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디지털 라이트의 분류

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Directional Light ( 디렉셔널 라이트 )

• 직진성을 가진 조명
• 라이트의 강도와 컬러, 방향 정보만 지닌 가장 가벼운 라이트
• 태양이나 그림자를 표현할 때 주로 사용

Point Light ( 포인트 라이트 )

• 점(point) 모양의 광원
• 사방으로 뻗어나감
• Directional llight보다 무겁기 때문에 성능을 유의하며 작업해야 함.

Spot Light ( 스팟 라이트 )

• 특정한 부분을 강조하거나 표현하는 스팟 라이트
• 성능 유의하며 작업해야 함.

디지털 라이트 원리

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노멀 벡터와 라이트 벡터가 서로 마주 보고 있을 때 가장 밝고, 두 벡터의 각도가 벌어지면 점점 어두워진다.

노멀 벡터가 면에 있으면 부드러운 라이팅을 구현할 수 없으므로 최근에는 노멀 벡터가 버텍스에 존재한다.
다만, 각진 형태(Hard Edge)를 표현하기 위해서는 아래와 같이 한 버텍스에 노멀이 3개 혹은 모양에 따라 4개가 있어야 한다.

즉, 노멀 벡터와 라이트 벡터와의 각도가 빛의 밝기를 조절하며, 노멀 벡터는 버텍스에 있다

벡터 연산을 통한 디지털 라이트 연산

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벡터의 내적: 두 벡터의 각도의 차이를 숫자로 표현한 것

• Dot 연산
• Cos 그래프

노멀 벡터와 라이트 벡터가 마주볼 때 가장 밝은 상태인데, 내적 연산을 도입해본다면 두 벡터 사이의 각도는 180도이므로 -1이 된다.

따라서 연산하기 전에 조명 벡터의 방향을 반대로 해주어야 가장 밝을 때 연산이 이루어진다.

• Sphere가 Directional Light를 받을 때 각 Vertex의 위치별 내적값
  

  

Unity 내장 라이팅 구조

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지금까지 학습하였던 Standard Shader는 PBS(Physically Based Shader)인 물리 기반 쉐이더 라이트이기 때문에 모바일과 같은 저 사양 기기에서 구동하기에는 다소 무겁다.

따라서 PBS보다 상대적으로 품질은 떨어질 수 있지만 가벼운 다른 라이팅 구조들을 함께 살펴보겠다.

Standard ( 스탠다드 )

• PBS
• diffuse와 specular가 에너지 보존 법칙에 의해 보완관계를 지님
• SurfaceOuputStandard / SurfaceOutputStandardSpecular 구조체
• Specular의 칼라가 메탈릭 속성에 따라 자동적으로 결정됨

Lambert ( 램버트 )

• Specular 공식 X
• 빛에 의한 밝고 어두움만이 구현된 가벼운 라이트 구조
• StandardOutput 구조체

Blinn Phong ( 블린 퐁 )

• Lambert 공식에 가벼운 Specular 공식인 Blinn Phong 공식이 더해진 라이트 구조
• SurfaceOutput 구조체 사용

• SurfaceOutput 구조체
  • Specular : Specular의 넓이. 얼마나 많은 하이라이트가 나오는가. 수치가 높을수록 하이라이트가 작아짐.
  • Gloss : Specular의 강도
    

    

• SurfaceOutputStandard / SurfaceOutputStandard
  

  

Lambert 라이팅

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라이팅 함수 이름 / 구조체 변경

Specular는 구현할 수 없기 때문에 Specular와 Gloss는 사용할 수 없음.

Blinn Phong 라이팅

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라이팅 함수 이름 / 구조체 변경

주의할 점은, _SpecColor는 코드 내에서 받으면 안되는 예약어라는 것이다.
Gloss는 0~1 사이의 값을 넣어야 하며 0에 가까울 수록 둔탁하고 1에 가까울 수록 매끄러운 재질을 나타낸다.

Standard Shader

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Standard Shader

• 유니티의 대표적인 물리 기반 쉐이더
• 기존 쉐이더와는 다르게, 주변 환경에 따른 재질 변화를 물리 법칙에 기반하여 실시간으로 재질을 구현해주는 사실적인 쉐이더 표현 기법
• Albedo, Normal, Emission, Metallic, Smoothness, Occlusion, Alpha 등 다양한 물리 기반 쉐이더의 요소들이 SurfaceOutputStandard 구조체에 정의되어 있음.

Metallic과 Smoothness

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Metallic과 Smoothness 추가

• Smoothness
  • 재질이 미끄러운지 거친지 결정
  • 0이면 완벽히 거칠어서 난반사만 일어나며 1이면 완벽히 매끄러워서 정반사만 일어난다.
    유니티에서 Standard Shader라는 물리 기반 렌더링의 기본 개념은 에너지 보존 법칙으로 나가는 빛의 양은 들어온 빛의 양을 넘을 수 없다이기 때문에 정반사가 높아질수록 난반사의 비율은 줄어든다. (반대도 해당)

Normal map

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Normal map (노멀맵)

• 텍스쳐를 이용하여 실제 디테일이 없는 부분들 디테일이 있는 것처럼 보이게 만들기 위한 눈속임 맵
• 벡터 데이터들로 이루어진 텍스쳐 파일
• 일반적인 게임용 텍스쳐 포맷인 DXT1 혹은 DXT5이 아닌 DXTnm이라는 파일 포맷 (일반적인 텍스쳐 압축에 의한 노멀맵 품질 저하를 막기 위해 만든 AG 파일 포맷임)

노멀맵은 ZBrush나 Mudbox 같은 Sculpting 툴을 이용하거나 3D 프로그램에서 하이 폴리곤 모델링을 한 후에 RTT를 이용하여 추출하는 등 다양한 방식으로 추출할 수 있다.

• Unity에서 Normal map 추출하는 방법
  • Inspector에서 Texture type을 Normalmap 으로 변경 (외부 툴에서 추출되어 이미 파랗게 된 노멀맵이라면 해당 단계까지만 진행)
  • Create from Grayscale을 선택하고 Bumpiness나 Filtering 조절
  • Apply

코드 변경을 통한 노멀맵 적용

Occlusion (오클루젼)

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Occlusion이란?

• Ambient Occlusion : Ambient Color (환경광)이 닿지 못하는 부분
• 구석진 부분의 추가적인 음영 표현

Occlusion 기능을 사용하는 법은 일반적인 텍스쳐를 받는 방법과 동일하나, 주의해야 할 점은 반드시 _MainTex와 같은 UV를 사용해야 정상적으로 작동한다는 것이다.

응용

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위에서 4가지 텍스쳐를 멀티텍스쳐링 해서 제작한 plane에 노멀맵을 적용해보기 위해 스크립트에 노멀맵을 추가하였더니 아래와 같이 쉐이더가 적용되지 않고 오류가 발생했다.

해당 오류는 쉐이더 2.0의 한계를 벗어나는 텍스쳐 인터폴레이션으로 인해 발생한 현상이다. 따라서 #pragma target 3.0 을 추가하여 해결하면 된다.

Plane에 NormalMap 적용

빛의 각도를 조정하지 않고도 NormalMap을 보이게 하려면?
Inspector로 Smoothness와 Metallic을 조절하면 된다.

• Smoothness 조절을 통해 땅 젖은 느낌 적용

코드를 다양하게 변경하여 텍스쳐의 질감을 마음대로 조절할 수 있다.
현재 사용한 코드는 다음과 같다.

o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap));

지금까지 한 것 정리

• 텍스쳐나 색상, 값들은 Properties에 넣은 후 서로 연산/처리하는 과정
• 버텍스의 UV 값을 엔진에 직접 요청하여 사용하는 과정
  (Position, Texcoord(UV), Normal, Tangent들은 버텍스 안에 내장되어 있는 대표적인 정보들임)

Vertex Color 활용

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• Vertex Color 적용
  • 3D DCC(Digital Contents Creation) - ex. 3ds Max
  • 엔진 자체의 툴
    
    

Package Manager 내의 Polybrush를 standard 버전으로 임포트하였다.

Polybrush Window를 꺼내어 Plane에 버텍스 컬러를 페인팅하였지만 기본 쉐이더는 버텍스 컬러를 출력하지 않기 때문에 일반적으로는 버텍스 컬러가 보이지 않는다.

코드 수정을 통한 버텍스 컬러 출력

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아래와 같이 텍스쳐와 곱하는 등 다양한 방식으로 출력 컬러를 변경해볼 수도 있다.

마스킹 기능

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• Vertex Color는 일반적인 텍스쳐가 갖고 있는 UV와는 별개
• Vertex Color는 일반적인 컬러와 동일하게 RGBA로 구성되어 있음.

Vertex Color를 마스킹으로 이용하여 멀티 텍스쳐링 기능 제작

멀티 텍스쳐 기능을 활용하기 위하여 여러 장의 텍스쳐를 받아올 수 있도록 코드를 변경하였다.
현재 Plane 오브젝트에는 Vertex Color가 칠해져 있는 상태이다.

R 채널만 출력

o.Albedo = IN.color.r;

lerp 함수 활용 (1)

o.Albedo = lerp(c.rgb, d.rgb, IN.color.r);

lerp 함수 활용 (2)

o.Albedo = lerp(c.rgb, d.rgb, IN.color.r);
o.Albedo = lerp(o.Albedo, e.rgb, IN.color.g);
o.Albedo = lerp(o.Albedo, f.rgb, IN.color.b);

💡'3D 컴퓨터 그래픽에서 최종적으로 화면에 출력하는 픽셀의 색을 정해주는 함수'
💡'그래픽 데이터의 음영과 색상을 계산하여 다양한 재질을 표현하는 방법'

유니티 엔진에서는 '쉐이더(Shader)', 언리얼 엔진에서는 '메터리얼(Material)'