'화이바맨' 캐릭터리깅 튜토리얼- 13부(Skinning)

글. 이성근

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들어가는 말

뼈대를 만들고 IK 핸들을 팔, 다리에 심는다고 해서 캐릭터가 뼈대를 따라 움직이는 것이 아닙니다. 캐릭터가 뼈대를 따라 움직이기 위해서는 캐릭터 서피스를 뼈대에 묶는 과정이 필요합니다. 이러한 과정을 스키닝(Skinning)이라고 합니다.

13회차 튜토리얼에서는 이와 같은 캐릭터 서피스를 뼈대에 묶는 스키닝에 대해 살펴보도록 하겠습니다.  

본론

1. 바인딩(Binding) 이란?

바인딩(Binding)은 밧줄을 이용하여 두 물체를 묶는 것처럼 캐릭터 서피스를 뼈대에 묶는 것을 말합니다. 일단, 캐릭터 서피스가 뼈대에 묶여지게 되면 뼈대를 이용해 캐릭터의 다양한 포즈를 잡을 수 있습니다.

<Note> 바인딩과 스키닝(Skinning)

스키닝은 캐릭터 서피스를 뼈대에 묶는 과정을 말합니다. 이렇게 뼈대에 묶여진 캐릭터 서피스를 스킨(Skin)이라 부릅니다. 바인딩과 스키닝의 개념이 비슷해 혼동하기 쉽습니다. 주의해서 사용하세요.

2. 바인딩에 사용하는 툴

Skin > Bind Skin > Smooth Bind / Rigid Bind

캐릭터 서피스를 뼈대에 묶기 위해서는 스므스 바인딩과 리지드 바인딩을 사용할 수 있습니다. 스므스 바인딩(Smooth Bind)은 말 그대로 관절이 회전할 때 피부가 부드럽게(Smooth) 변형되는 것을 말하며, 리지드 바인딩(Rigid Binding)은 관절이 회전할 때 피부가 딱딱하게(Rigid) 변형되는 것을 말합니다.    

이처럼 스므스 바인딩과 리지드 바인딩의 결과가 다르게 나타나는 이유는 리지드 바인딩은 서피스의 점에 오직 하나의 관절만이 영향을 미칠 수 있고, 스므스 바인딩은 여러 개의 관절이 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

따라 이두근을 부풀리기 위해(보통 알통이라고 하죠.) 아래팔을 몸 안쪽으로 굽힐 경우(팔굽 관절의 회전), 서피스를 리지드 바인딩으로 묶었을 때는 아래팔이 이두근쪽으로 파고 들어가는 현상이 생기는 반면, 스므스 바인등으로 묶었을 때는 팔굽 관절 부분이 부드럽게 변형돼 아래팔이 이두근쪽으로 파고 들어가는 현상이 생기지 않습니다.

<그림_01> 리지드 바인딩과 스므스 바인딩의 결과 비교

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리지드 바인딩 1번 그림, 스므스 바인딩 2번 그림

3. 효율적으로 바인딩하는 방법

그럼 리지드 바인딩과 스므스 바인딩 중 어느 방법이 더 효율적일까요? 스므스 즉, 부드러움이라는 말의 어감이나 서피스 변형으로 볼 때 스므스 바인딩이 더 좋은 방법이라고 생각하기 쉽습니다. 그러나 스므스 바인딩으로 서피스를 묶을 경우 서피스의 점이 동시에 지나치게 많은 관절에 영향을 받을 수 있기 때문에 예기치 못한 서피스 변형이 생기기 쉽습니다. 서피스의 점과 관절의 수가 많을수록 작업량은 점점 늘어나고 어색한 변형이 자꾸 생겨 밤샘을 해야 할지도 모릅니다. 따라 리지드 바인딩의 단순함과 스므스 바인딩의 부드러움을 한꺼번에 충족시킬 수 있는 방법이 가장 효율적인 방법이 아닐까 생각합니다.  

이러한 요구를 충족시킬 수 있는 하나의 방법으로 앨리아스 사에서 최근에 출시한 서적인 “Hyper-Realistic Creature Creation”에 나와 있는 바인딩 방법을 소개하겠습니다.

이 방법은 스므스 바인딩을 사용하지만 맨 처음 바인딩할 때 리지드 바인딩과 같은 효과를 내기 위해 Max Influences 값을 1로 고치고 스므스 바인딩을 적용합니다. Max Influence의 값이 1이기 때문에 서피스의 점은 근접에 있는 하나의 관절에만 영향을 받게 돼 불필요한 관절의 영향을 받지 않습니다. 하지만 팔굽이나 어깨 관절 변형 시 리지드 바인딩처럼 살을 파고드는 효과가 생기기 때문에 이 부분을 부드럽게 조절하는 것이 필요합니다. 결국, 서피스 점이 여러 개의 관절에 영향을 받도록 Man Influences 값을 4나 5로 바꿔 줘야합니다. 이때 Man Influences만 고치면 된다는 단순한 생각으로 서피스를 선택하고 Edit Smooth Skin > Set Max Influences 값을 4나 5로 바꾼다면 우리가 처음에 만들었던 단순하고 명쾌한 영향력 분포가 사라지게 됩니다.

따라 이와 같은 우를 범하지 않기 위해서는 Man Influences의 값을 바꾸기 전에 Paint Skin Weights Tool에서 모든 Influences의 웨이트(weight)값을 홀드(hold)하는 것이 필요합니다. 모든 Influeces의 웨이트 값을 홀드하고 Man Influences의 값을 4로 바꿀 경우 영향력 분포가 변하지 않으면서 각 점에 영향을 주는 관절의 개수가 최대 4개까지 늘어나기 때문에 어깨나 팔굽 부분의 어색한 변형을 자연스럽게 조절할 수 있습니다.  

< 작업 과정 요약 >

1. 뼈대와 서피스를 선택하고 스므스 바인딩 적용. 이때 Max Influences 값을 1로 고칠 것
2. 서피스를 선택하고 Paint Skin Weights Tool에서 모든 Influences를 홀드(hold)할 것
3. Edit Smooth Skin > Set Max Influences의 값을 적절하게 고치고(리얼한 캐릭터의 경우 4~5의 값 적당) 서피스에 적용할 것    
4. 어깨 관절 부분의 웨이트를 수정할 경우 어깨 관절과 아울러 이 관절에 가까이에 있는 관절(예를 들어 빗장뼈나 어깨뼈 관절)의 홀드를 풀어 줄 것 - 단, 나머지 관절의 홀드는 계속 유지할 것  
5. 5~10프레임 정도의 위팔이 회전하는 애니메이션을 만들고 타임 슬라이더를 조절하면서 어깨 부분의 웨이트를 적절하게 조절할 것
6. 왼쪽 부분이 완성됐으면 이 웨이트 값을 오른쪽으로 대칭 복사하기 위해 Edit Smooth Skin > Mirror Skin Weights 액션을 사용할 것
7. 웨이트 값 조절시 생기는 0.01과 같은 아주 작은 값을 제거하기 위해 Prune Small Weights 액션을 사용할 것

4. 바인딩 예제  

4.1. 캐릭터 서피스와 뼈대 준비하기

4.1.1. 캐릭터 서피스 준비하기

캐릭터 서피스는 기존에 사용했던 화이바맨 캐릭터를 그대로 활용하겠습니다.

4.1.2. 몸통 뼈대 만들기

이번 예제에서 뼈대는 하나의 뿌리 관절에 모든 관절이 통합되는 방식을 사용하였습니다. (구체적으로 뼈대를 만드는 방법은 “FBIK 뼈대 만들기” 튜토리얼을 참고하세요) 주의할 점은 뿌리 관절(bodyJ_1), 첫 번째 척추 관절(spineJA_1), 첫 번째 골반 관절(pelvisJA_1)의 위치가 같습니다. 이는 같은 위치에 3개의 관절을 만들고 척추와 골반을 뿌리 관절에 연결했기 때문입니다. 이러한 뼈대 계층 구조를 만드는 방법은 앞으로 진행할 “JCon을 이용한 뼈대 만들기”에서 자세히 다루겠습니다.        

<그림_02> 캐릭터 서피스와 뼈대,  아웃라이너에서 뼈대 계층 구조

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4.1.3. 얼굴 뼈대 만들기   

얼굴뼈에서 가장 중요한 관절은 입을 여는 턱 관절입니다. 따라 턱 관절의 위치를 정확히 잡는 것이 중요합니다. 턱 관절 위치를 정확히 잡기 위해 가상의 선을 가이드로 사용하겠습니다.

- 눈두덩과 귓불을 연결하는 가상의 선을 만드세요.
- 그 선의 끝 부분인 귓불에서 얼굴 옆의 턱 선을 따라 새로운 선을 만드세요.
- 두 번째로 만든 선의 가운데 부분이 바로 아래턱을 움직이는 턱 관절의 위치입니다.   

<그림_03> 노란 색의 로케이터의 위치가 바로 턱 관절 위치입니다.  

4.1.3.1. 아래턱뼈 만들기

- 위에서 지정한 턱 관절 위치에 Joint Tool을 이용해 새로운 관절을 만드세요.
- 아래 입술 밑을 클릭하고 엔터키를 눌러 아래턱뼈를 완성하세요.
- 이 아래턱뼈를 첫 번째 머리뼈(headJA_1)에 자식으로 연결하겠습니다. 자식이 되는 관절인 아래턱뼈 뿌리 관절을 먼저 선택하고 Shift키를 누르면서 부모가 되는 관절인 첫 번째 머리뼈 관절을 선택하세요. 마지막으로 단축키 p키를 누르세요.
- 이름을 순서대로 jawLowerJA_1, jawLowerJEnd_1로 고치세요.

<그림_04> 아래턱뼈 만들기  

4.1.3.2. 위턱뼈 만들기

- 위턱뼈는 아래턱뼈와 같은 위치에서 시작해야 합니다. 그러나 서로 독립된 관절로 존재해야하기 때문에 Status line에서 관절 아이콘 선택을 해제하세요.
- 포인트 스냅을 하기 위해 v키를 누르고 아래턱뼈 뿌리 관절을 클릭하세요.
- 윗입술 위를 클릭하고 엔터키를 눌러 위턱뼈를 완성하세요.
- 위턱뼈도 아래턱뼈와 똑같이 첫 번째 머리뼈 관절에 자식으로 묶으세요.
- 이름을 순서대로 jawUpperJA_1, jawUpperJEnd_1로 고치세요.

<그림_05> 위턱뼈 만들기

4.1.3.3. 눈 뼈 만들기

눈 뼈는 안구를 바인딩하거나 부모자식 관계로 묶은 다음 Aim Constraint를 사용하여 눈의 시선을 컨트롤하는데 사용할 것입니다.
눈 뼈가 안구를 정확히 컨트롤하기 위해서는 안구의 중심선을 지나야 합니다. 이를 위해 포인트 컨스트레인트를 사용하겠습니다.

- 먼저 독립된 관절 하나를 만드세요.
- 다음 대장인 안구를 선택하고 Shift키를 누르고 졸개인 관절을 선택하세요. Constrain >  Point를 클릭하세요.(디폴트 옵션 적용) 관절이 안구의 중심에 정확히 스냅되는 것을 알 수 있습니다.
- 새로운 관절을 만들기 위해 Joint Tool을 선택하세요. 마우스 커서가 십자 표시로 바뀌면서 관절을 만들 수 있는 상태로 변합니다.
- 새로 만드는 관절이 눈동자의 정점에 정확하게 스냅하기 위해 안구 위에서 마우스 오른쪽 버튼을 누르세요. 안구의 구성 요소를 선택할 수 있는 팝업 창이 뜹니다. 이 중에서 Control vertex로 드래그하세요. 안구의 CVs가 보이게 됩니다. 눈동자의 정점에 포인트 스냅하기 위해 v키를 누르고 십자 커서를 클릭하세요. 하나의 독립된 관절을 만들기 위해 엔터키를 누르세요. 눈동자의 정점에 정확하게 스냅된 관절이 완성되었습니다.
- 앞에서 만든 눈 중심에 있는 관절과 눈동자 정점에 있는 관절을 부모 자식 관계로 연결해 하나의 눈 뼈를 만드세요. 자식이 되는 눈동자 점정에 있는 관절을 선택하고 Shift키를 누르며 부모가 되는 안구 중앙에 있는 관절을 선택하세요. p키를 누르세요. 안구의 중심을 가로지는 눈 뼈가 완성됩니다.   
- 눈 뼈에 적용된 포인트 스냅은 이제 필요 없기 때문에 아웃라이너에 선택하고 지우세요.
- 눈 뼈는 좌우 대칭이기 때문에 오른쪽도 만들어야 합니다. 캐릭터가 원점에서 좌우 대칭이기 때문에 왼쪽 눈을 간단히 복제해서 오른쪽 눈을 만들겠습니다. 왼쪽 눈을 복제하세요.(디폴트 옵션)
- 그 다음 왼쪽 눈 뼈처럼 오른쪽 안구에 포인트 스냅하세요. 오른쪽 눈 뼈가 정확한 위치에 스냅되면 포인트 컨스트레인트를 지우세요.   
- 완성된 눈 뼈를 캐릭터 뼈대에 포함시켜야 합니다. 첫 번째 눈 뼈 관절을 자식으로 마지막 머리뼈 관절(headJEnd_1)을 부모로 연결하세요.
- 왼쪽 눈 뼈 관절의 이름을 eyeJALf_1, eyeJEndLf_1로 고치세요. 오른쪽 눈 뼈는 eyeJARt_1, eyeJEndRt_1로 고치세요.    

<그림_06> 눈 뼈 만들기

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4.2. 캐릭터에서 바인딩에 사용할 관절 선택하기

보통 바인딩할 때 뿌리 관절을 선택하고 Smooth Bind 옵션에서 Bind to > Joint Hierarchy로 설정하는 경우가 많습니다.(디폴트 설정) 이럴 경우 서피스 변형에 아무런 영향도 주지 못하는 마지막 관절(예를 들어 손가락 끝, 머리 끝, 발가락 끝 관절)까지 웨이트 값이 지정됩니다. 마지막 관절은 사실상 하는 일이 없기 때문에 이들을 선택하지 않는 것이 작업 속도를 향상시키고, Paint Skin Weights Tool의 Influences 목록 창을 깔끔하게 정리할 수 있는 좋은 방법입니다. 따라 본 예제에서는 머리 끝, 발가락 끝, 손가락 끝, 턱 끝, 눈 끝처럼 불필요한 관절을 제외하겠습니다. 아울러 뿌리 관절과 첫 번째 머리뼈 관절도 선택하지 않겠습니다. 이들은 본 예제에서 Influence로 사용하지 않기 때문입니다. - Influence로 사용할 관절의 선택은 캐릭터 뼈대와 작업 환경에 따라 다 다르기 때문에 사용자가 적절하게 선택해야 합니다.    

4.2.1. 하이퍼그래프에서 불필요한 관절 제외하기

- 일단 뼈대의 모든 관절을 선택하겠습니다. 최상위 관절을 선택하세요. Edit > Select Hierarchy 클릭하세요. 뿌리 관절 밑에 있는 모든 관절이 다 선택되었습니다.
- 다음으로 바인딩에 불필요한 관절을 하이퍼그래프를 이용해 제외하겠습니다.

하이퍼그래프를 여세요. Ctrl 키를 누르고 뼈대 계층 구조에서 손가락 끝처럼 마지막에 존재하는 관절과 최상위 관절, 첫 번째 머리뼈 관절을 선택하세요.     

<그림_07> 하이퍼그래프에서 불필요한 관절 제외하기  

4.3. 캐릭터에 Smooth Bind 적용하기

뼈대가 선택된 상태에서 Shift키를 누르고 캐릭터 서피스를 선택하세요. Skin > Bind Skin > Smooth Bind 옵션 버튼을 클릭하세요. 옵션을 다음과 같이 조정하세요.

Bind to :  Selected Joints
Bind Method : Closet In Hierarchy
Max Influences : 1

나머지 옵션은 디폴트 설정으로 사용하겠습니다.  

<그림_08> Smooth Bind 옵션  

4.4. 바인딩 상태 확인하기

캐릭터 피부를 선택하고  Skin > Edit Smooth Skin > Paint Skin Weights Tool을 클릭하세요. Max Influences 값을 1로 적용했기 때문에 어깨와 같은 관절 부분에서 영향력 변화가 흰색에서 검은색으로 급하게 떨어지는 것을 볼 수 있습니다.

<그림_09> Paint Skin Weights Tool을 사용하여 관절 영향력 확인하기

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4.5. Paint Skin Weights Tool에서 모든 Influences의 웨이트를 홀드하기

현재 Max Influences 값이 1이기 때문에 관절 부분에서 자연스러운 변형을 얻기 어렵습니다. 따라 Max Influences 값을 적절하게 올려주는 것이 필요합니다. 그러나 무턱대고 Max Influences 값을 올리면 현 상태의 명쾌한 영향력 분포가 사라지므로 모든 Influence의 영향력을 홀드시키는 것이 필요합니다.

Paint Skin Weights Tool에서 Influence 박스에 있는 모든 관절을 홀드 시키세요.

<그림_10> 모든 Influence를 홀드 시키기 - 관절을 선택하고 빨간색 박스가 가리키는 버튼을 누르면 해당 관절을 홀드 시킬 수 있습니다.

4.6. Max Influences 값을 적절하게 올리기

- 이미 바인딩이 끝난 캐릭터의 Max Influences 값을 수정하기 위해서는 Skin > Edit Smooth Skin > Set Max Influences 액션을 사용해야 합니다.
- 이 항목을 클릭하게 되면 새로운 Max Influences 값을 묻는 창이 뜹니다. 4를 입력하세요. 다음에 캐릭터 피부를 선택하고 Apply 버튼을 클릭하세요.
- 새로운 Max Influences 값이 제대로 적용됐는지 확인하기 위해 캐릭터 피부를 선택하고 Attribute Editor를 여세요. skinCluster 탭에서 Max Influences의 값이 4로 바뀐 것을 알 수 있습니다.

<그림_11> Set Max Influences 옵션 박스와 Attribute Editor의 skinCluster 탭

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4.7. Paint Skin Weights Tool을 이용하여 관절 부위 웨이트 조절

4.7.1. 어깨 관절과 여기에 인접해 있는 빗장뼈, 어깨뼈 관절 홀드 풀어주기

Paint Skin Weights Tool은 흰색에서 검은색으로 점진적으로 진행하는 색의 단계를 통해 관절의 웨이트를 조절하는 아주 직관적인 툴입니다. 본 예제에서는 이 툴을 이용하여 왼쪽 어깨 관절의 대략적인 웨이트를 조절하겠습니다.

왼쪽 어깨 관절의 웨이트를 조절할 것이므로 왼쪽 어깨 관절과 여기에 인접해 있는 빗장뼈, 어깨뼈 관절의 홀드를 풀어주세요.

4.7.2. 어깨 관절 애니메이션 만들기

관절의 웨이트 조절은 결국, 각 관절이 회전할 때 서피스가 자연스럽게 변형되도록 만드는 것입니다. 이러한 작업 목적을 보다 손쉽게 도달하기 위해 각 관절이 극단적으로 회전하는 애니메이션을 만들고 타임 슬라이더를 드래그하면서 웨이트를 조절하겠습니다.    

왼쪽 어깨 관절을 선택하세요. 1프레임에 어깨 관절 Y축 rotate 값에 키를 셋 하세요.(바인딩 포즈) 6프레임으로 이동해서 팔을 +Y축 방향으로 돌리세요.(팔을 위로 들어 올림) 다시 rotate 속성에 키를 셋 하세요. 11프레임으로 이동하세요. 팔을 -Y축 방향으로 돌리고 rotate 속성에 키를 셋 하세요.(팔을 밑으로 내림) 10프레임 동안 어깨 관절이 Y축에 대해 회전하는 애니메이션을 만들었습니다. 이런 방식으로 다른 방향(X, Z축) 애니메이션을 만드세요.

<그림_12> 왼쪽 어깨 관절 Y축 회전 애니메이션 만들기

4.7.3. 어깨 관절 웨이트 조절하기

Paint Skin Weights Tool에서 brush 사이즈를 적절히 조절하고(단축키, b) Opacity 값을 작은 값으로 설정하세요. Operation을 Add로 선택하고 Value를 0.2로 설정하세요. 음수 값을 입력할 수 있도록 Min/Max Value의 범위를 -1, 1로 수정하세요.

어깨 관절의 서피스 변형을 확인하기 위해 타임 슬라이더를 드래그하세요. 어색한 변형이 생기는 것을 알 수 있습니다. 어깨 관절의 영향력이 더 커져야한다고 생각되는 부분은 Operation을 Add, Value 0.2로 설정하고 브러쉬를 칠하세요. 반대로 어깨 관절의 영향력이 더 작아져야한다고 생각되는 부분은 Operation Add, Value를 -0.2로 설정하고 브러쉬를 칠하세요.

어느 정도 서피스 변형에 만족했으면 어깨 인접 부분의 영향력이 골고루 퍼질 수 있도록 Operation에서 Smooth를 선택하고 칠하세요.

<그림_13> Paint Skin Weights Tool를 이용하여 웨이트 조절하기

-1번 그림은 웨이트를 조절하기 전의 어색한 어깨 변형을 보여줌
-2번 그림은 어색한 변형을 Paint Skin Weights Tool를 이용하여 수정하는 모습을 보여줌

만약 보다 디테일한 웨이트 값을 수정하고 싶으면 Windows > General Editors > Component Editor 사용하세요. (Component Editor의 SkinCluster 탭을 선택하면 서피스 점에 대한 관절의 영향력을 수치로 조절할 수 있습니다.)        

4.7.4. 작업 결과 확인하기

마지막으로 타임 슬라이더를 드래그하면서 서피스 변형이 자연스럽나 확인하세요.

맺는 말

캐릭터 서피스를 뼈대에 바인딩하는 과정은 마야 작업 중에서 매우 지루한 분야입니다. 특히 리얼 캐릭터의 경우 점의 수가 너무 많기 때문에 웨이트를 조절하는 것이 쉽지 않습니다. 하지만 적절한 피부 변형을 얻기 위해서는 반드시 거쳐야 하는 과정이므로 독자 여러분들도 어렵다고 포기하지 마시고 열심히 작업하길 바랍니다.

다음 튜토리얼에서는 얼굴을 세부적으로 바인딩하는 방법과 턱 운동 리깅을 다루겠습니다.  

참고 문헌

1. Eric Miller 외, “Hyper-Realistic Creature Creation”, Alias|Learning Tools, 2006.
2. 마야 매뉴얼  

테크리컬 라이터  이성근 (woodolee@hanmail.net)