인하대 연구팀, 3D 가우시안 스플래팅 기반 카툰 렌더링 기술 개발

인하대학교는 김종현 디자인테크놀로지학과 교수와 이연재 학부생이 3D 가우시안 스플래팅(3D Gaussian Splatting·3DGS) 환경에서 안정적인 카툰 스타일 영상과 역동적인 카메라 움직임을 동시에 구현하는 통합 렌더링 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

3D 가우시안 스플래팅은 여러 시점에서 촬영한 사진을 활용해 실제 공간을 빠르게 3차원으로 재구성하고 실시간으로 렌더링할 수 있는 기술이다. 최근 가상현실(VR), 증강현실(AR), 게임, 디지털 트윈 등 실감형 콘텐츠 분야에서 주목받고 있다.

하지만 기존 3D 가우시안 스플래팅은 다각형 면으로 구성된 일반적인 3D 메시와 달리 명확한 표면과 깊이 정보를 갖고 있지 않다. 이 때문에 카툰 스타일의 윤곽선을 적용하면 먼 배경에서 불필요한 선이 생기거나, 시점이 바뀔 때 화면이 흔들리는 문제가 발생할 수 있다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 사진 기반 3D 복원 과정에서 생성되는 희소점군을 보조 형상으로 활용해 ‘프록시 깊이’를 구성했다. 프록시 깊이는 실제 정밀한 3D 메시를 새로 만들지 않고도 장면의 깊이 정보를 보완해주는 방식이다.

이를 통해 카메라와 가까운 주요 물체의 윤곽선은 선명하게 유지하면서, 먼 배경에서 발생하는 불안정한 윤곽선과 잡음을 효과적으로 줄였다. 또한 화면에서 거의 보이지 않는 가우시안 요소를 학습 단계에서 정리해 프레임 간 깜빡임을 완화하고, 카툰 영상의 시각적 안정성을 높였다.

연구팀은 카메라의 이동 속도와 초점거리도 단순한 촬영 조건이 아니라 카툰 표현을 위한 연출 요소로 재해석했다. 카메라 경로에 가속과 감속, 관성에 따른 지연과 오버슈트, 회전 시 화면이 기울어지는 뱅킹 효과, 과장된 줌 효과를 적용해 애니메이션과 같은 역동적인 장면 전환을 구현했다.

실험 결과, 제안 기술은 시점이 연속적으로 변하는 상황에서도 기존 2차원 카툰 처리 방식보다 프레임 간 흔들림과 시각적 불일치를 줄이는 것으로 나타났다. 1280×720 해상도 실험에서는 평균 약 118 FPS의 렌더링 성능을 기록해 실시간 콘텐츠 제작에 활용할 수 있는 가능성도 확인했다.

이번 연구는 별도의 정밀한 3D 메시를 제작하거나 기존 3D 가우시안 스플래팅 렌더러의 핵심 구조를 변경하지 않고도 카툰 스타일 표현을 구현할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 실제 공간을 빠르게 3차원으로 복원한 뒤, 이를 카툰 스타일 콘텐츠로 실시간 변환할 수 있는 기반 기술을 제시한 것이다.

연구팀은 이번 기술이 향후 가상현실, 증강현실, 애니메이션, 게임, 디지털 트윈 등 실제 공간을 비사실적이고 표현적인 스타일로 변환해야 하는 다양한 콘텐츠 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구에는 이연재 학부생이 제1저자, 김종현 교수가 교신저자로 참여했으며, 연구 결과는 ‘A Unified Cartoon Rendering Framework for 3D Gaussian Splatting with Proxy Depth and Stylized Camera Modeling’이라는 제목으로 국제학술지 ‘IEEE Access’에 게재됐다.

김종현 인하대 디자인테크놀로지학과 교수는 “이번 연구는 사실적인 공간 복원에 주로 활용되던 3D 가우시안 스플래팅을 비사실적이고 표현적인 콘텐츠 제작 영역으로 확장한 결과”라며 “학부생이 연구의 핵심 아이디어 구현과 실험에 주도적으로 참여했다는 점에서도 의미가 크다”고 말했다.