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물리 기반 셰이더의 이해
- 1. 물리 기반 셰이더의 이해 강태영
- 2. 차례 1. 물리 기반 셰이더 (Physical Based Shader)의 정의 2. 예전 셰이더의 문제점이 무엇인가? 3. 물리 기반 셰이더의 구조 4. 물리 기반 셰이더의 발전 5. 물리 기반 셰이더의 장점과 단점
- 3. • 이 발표는 tri-Ace, Lazarov, Sebastien Lagarde의 PBS를 바탕으로 합 니다.
- 4. 물리 기반 셰이더(Phsically Based Shade)의 정의
- 5. • 기존의 셰이더들은 물리적으로 부정확한 부분이 많았습니다. - 게임환경 때문에 어두운 Diffuse Map을 써야 한다던가.. - Specular가 너무 강하거나 약해서 중간 조절이 어렵다던가..
- 6. • Fresnel 효과가 잘 못 들어가 있거나 • Reflection에 대한 고려가 전혀 없거나 • 조명이 엄청 약한데도 엄청 밝은 셰이더라던가..
- 7. • 예전 셰이더들은 물리랑은 전혀 상관없는건가? 상관없는게 아니라 들 사용됐다고 하는 표현이 맞습니다.
- 8. Phong 셰이딩의 이해 • 1975년 퐁 뷰이통에 의해 개발된 기술입니다. • 3차원 그래픽에서 각각의 화소 컬러에 조명과 음영을 계산한다. • 면 단위가 아닌 화소 단위로 오브젝트를 렌더링 하므로 텍스쳐의 질감, 투명도, 범프등의 효과를 정교하게 반영합니다. • 폴리곤으로 되어 있는 각진 면을 부드럽게 처리하는데 효과적입 니다.
- 9. - 원형 물체에선 괜찮지만 평평한 면에선 실제 스펙큘러를 표 현하지 못합니다. - 언제나 동그랗게 맺히는 하이라이트~
- 10. Lambert Diffuse 셰이딩의 이해 • 퐁 셰이더는 사물에는 좋지만, 사람에게는 부족한 셰이더라 그 것 을 개량한 버전이 램버트 셰이딩입니다. • 밸브에서 개발했으며 하프라이프에서 1998년에 처음 사용되었습 니다. • 기본 공식 : Dot(L,N) L:라이트 벡터 N: 법선 벡터 법선 벡터가 곱해지면서 표면에 굴곡진 라이팅을 생성합니다.
- 13. 하프 램버트의 이해 • 램버트 셰이딩의 가장 큰 문제는 명암차가 너무 뚜렷하다는 것입 니다. • 새로운 공식을 적용한 하프램버트가 탄생합니다. • Dot(L,N) * 0.5f + 0.5f 램버트에 0.5를 곱해 평준화 시킨 다음 0.5를 더해서 x축으로 들어 올려 좀더 사실적인 느낌을 주게 됩니다.
- 15. • 그런데 또 문제가 생깁니다. 명이 너무 넓고 암이 너무 좁습니다. 즉, 음영 콘트라스트가 거의 없습니다. • 이것을 해결하기 위해 계수를 곱해줍니다. • Pow((dot(L,N)) * 0.5f + 0.5f , n) 이 되고 n은 임의의 계수입니다. • 일반적으로 n=4가 됩니다. • 하프램버트에 라이팅 마스크를 곱해 줌으로서 하프 램버트를 몇 번 제곱해서 콘트라스트를 올려 주는 겁니다.
- 19. 결론적으로~! • 물리기반 셰이딩 이전의 셰이더들은 반드시 추가 수식이 들어가 야 그나마 사실적으로 표현이 됩니다. • 이 모든 일련의 귀찮은 과정을 생략하고자 물리 기반 셰이딩이 등 장했습니다.
- 20. PBS가 적용된 게임들 스샷
- 21. 기어스 오브 워(2006년)
- 27. 물리 기반 셰이더의 기본 이론 • 물리 기반 셰이더는 생략된 물리 현상들을 좀 더 많이 구현한 셰이 더입니다. 그러기 위해서 아래 이론이 적용되었습니다. - Oren - Nayar - Blinn – Phong Specular - 미세 표면 - Fresnel 효과 - Image Base Light - 에너지 보존 법칙
- 28. Oren – Nayar 조명 모델이란 • Lambert의 Diffuse Model은 모든 방향에서 같은 복사량을 취하게 된다는 가정을 깔고 있으며, 플라스틱같이 반들반들한 표면을 가 진재질에 적합합니다. • Oren – Nayar Model 의 공식을 유도할 때 사용되는 거친 표면 (Roughness Surface)이라는 것은 서로 다른 각도를 가진 Torrance와 Sparrow에 의해 제안된 미세면(microfacet들의 집합으로 설명됩니 다. • 모든 표면은 거칩니다!! Microfacet BRDF)
- 29. • Microfacet theory(미세표면 이론)은 물리 기반 셰이더의 근간 - 물체의 표면은 매우 작은, 완전 반사가 일어나는 편평한 표면의 집합
- 30. • 예전 셰이더들은 물체의 모든 표면은 완전 반사를 한다고 가정하 고 만들어 졌습니다.
- 31. Oren – Nayar, Lambertian, Brightness 비교
- 32. 구현 코드
- 33. 거칠기(roughness) : 1 0.75 0.5 0.25 0
- 34. 모든 표면은 Specular가 있다! • 카메라에 편광필터를 사용해서 사진을 찍어 보면 좀더 색이 풍부 하게 나옵니다. - 표면에서 반사되는 난반사를 줄여줘서 - Specular를 줄여서 본래의 색을 더 풍부하게 보이게 해주는 원리입니다.
- 36. 모든 표면은 Fresnel이 있다! • 스넬의 법칙(Snell’s Law) - 두 매질이 마주하는 경계면에서 임계각을 넘으면 전반사가 일어납니다.
- 37. • Fresnel의 법칙 - 표면의 반사량은 관찰자의 시점과 표면이 이루는 각도에 영향을 받는다. - 표면을 바라보는 각도가 물체의 전반사가 일어나는 고유 각도, 즉 Critical Angle(임계각) 에 이르면 Fresnel 효과를 경험할 수 있게 됩니다.
- 38. 이미지 베이스 렌더러(IBL)
- 39. Lazarov의 PBS
- 43. UDK에 물리기반 셰이더를 적용하려면.. Diffuse Term
- 44. Distribute Term
- 45. Fresnel & Visibility Term
- 46. Ambient Term
- 47. 언리얼4의 간단한 PBS
- 50. 장점 1. 적은 텍스쳐 리소스로 거의 모든 재질을 표현 할 수 있음 2. 아티스트가 조절할 부분이 적 음 3. 다양한 조명 환경에서의 안정 적인 결과물 4. 하나의 셰이더만 있으면 되므 로 Differed Renderer에도 적합 5. 적용하는데 특별한 신기술이 필요 없음 6. 계속해서 발전하고 있음 단점 1. 아티스트에게 개념을 이해시키 기 힘듦 2. 리얼한 장면만 만들 수 있음.