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놀랍게도 ‘수학’을 이용하면 가능하다. 심지어 버즈는 사람이 출 수 있는 모든 춤을 출 수도 있다. 대체 어떤 원리가 담겨 있는 걸까? 한국과학기술연구원(KIST) 영상미디어연구센터 안상철 박사를 찾아가 그 비밀을 파헤쳐 봤다.
3D 실감 모델링, 버즈를 춤추게 하다!
연구실에 들어서자 애니메이션 <;토이스토리>;의 주인공인 버즈가 가장 먼저 눈에 띈다. 대한민국을 대표하는 과학자들이 모인 곳에 아이들이 좋아하는 장난감이라니! 대체 버즈는 왜 여기 있는 걸까?
"하하~. 버즈는 지금 진행하고 있는 연구에 활용되는 소품이에요. 영상미디어연구센터는 영상을 만드는 것을 기초로 하여, 생활환경에 직접적인 영향을 줄 수 있는 기술을 개발하는 곳입니다. 주로 세상에 없던 것 또는 눈에 보이지 않는 것을 영상으로 만드는 일을 하고 있어요. 1997년 12월에 설립되어, 현재 70여 명의 연구원들이 일하고 있지요.
여기 장난감 버즈 인형을 예로 들어 설명해 줄게요. 애니메이션 <;토이스토리>;처럼 3D 캐릭터가 등장하는 영화를 본 적 있죠? 3D 캐릭터란, 가로나 세로 길이뿐만 아니라 부피도 가지고 있는 3차원 영상을 말해요. 영화 속에서는 이런 3D 캐릭터에 생명을 불어 넣어 자유롭게 움직이는 것은 물론, 감정까지 표현하곤 하잖아요. 저희도 ‘글로벌 프론티어 과제’를 통해 2차원 사진을 3차원 캐릭터로 변환하는 ‘3D 실감 모델링’ 기술을 개발했답니다.
먼저 여기 보이는 버즈 장난감을 카메라로 찍은 다음 컴퓨터 프로그램에 입력하면, 3차원 캐릭터가 만들어져요. 2차원 사진 속 버즈를 3차원 좌표 위에 올려놓으면, 프로그램이 자동으로 버즈를 삼각형 모양으로 잘게 쪼개서 위치정보를 ($x, y, z$) 꼴로 저장하죠. 물론 실제로 사용되는 알고리즘은 더 복잡하지만, 간단히 설명하면 함수를 이용해 버즈의 관절 움직임을 계산하는 거예요. 이때 ‘기울기’를 주요 정보로 삼아, 입력된 위치정보를 활용하면 실제 살아 있는 것처럼 관절까지 움직일 수 있어요. 그 결과 ‘강남스타일’ 춤을 추는 버즈 영상을 제작할 수 있었던 거랍니다."
가상과 현실의 경계를 허문 증강현실!
연구실 안쪽으로 조금 더 들어가자, 이번엔 한쪽 벽면을 가득 채우고 있는 오래된 그림 하나가 보인다. 이 작품은 조선 후기에 그려진 국보 제249호인 ‘동궐도’였다. 이번엔 어떤 새로운 기술이 국보와 만난 걸까?
정승혜 : 박사님, 이 ‘동궐도’는 어떤 연구에 사용된 건가요?
안상철 박사 : 영상미디어연구센터는 새로운 기술을 활용해 옛 역사와 문화를 보존하는 일에도 힘쓰고 있어요. ‘동궐도’는 지난해 증강현실 기술과 만나 새롭게 탄생했답니다.
증강현실 기술이란, 현실 세계에 가상으로 만들어 낸 모습을 더해 새로운 세상을 만드는 것을 말해요. 예를 들어 서울 한복판에서 스마트 기기 카메라를 이용해 건물을 보면, 그 건물에 있는 가게가 병원인지, 약국인지를 알려 주는 거예요. 눈에 보이지 않는 정보를 볼 수 있죠.
우리는 동궐도에도 증강현실 기술을 더해, 일반 사람들이 동궐도를 보고 더 많은 정보를 얻을 수 있도록 했어요. 동궐도는 창덕궁과 창경궁의 조감도로, 조선 후기의 모습을 잘 담아낸 그림이에요. 이 동궐도를 스마트 기기 카메라로 비춰 보면, 그림을 배경으로 궁궐의 사계절 모습과 각 건물의 모습이 3차원으로 나타난답니다.
특히 카메라를 지도 곳곳에 비춰 보면 궁궐 곳곳을 세밀하게 살필 수도 있어요. 그림을 배경으로 왕위 즉위식이 벌어지거나, 대조전 앞에서 고민하는 임금의 모습이 가상으로 나타나기도 해요.
동궐도는 가로 5.3m, 높이 2.5m에 이르는 대형 그림이지만 비슷비슷한 모습의 건물이 빼곡하게 그려져 있어서, 일반 사람이 그림만 보고 주요 건물을 찾기란 결코 쉽지 않아요. 하지만 증강현실 기술을 이용하면, 복잡한 그림 속에서도 건물의 기능과 용도를 쉽게 알아볼 수 있답니다.
노윤석 : 증강현실 기술에 어떤 수학 원리가 사용된 건지 자세히 설명해 주세요.
안상철 박사 : 증강현실은 카메라가 찍는 피사체의 정보를 실시간으로 컴퓨터에 전송해, 미리 저장된 자료에 대응시켜 원하는 정보를 보여 주는 원리예요. 피사체를 컴퓨터에 미리 저장할 때는 2차원 좌표 평면처럼 가로세로로 잘게 쪼개어, 각 그림의 좌표 정보와 특징을 컴퓨터가 기억하도록 해요.
각 피사체의 영역을 좌표로 설정해 새로 제공할 정보를 입력하는 거죠. 그 다음 나뉘어진 영역에 따라 새로운 건물 정보를 좌표정보에 맞춰 입력해요.
그러면 카메라가 피사체를 비출 때 각 영역의 좌표 정보와 미리 준비된 새 정보가 비교, 분석돼요. 그 결과가 일치하면 이를 한 화면에 보여 주는 거랍니다.
범인 검거를 돕는 3D 몽타주 개발!
동궐도에 이어 연구실 한쪽엔 다양한 종류의 몽타주가 보였다. 이곳에서는 과학 수사에 쓰이는 3D 몽타주 기술을 연구하고 있었다. 지금까지 범인 몽타주는 연필 선으로 그려진 2차원 그림이었다. 3차원 몽타주는 어떤 장점이 있을까?
"현재 경찰들이 사용하고 있는 2차원 몽타주는 목격자들의 진술을 통해 범인의 앞 모습만을 추측해 그리고 있어요. 하지만 범인을 늘 정면에서 마주하는 게 아니기 때문에, 평면 그림으론 옆모습이나 뒷모습을 상상하기 어렵죠.
그래서 3차원 몽타주를 개발하기 시작했습니다. 처음에는 기존에 사용하고 있던 2차원 몽타주 제작 프로그램을 기반으로, 얼굴에 입체감을 살렸어요. 그러다 앞에서 설명한 ‘3D 실감 모델링’을 발전시켜 3차원 몽타주에 활용하게 됐습니다.
3차원 몽타주는 목격자의 진술에 따라 얼굴형, 눈썹의 크기, 눈코입 위치 등 기본적인 이목구비는 물론, ‘착한 인상’ ‘무서운 인상’ 등 범인의 인상착의를 세밀하게 설정할 수 있도록 기능을 더했답니다. 실제로 이 프로그램은 현재 경찰청과 공동 개발 중이며, 곧 실제 수사 현장에도 사용될 예정입니다.
이처럼 영상미디어를 이용한 미래는 다양한 모습으로 발전할 수 있어요. 영상미디어는 증강현실이라는 한 분야의 기술만 적용된 것이 아니라, 컴퓨터 공학, 기초과학, 수학, 미술 등 복합적으로 여러 분야의 기술이 만나 만들어진 것이기 때문이죠. 따라서 영상미디어를 이용한 기술은 앞으로 사용자의 필요와 선택에 따라 무궁무진하게 발전하게 될 거예요."
독자기자의 취재 수첩
우리 생활이 더욱 풍요로워지는 영상미디어 기술!
노윤석(분당 서현초 5학년)
영상미디어연구센터의 목표는 사람들의 미래 생활 환경을 더욱 발전시키고, 사물을 더욱 편리하고 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 기술을 개발하는 것이다. 이를 위해 영상미디어연구센터에서는 대표적으로 다음과 같은 세 가지 연구를 진행하고 있다.
첫째로 증강현실 기술이다. 증강현실이란, 혼합현실의 다른 말로 가상과 현실을 혼합하여 이용하는 기술을 말한다. 안상철 박사님은 증강현실의 가장 친근한 예로 ‘일기예보’를 설명해 주셨다. 박사님은 최근 증강현실 기술을 이용해 동궐도에 역사와 정보를 담는 어플리케이션을 개발하셨다고 했다. 실제로 어플리케이션을 이용해 카메라로 동궐도를 찍어 보니, 카메라가 동궐도의 이미지를 인식해 정보를 보여 줘 정말 신기했다.
다음은 3차원 몽타주 개발기술이다. 현재 경찰들은 2차원 몽타주를 그려 수사에 활용하는데, 범인의 옆모습이나 뒷모습까지 정확히 찾아내기 위해 연구팀은 3차원 몽타주를 그려 주는 프로그램을 개발하고 있다고 한다.
마지막으로 가상 스포츠 기술이다. 사람의 몸에 특수 장치를 붙인 다음 운동을 하면 움직임, 흔들림, 자세, 기울기 등을 인식해 운동 능력을 분석하는 방식이다. 이 연구는 스크린골프와 운동 선수들의 자세를 교정할 때 주로 응용된다고 한다.
박사님은 개발한 기술이 실제로 현실에서 활용될 때 가장 기쁘다고 하셨다. 나 역시 앞으로 생활 속에서 이러한 기술을 만나면 더욱 특별하게 느껴질 것 같다.
다방면에 활용되는 증강현실의 기초는 바로 수학!
정승혜(경기 안곡중 1학년)
나는 이번 취재 덕분에 ‘증강현실’에 대해 정말 많은 것을 배울 수 있었다. 먼저 컴퓨터 그래픽만으로 꾸며낸 가상현실 기술과 달리, 컴퓨터 그래픽과 현실을 혼합한 증강현실 기술은 내가 상상하던 것 이상으로 발전해 있어 놀라웠다. 그 중 가장 인상 깊었던 점은 이미 가상현실과 증강현실 기술이 우리 생활 속에서 많이 활용되고 있다는 것이었다. 스마트폰에도, 리모컨을 휘두르면 화면 속 골프채가 휘둘리는 닌텐도 WII 게임 등에도 증강현실이 기초로 사용된다는 것을 알게 됐다. 뿐만 아니라 이 기술은 실제로 야구나 골프처럼 자세가 중요한 스포츠 분야에서, 선수들이 훈련하는 데에도 활용 돼 중요한 역할을 한다고 한다.
이처럼 쓰임새가 다양한 증강현실 기술은 미래에 특히 유용하게 사용될 것이란 생각이 들었다. 박사님께서는 이러한 증강현실 기술을 더욱 발전시키려면 ‘수학’과 ‘컴퓨터 공학’ 분야를 잘 알아야 한다고 설명해 주셨다. 앞으로 이 기술은 현실에서는 보여줄 수 없는 유용한 정보를 그래픽과 혼합해서 보여 주어 우리 삶을 더욱 윤택하게 할 것이라는 느낌이 들었다. 그 발전이 더욱 기대된다.
염지현 기자의 첨삭 포인트
노윤석 기자는 현장에서 취재한 내용을 한 흐름으로 잘 표현해 주었네요. 정승혜 기자는 적절한 예를 들어 생소한 기술에 대해 잘 설명해 주었어요. 하지만 노윤석 기자는 띄어쓰기와 오탈자 실수가 많았어요. 다음에는 기사를 다 쓴 뒤엔 띄어쓰기와 오탈자를 검토해 보는 시간을 가졌으면 해요. 또한 정승혜 기자의 원문에는 지나치게 많은 주제가 담겨 있었어요. 다음에는 한 가지 주제를 정해서 글을 쓰도록 연습해 보세요!
