물리 기반 렌더링(Physically Based Rendering, PBR)
PBR의 기본 개념 (Basic Concepts of PBR)
역사
PBR은 2010년대 초반부터 게임 엔진과 렌더링 파이프라인에서 널리 채택되었습니다. 이전의 비물리적 렌더링 방식은 일관된 결과를 얻기 어려웠으나, PBR의 도입으로 실제 물리 법칙에 기반한 일관되고 현실감 있는 렌더링이 가능해졌습니다.
소개
물리 기반 렌더링(PBR)은 빛과 물질의 상호작용을 물리적으로 정확하게 모델링하여 더 현실적인 이미지를 생성하는 렌더링 기법입니다. PBR은 주로 게임, 영화, 가상 현실 등 다양한 그래픽 분야에서 사용됩니다.
개념
- BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function): 입사광과 반사광의 각도에 따른 반사 특성을 정의하는 함수.
- 에너지 보존(Energy Conservation): 재질의 반사와 흡수가 전체 에너지를 초과하지 않도록 보장하는 원칙.
- 미세면(Fresnel): 표면의 반사 특성이 관찰 각도에 따라 변하는 현상.
원리
- 재질의 물리적 특성(예: 반사율, 투과율)을 정확하게 모델링합니다.
- 빛의 입사 각도와 관찰 각도에 따라 재질의 반사 및 투과 특성을 계산합니다.
- 에너지 보존과 미세면 효과를 적용하여 일관된 조명과 반사 효과를 구현합니다.
함수들
- Fresnel Equation: 입사각에 따른 반사율을 계산합니다.
- Cook-Torrance Model: 미세면 이론을 기반으로 한 현대적인 BRDF 모델.
예제들
- 금속과 비금속 재질의 차이: 금속은 모든 빛을 반사하지만, 비금속은 빛의 일부를 흡수하고 나머지를 산란시킵니다.
사용법
- 게임 엔진(예: Unity, Unreal Engine)에서 PBR 재질을 설정하고, PBR 셰이더를 사용하여 렌더링합니다.
반사 모델과 재질 표현 (Reflection Models and Material Representation)
역사
반사 모델은 그래픽스의 초기부터 연구되어 왔으며, Lambertian Reflection과 Phong Reflection과 같은 모델이 발전했습니다. PBR의 도입과 함께 더 정확한 반사 모델이 개발되었습니다.
소개
반사 모델은 표면에서 빛이 어떻게 반사되는지를 설명합니다. PBR에서는 특히 물리적으로 정확한 반사 모델을 사용하여 재질의 특성을 표현합니다.
개념
- Lambertian Reflection: 이상적인 확산 반사 모델로, 모든 방향으로 균일하게 빛을 반사합니다.
- Phong Reflection: 확산 반사와 함께 하이라이트를 추가하여 보다 현실감 있는 반사를 구현합니다.
- Cook-Torrance Model: 미세면 이론을 기반으로 한 PBR의 대표적인 반사 모델.
원리
- 표면의 마이크로페이서(microfacet) 구조를 고려하여 빛의 반사를 계산합니다.
- 입사각과 관찰 각도에 따라 반사율을 조정합니다.
- 재질의 특성(예: 거칠기, 금속성)을 반사 모델에 반영하여 다양한 재질 표현을 가능하게 합니다.
함수들
- Lambertian Model: ( I = k_d (L \cdot N) )
- Phong Model: ( I = k_d (L \cdot N) + k_s (R \cdot V)^n )
- Cook-Torrance Model: 복잡한 BRDF 계산을 통해 물리적으로 정확한 반사를 제공합니다.
예제들
- 금속 재질: 높은 반사율과 낮은 확산 반사를 갖는 재질.
- 플라스틱 재질: 낮은 반사율과 높은 확산 반사를 갖는 재질.
사용법
- PBR을 지원하는 소프트웨어에서 반사 모델을 선택하고, 재질의 물리적 속성을 설정하여 렌더링합니다.
환경 맵핑과 HDR (Environment Mapping and HDR)
역사
환경 맵핑은 1980년대에 처음 도입되었으며, 반사와 굴절을 보다 현실적으로 표현하기 위한 기술입니다. HDR은 2000년대 초반부터 이미지와 비디오에서 높은 명암비를 표현하는 방법으로 사용되었습니다.
소개
환경 맵핑은 객체의 표면에 주변 환경을 반사시키는 기술입니다. HDR(High Dynamic Range)은 보다 넓은 범위의 밝기를 표현하여 현실감과 디테일을 높이는 기술입니다. 이 두 기술은 PBR에서 중요한 역할을 합니다.
개념
- 환경 맵(Enviroment Map): 주변 환경을 표현한 텍스처로, 주로 큐브 맵(Cube Map) 형태로 사용됩니다.
- HDR 이미지: 일반적인 이미지보다 더 넓은 밝기 범위를 가진 이미지 포맷으로, 실제 빛의 밝기 차이를 표현합니다.
원리
- 객체의 표면에 환경 맵을 적용하여 주변 환경을 반사시킵니다.
- HDR 이미지를 사용하여 빛의 강도와 밝기를 보다 정확하게 표현합니다.
- 톤 매핑(Tone Mapping) 기법을 사용하여 HDR 이미지를 디스플레이 가능한 범위로 변환합니다.
함수들
- Reflection Mapping: 반사 벡터를 계산하여 환경 맵에서 적절한 텍스처 좌표를 얻습니다.
- Tone Mapping Operators: HDR 이미지를 LDR(Low Dynamic Range)로 변환하는 함수들.
예제들
- 유리구의 반사: 환경 맵을 사용하여 유리구 표면에 주변 환경이 반사되는 효과를 구현합니다.
- 실내 장면의 조명: HDR 이미지를 사용하여 실내의 복잡한 조명 환경을 현실적으로 표현합니다.
사용법
- 환경 맵 텍스처와 HDR 이미지를 준비하고, PBR 셰이더에서 이를 사용하여 반사와 조명을 계산합니다.
PBR 셰이더 작성 (Writing PBR Shaders)
역사
PBR 셰이더는 그래픽스 프로그래밍의 중요한 부분으로, 셰이더 언어(예: GLSL, HLSL)를 사용하여 구현됩니다. 현대 그래픽스 엔진은 PBR 셰이더를 기본적으로 지원합니다.
소개
PBR 셰이더는 물리 기반 렌더링의 핵심 구성 요소로, 물리 법칙을 기반으로 빛과 물질의 상호작용을 계산하여 현실적인 이미지를 생성합니다.
개념
- 셰이더(Shader): 그래픽스 하드웨어에서 실행되는 작은 프로그램으로, 버텍스 셰이더와 프래그먼트 셰이더로 구성됩니다.
- PBR 셰이더: 물리적 속성(예: 반사율, 거칠기)을 기반으로 빛과 물질의 상호작용을 계산하는 셰이더.
원리
- 버텍스 셰이더에서 표면의 기하학적 데이터를 처리합니다.
- 프래그먼트 셰이더에서 표면의 물리적 속성을 기반으로 조명과 반사를 계산합니다.
- 최종 컬러를 출력하여 렌더링된 이미지를 생성합니다.
함수들
- PBR Lighting Model: 조명 계산을 위한 함수 집합.
- Fresnel-Schlick Approximation: 간단한 프레넬 효과 계산 함수.
예제들
- 기본 PBR 셰이더:
// 버텍스 셰이더
void main() {
// 기하학적 데이터 처리
}
// 프래그먼트 셰이더
void main() {
vec3 albedo = texture(albedoMap, texCoords).rgb;
float metallic = texture(metallicMap, texCoords).r;
float roughness = texture(roughnessMap, texCoords).r;
vec3 N = normalize(normal);
vec3 V = normalize(viewDir);
// 조명 계산
vec3 color = PBRLightingModel(albedo, metallic, roughness, N, V);
gl_FragColor = vec4(color, 1.0);
}
사용법
- 그래픽스 프로그래밍 환경(예: OpenGL, DirectX)에서 PBR 셰이더를 작성하고, 물리적 재질 속성을 설정하여 렌더링을 수행합니다.