분(End-Effector)을 특정 좌표에 고정(Pinning)하기가 극도로 어렵습니다.

2. IK의 해결 방안

IK는 '역방향'이라는 이름처럼, FK와 정반대로 작동합니다. 뼈대 체인의 끝부분(End-Effector)을 먼저 지정하면, 시스템이 중간 관절들의 회전 값을 자동으로 계산하여 뼈대 체인의 루트(Root) 방향으로 거슬러 올라가며 포즈를 만듭니다.

3. 정확한 작동 방식

a)  구성 요소:

    - IK 체인: IK를 적용할 뼈대 범위 (예: 어깨부터 손목까지)

    - 엔드 이펙터 (End-Effector): 체인의 끝. 우리가 제어하려는 대상 (예: 손목)

    - IK 골 (Goal / Target): 엔드 이펙터가 도달해야 할 목표 위치 (예: 문고리의 3D 좌표)

    - IK 솔버 (Solver): 이 모든 것을 계산하는 알고리즘.

b)  계산: 애니메이터가 IK 골을 움직이면, IK 솔버가 실시간으로 "엔드 이펙터(손목)를 이 골 위치에 도달시키려면 어깨와 팔꿈치가 몇 도로 회전해야 하는가?"라는 방정식을 풉니다.

c)  폴 벡터 (Pole Vector): IK의 유일한 문제는 '모호성'입니다. 손이 특정 지점을 향할 때, 팔꿈치가 위로 꺾일 수도, 아래로 꺾일 수도 있습니다. (사람의 무릎은 뒤로만 꺾여야 함) 폴 벡터는 이 모호성을 해결해주는 '힌트'입니다. 팔꿈치나 무릎 같은 중간 관절이 항상 바라봐야 할 방향을 지정해주는 별도의 컨트롤러(또는 좌표)입니다.

4. 언리얼 엔진에서의 구현

IK는 주로 애니메이션 블루프린트(AnimBP)의 '애님 그래프(Anim Graph)'에서 절차적(Procedural)으로 구현됩니다.

- 주요 노드:

    - Two-Bone IK: 가장 보편적인 노드. 팔, 다리처럼 2개의 뼈로 구성된 관절(예: 어깨-팔꿈치-손목 또는 허벅지-정강이-발)에 사용됩니다. '발'을 엔드 이펙터로, 땅바닥의 위치를 'IK 골'로 사용하여 울퉁불퉁한 지형에서도 발이 땅에 딱 붙게(Foot Planting) 만듭니다.

   - FABRIK (Forward And Backward Reaching Inverse Kinematics): 뼈 개수에 상관없이 여러 관절로 이루어진 체인(예: 척추, 꼬리, 촉수)에 유용한, 더 유연하고 성능이 좋은 IK 솔버입니다.

Control Rig

1. FK와 IK의 한계점

FK와 IK는 강력한 '방식'이지만, 그 자체로는 애니메이터에게 친절한 '도구'가 아닙니다.

- 문제 1 (복잡성): 실제 캐릭터 리그는 수백 개의 뼈로 이루어져 있습니다. 애니메이터가 매번 'L_Clavicle_01', 'L_UpperArm_02' 같은 뼈를 직접 선택하고, FK/IK 솔버를 수동으로 설정하는 것은 매우 비효율적입니다.

- 문제 2 (워크플로우): 전통적으로 이런 '리깅(Rigging)' 작업은 Maya나 Blender 같은 외부 DCC 툴에서만 가능했습니다. 언리얼 엔진은 완성된 애니메이션을 '재생'하는 곳이었지, '제작'하는 곳이 아니었습니다.

- 핵심 한계: FK와 IK라는 저수준(Low-level)의 방식을 애니메이터가 사용하기 쉬운 고수준(High-level)의 인터페이스로 추상화하고 통합할 표준화된 방법이 엔진 내부에 없었습니다.

2. 컨트롤 릭의 해결 방안

컨트롤 릭(Control Rig)은 스켈레톤의 복잡한 뼈 구조 위에 애니메이터를 위한 조작계(Interface)를 한 층 더 씌운 것입니다. 이는 동시에 언리얼 엔진 내부에서 직접 애니메이션을 '제작(Authoring)'하고 '수정'할 수 있게 해주는 강력한 노드 기반 시스템입니다.

3. 정확한 작동 방식

컨트롤 릭은 '뼈(Bone)'를 직접 조작하는 대신, '컨트롤러(Controller)'라는 가상의 제어점을 조작합니다.

a)  추상화: 애니메이터는 더 이상 뼈를 보지 않습니다. 대신 손 위치에 있는 원(Circle) 모양 컨트롤러, 발 위치에 있는 박스(Box) 모양 컨트롤러만 선택하고 움직입니다.

b)  로직 내장: 이 컨트롤러 내부에는 복잡한 로직이 숨겨져 있습니다.

    - 발 컨트롤러를 움직이면, 내부적으로는 해당 위치를 IK 골로 삼는 IK 솔버가 자동으로 작동하여 다리뼈들(허벅지, 정강이)의 회전 값을 계산합니다.

    - 팔 컨트롤러에는 FK/IK 전환 스위치가 달려있어서, 애니메이터가 슬라이더 하나로 FK 모드(팔 휘두르기)와 IK 모드(벽 짚기)를 실시간으로 오갈 수 있습니다.

3.  계층 구조: 컨트롤러들끼리도 부모-자식 관계를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 손가락 컨트롤러들은 손 컨트롤러의 자식이 되어 함께 움직입니다.

4. 언리얼 엔진에서의 구현

언리얼 엔진 5의 컨트롤 릭(Control Rig)은 플러그인으로 제공되는 고유한 시스템입니다.

- 노드 기반 그래프: 블루프린트와 유사한 비주얼 스크립팅 환경을 제공합니다. 여기서 컨트롤러를 생성하고, Get Bone Transform, Set Bone Transform, FABRIK IK 노드 등을 연결하여 리깅 로직을 구축합니다.

- 주요 사용처 1 (애니메이션 제작): 시퀀서(Sequencer)에서 컨트롤 릭을 활성화하여, 마치 Maya처럼 언리얼 엔진 레벨 안에서 직접 캐릭터의 포즈를 잡고 키프레임 애니메이션을 제작(Authoring)할 수 있습니다.

- 주요 사용처 2 (절차적 애니메이션): 애니메이션 블루프린트에서 Control Rig 노드로 실행할 수 있습니다. 이는 기존의 Two-Bone IK 노드를 완벽하게 대체합니다. 예를 들어, '지형에 따라 발을 맞추고, 발 위치에 따라 골반의 높낮이도 조절하며, 시선 방향에 따라 척추를 살짝 비트는' 복잡한 절차적 애니메이션 로직을 하나의 컨트롤 릭 그래프로 깔끔하게 구현할 수 있습니다.

Physics Based: Chaos

1. 컨트롤 릭 (FK/IK)의 한계점

컨트롤 릭은 애니메이터에게 '완벽한 통제권'을 줍니다. 이는 운동학(Kinematics, 힘을 고려하지 않는 움직임)의 정점입니다. 하지만 세상 모든 움직임을 애니메이터가 통제해야 할까요?

- 문제: 캐릭터가 갑자기 멈춰 설 때, 그의 망토 자락이나 긴 머리카락, 혹은 허리에 찬 체인의 움직임을 생각해 보십시오. 이 수백 개의 망토 주름과 머리카락 한 올, 체인 링크 하나하나를 애니메이터가 컨트롤 릭으로 '직접' 키프레임을 잡는 것은 불가능하며, 사실적이지도 않습니다.

- 핵심 한계: 컨트롤 릭은 '의도된' 움직임에는 완벽하지만, 캐릭터의 움직임이나 외부 힘(바람, 중력)에 '반응하는' 2차적인(Secondary) 움직임을 자동으로 생성하지 못합니다.

2. 카오스 물리의 해결 방안

카오스 물리(Chaos Physics)는 동역학(Dynamics) 기반의 접근 방식입니다. 애니메이터가 움직임의 '결과(포즈)'를 직접 만드는 대신, 오브젝트의 '물리적 속성(규칙)' (예: 질량, 뻣뻣함, 마찰력)을 정의하고, 물리 엔진이 '결과(움직임)'를 실시간으로 시뮬레이션(계산)하도록 맡깁니다.

3. 정확한 작동 방식 (카오스 옷)

a)  질점-스프링 모델: 카오스 옷(Chaos Cloth)은 3D 메시를 '뼈'가 아닌, 수많은 '질점(Particle, 질량을 가짐)'과 이들을 연결하는 '스프링(Spring, 제약조건)'의 집합으로 봅니다.

b)  속성 정의: 애니메이터는 이 스프링의 속성을 조절하여 재질을 결정합니다.

    - Stretch(신축) 강도: 얼마나 잘 늘어나는가 (청바지 vs. 스판덱스)

    - Bend(굽힘) 강도: 얼마나 뻣뻣한가 (가죽 vs. 실크)

c)  시뮬레이션: 게임이 실행되면, 카오스 엔진은 매 프레임마다 중력, 바람, 그리고 캐릭터 본체의 움직임(이것이 '충돌체' 역할을 함)을 받아 이 질점들에 적용합니다. 그리고 스프링 제약조건을 풀어서(Solve) 각 질점의 다음 위치를 계산합니다.

d)  웨이트 페인팅 (고정): 컨트롤 릭의 웨이트(스키닝)와는 다릅니다. 카오스 옷의 웨이트 페인팅은 "어느 부분이 시뮬레이션에서 제외될지(고정될지)"를 정의합니다. (예: 셔츠의 어깨선이나 바지의 허리띠 부분은 물리 시뮬레이션 없이 캐릭터 뼈를 그대로 따라가야 함)

4. 언리얼 엔진에서의 구현

- Chaos Cloth:

    - 스켈레탈 메시 에디터 내에서 특정 머티리얼 슬롯에 '클로스 데이터(Cloth Data)'를 생성하여 적용합니다.

    - 데이터플로우(Dataflow) 그래프라는 새로운 노드 기반 에디터를 사용하여 천의 물리 속성을 매우 세밀하게 설정하고, 웨이트 맵을 칠하는 등의 작업을 비파괴적으로 관리합니다.

- Chaos Hair (Groom):

    - 수십만 가닥의 머리카락(Render Strands)을 모두 시뮬레이션하는 것은 불가능합니다.

    - 대신, 눈에 보이지 않는 소수의 '가이드 가닥(Guide Strands)'만을 물리 시뮬레이션합니다.

    - 나머지 수많은 '렌더 가닥'들은 주변 '가이드 가닥'의 움직임을 참조하여 보간(Interpolation)된 움직임을 따라가며 매우 사실적인 흩날림을 표현합니다.

원래 글 하나짜린인데 뭔 키워드가 걸려서 그런지 계속 자동 삭제돼서 나눠서 올리겠습니다.

[아침빵(lobster7304)]

[pluto(mayor1980)]

[211214(tomatoss)]

언리얼은 저게 다 기본 내장되어있구낭..

[파베르(jaba001)]

4땐아니여서 직접만들때 ㅈ같았음

[pluto(mayor1980)]

이제 메타휴먼도 기본 제공해서 모델링도 쉬워진 것 같아요

[무장농부(weight5377)]

정보는 추천이야

[pluto(mayor1980)]

[익명(220.84)]

[pluto(mayor1980)]