물리 기반 렌더링에 대한 모든 것

텍스처 아티스트가 표면의 텍스처를 실감나게 표현하기 위해서는 빛이 표면과 상호 작용하는 방식을 이해해야 합니다. 가상 환경에서 텍스처와 재질은 조명에 영향을 받습니다. 따라서 조명의 원리를 잘 이해할수록 텍스처를 더욱 실감나게 표현할 수 있습니다. 

물리 기반 쉐이딩(PBS)이라고도 불리는 물리 기반 렌더링(PBR)은 조명과 재질 속성의 상호 작용 방식을 정확하게 구현하는 쉐이딩 및 렌더링 기법입니다. PBS는 쉐이딩에 특화된 것이고, PBR은 렌더링과 조명을 위한 기법으로 3D 모델링 워크플로우에 따라 적절히 사용할 수 있습니다. 두 가지 모두 물리적으로 정확한 지점에서 에셋을 구현하는 것을 목표로 합니다.

컴퓨터 그래픽 또는 3D 영화 제작 시 실시간 렌더링 시스템을 사용하는 경우 물리 기반 렌더링 방식으로 쉐이딩을 처리하면 워크플로우가 훨씬 향상됩니다.

• 사실적인 이미지 구현. PBR은 물리적으로 정확한 공식에 기반을 둔 방법론과 알고리즘을 사용하여 투명도와 같은 표면의 속성을 실제와 가장 흡사한 재질로 정확하게 구현합니다.
• 일관된 환경. 사용 중인 조명 시스템에 관계없이 일관된 PBR 환경에서 다양한 이미지를 구현할 수 있습니다.
• 지속 가능한 워크플로우. PBR은 다양한 업계의 아티스트가 일관된 아트웍을 제작하기 위해 사용하는 워크플로우입니다. Adobe의 크리에이티브 프로듀서인 Wes McDermott는 "제작 기간이 크게 단축되며, 기술적인 측면보다는 아이디어 구현에 더욱 집중할 수 있습니다”라고 말합니다.

PBR을 진행할 때 아티스트는 기본 반사도 즉, 반사된 색상과 빛의 최소량을 알아 두어야 합니다.

‘정반사’는 표면에서 반사된 빛을 말합니다. 광선은 표면에서 반사되어 다른 방향으로 이동하며, 완전히 평평한 표면에서 반사각이 입사각과 같다는 반사의 법칙을 따릅니다.

그러나 대부분의 표면은 불규칙하며, 표면의 거친 정도에 따라 반사 방향이 달라집니다. 이때 빛의 방향이 바뀌지만 빛의 강도는 일정합니다.

거친 표면에서는 크고 흐릿한 하이라이트가 표현됩니다. 매끄러운 표면은 정반사의 초점을 유지하고 적절한 각도에서 볼 때 밝거나 강렬하게 보입니다.

확산, 확산광, 서브서피스 스캐터링(Subsurface scattering)이라는 용어는 모두 내부에서 흡수되거나 산란된 빛의 효과를 말합니다. 빛이 산란되면 광선의 방향이 임의로 바뀝니다. 특히 거친 표면은 빛을 산란시키므로 재질 표면의 거친 정도에 따라 빛에 편차가 생깁니다. 산란은 빛의 방향을 임의로 정하지만 강도는 바꾸지 않습니다. 산란된 빛은 때때로 표면에 다시 한번 나타나기도 합니다.

높은 산란율과 낮은 흡수율을 가진 재질을 반투과 매체 또는 반투명 재질이라고도 합니다. 연기, 우유, 피부, 옥, 대리석 등이 그 예입니다.

빛은 반투명 재질을 통과할 때 흡수되거나 산란될 수 있습니다. 빛이 흡수되면 열과 같은 에너지 형태로 바뀌면서 빛의 강도가 줄어듭니다. 이러한 빛의 변화는 파장에 따라 다르지만 광선의 방향은 바뀌지 않습니다.

유리와 같이 산란이 없고 흡수율이 낮은 재질의 경우 광선은 표면을 직접 통과할 수 있습니다. 예를 들어 깨끗한 수영장에서 수영한다고 생각해 보세요. 수영장 물이 깨끗한 상태에서는 눈을 떴을 때 앞이 투명하고 맑게 보입니다. 하지만 물이 탁하면 먼지 입자가 빛을 산란시켜 물의 투명도와 시야 거리가 좁아집니다.

이러한 재질의 경우 빛이 멀리 이동할수록 더 많이 흡수되거나 산란됩니다. 이처럼 개체의 두께에 따라 빛이 흡수되거나 산란되는 정도가 달라집니다.

프랑스 물리학자 Augustin-Jean Fresnel이 고안하고 그래픽 교수 Wenzel Jakob이 자신의 저서에서 인용하기도 한 ‘프레넬 효과(Fresnel Effect)’는 표면에서 반사되는 빛의 양이 사람이 감지하는 시야각에 따라 달라진다는 것을 말합니다.

다시 수영장을 떠올려 보세요. 수영장 표면에서 수직으로 아래를 내려다보면 바로 바닥을 볼 수 있습니다. 이러한 방식으로 표면을 보는 것을 '0도 입사' 또는 '수직 입사'라고 합니다. 한편, 광선이 표면에 스쳐가듯 평행하게 입사하는 '접지 입사'에서 수영장 아래를 보면 수면의 정반사가 심해지면서 표면 아래가 전혀 보이지 않습니다.

지금까지 소개한 주요 3D 조명의 개념을 익혀두면 텍스처 작업 시 큰 도움이 될 수 있습니다. 기술적인 관점에서 PBR의 원리를 이해할 뿐만 아니라 예술적으로도 더욱 깊이 있게 접근할 수 있습니다. PBR을 자주 사용하는 McDermott는 "PBR은 복잡한 작업을 간단하게 처리해주므로 창의력을 발휘하고 멋진 작품을 만드는 데 더욱 집중할 수 있습니다”라고 말합니다.

PBR에 대한 자세한 내용은 Allegorithmic이 발행한 The PBR Guide(저자: Wes McDermott)를 참조하시기 바랍니다.