그림자 매핑

1. 본문

그림자 매핑(Shadow Mapping)은 3차원 컴퓨터 그래픽스에서 그림자를 추가하는 데 사용되는 프로세스입니다. 1978년 Lance Williams가 "곡면에 곡선 그림자를 드리우기(Casting curved shadows on curved surfaces)"라는 논문에서 처음 소개한 개념입니다.
그림자 매핑의 원리그림자 매핑은 크게 두 단계로 이루어집니다.

1. 그림자 맵 생성:

• 광원의 위치에 가상 카메라를 배치합니다.
• 이 가상 카메라에서 보이는 장면의 깊이(depth) 값을 저장하는 텍스처를 생성합니다. 이 텍스처를 그림자 맵(Shadow Map)이라고 합니다.
• 그림자 맵은 광원의 시점에서 각 픽셀까지의 거리를 나타냅니다.

2. 그림자 검사:

• 실제 장면을 렌더링할 때, 각 픽셀에 대해 다음을 수행합니다.
• 해당 픽셀의 3차원 좌표를 광원의 공간으로 변환합니다.
• 변환된 좌표의 깊이 값을 그림자 맵에 저장된 깊이 값과 비교합니다.
• 만약 픽셀의 깊이 값이 그림자 맵의 깊이 값보다 크다면, 해당 픽셀은 광원으로부터 가려진 것으로 간주되어 그림자가 집니다.
• 픽셀의 깊이 값이 그림자 맵의 깊이 값과 같거나 작다면, 해당 픽셀은 광원에 의해 밝혀지는 것으로 간주됩니다.

그림자 매핑의 장점 및 단점

• 장점:
• 구현이 비교적 간단하고 빠릅니다.
• 실시간 렌더링에 적합합니다.

• 단점:
• 그림자 맵의 해상도에 따라 그림자의 품질이 결정됩니다. 해상도가 낮으면 그림자가 깨져 보일 수 있습니다(앨리어싱, Aliasing).
• 깊이 값 비교의 부정확성으로 인해 그림자가 잘못 생성될 수 있습니다(섀도우 애크니, Shadow Acne).

고급 그림자 매핑 기법기본적인 그림자 매핑의 단점을 해결하고 그림자 품질을 향상시키기 위해 다양한 고급 기법들이 개발되었습니다.

• 캐스케이드 그림자 맵(Cascaded Shadow Maps): 카메라에서 가까운 영역에는 고해상도 그림자 맵을 사용하고, 멀리 있는 영역에는 저해상도 그림자 맵을 사용하여 그림자 품질을 향상시킵니다.
• 퍼센티지 클로저 필터링(Percentage Closer Filtering, PCF): 그림자 맵의 여러 픽셀을 샘플링하고 평균을 내어 그림자 가장자리를 부드럽게 만듭니다.
• 분산 그림자 맵(Variance Shadow Maps, VSM): 깊이 값의 평균과 분산을 저장하여 하드웨어 텍스처 필터링을 가능하게 하고, PCF보다 더 부드러운 그림자를 생성합니다.

RTX와 그림자NVIDIA의 RTX 기술은 레이 트레이싱(Ray Tracing)을 사용하여 그림자를 생성하는 새로운 방법을 제공합니다. 레이 트레이싱은 광선을 추적하여 빛과 물체의 상호 작용을 시뮬레이션하는 방식으로, 그림자 매핑보다 더 사실적인 그림자를 생성할 수 있습니다. 하지만 레이 트레이싱은 계산 비용이 매우 크기 때문에, 실시간 렌더링에서는 그림자 매핑과 함께 사용되는 경우가 많습니다.