물리 기반 렌더링
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1. 개요
물리 기반 렌더링(PBR)은 현실 세계의 물리적 특성을 기반으로 하는 렌더링 기술이다. 1980년대부터 연구가 시작되어, 2004년 매트 파, 그렉 험프리스, 팻 한라한의 저서를 통해 널리 알려졌다. PBR은 영화, 게임 등 사실적인 이미지가 필요한 분야에서 널리 사용되며, 2013년 게임 "리멤버 미"에서 처음으로 성공적으로 구현되었다. PBR은 반사, 확산, 에너지 보존 등 다양한 물리적 요소를 고려하며, 3ds Max, 블렌더, 유니티, 언리얼 엔진 등 다양한 소프트웨어에서 지원된다.
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| 물리 기반 렌더링 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 렌더링 알고리즘 |
| 분야 | 컴퓨터 그래픽스 |
| 특징 | |
| 목표 | 물리적 정확도 기반의 렌더링 |
| 주요 고려 사항 | 빛의 물리적 속성 재료의 물리적 속성 카메라의 물리적 속성 |
| 관련 개념 | 전역 조명 빛 수송 |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 빛과 표면의 상호 작용 모델링 |
| BRDF (양방향 반사 분포 함수) | 빛의 반사 특성 설명 |
| 빛 수송 방정식 | 장면 내 빛의 흐름 시뮬레이션 |
| 렌더링 방정식 | 최종 이미지 픽셀 값 계산 |
| 구현 | |
| 주요 알고리즘 | 경로 추적 몬테카를로 적분 확산 근사 |
| 소프트웨어 | Blender Unreal Engine Unity Arnold Renderer V-Ray |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 사실적인 이미지 품질 물리적 정확도 |
| 단점 | 높은 계산 비용 복잡한 설정 |
| 활용 분야 | |
| 주요 응용 분야 | 영화 게임 제품 디자인 건축 시뮬레이션 |
| 관련 기술 | |
| 기반 기술 | 컴퓨터 그래픽스 물리학 수학 광학 |
| 발전 방향 | 실시간 렌더링 기술 발전 및 성능 향상 |
2. 역사
매트 파(Matt Pharr), 그렉 험프리스(Greg Humphreys), 팻 한라한(Pat Hanrahan)이 2004년에 동명의 저서를 통해 "물리 기반 렌더링(Physically Based Rendering)"이라는 문구를 널리 알렸으며, 이는 현대 컴퓨터 그래픽스의 중요한 작품으로, 저자들은 특수 효과 분야에서 아카데미상 기술 공로상을 수상했다.[9] 1980년대부터 많은 렌더링 연구자들이 물리적 정확성을 포함하여 렌더링에 대한 견고한 이론적 기반을 구축하기 위해 노력했으며, 이 작업의 대부분은 코넬 대학교 컴퓨터 그래픽스 프로그램에서 수행되었다.[1]
고탄다 요시하루(Yoshiharu Gotanda)가 SIGGRAPH 2010에서 "물리 기반 셰이딩(Physically Based Shading)"을 소개했으며, 이후 관련 강좌들이 이어졌다.
비디오 게임에서 물리 기반 렌더링의 첫 번째 성공적인 구현은 리멤버 미에서 찾아볼 수 있으며, 이후 개선을 거쳐 2020년대의 PBR 발전에 이르렀다.[8][6]
2. 1. 초기 연구
1980년대부터 많은 렌더링 연구자들이 물리적 정확성을 포함하여 렌더링에 대한 견고한 이론적 기반을 구축하기 위해 노력했다. 이러한 작업의 대부분은 코넬 대학교 컴퓨터 그래픽스 프로그램에서 수행되었으며, 해당 연구소에서 1997년에 발표된 논문[1]은 당시까지 이 분야에서 코넬 대학교에서 수행된 작업을 설명한다.고탄다 요시하루(Yoshiharu Gotanda)가 SIGGRAPH 2010에서 [https://renderwonk.com/publications/s2010-shading-course/ 영화 및 게임 제작의 물리 기반 셰이딩 모델] 강좌에서 "물리 기반 셰이딩(Physically Based Shading)"을 소개했다. 그 후 스티븐 힐(Stephen Hill)과 스티븐 맥컬리(Stephen McAuley)가 2012년에서 2020년 사이에 조직한 [https://blog.selfshadow.com/publications/ 이론과 실제의 물리 기반 셰이딩] 강좌가 이어졌다.
매트 파(Matt Pharr), 그렉 험프리스(Greg Humphreys), 팻 한라한(Pat Hanrahan)이 2004년에 동명의 저서를 통해 "물리 기반 렌더링(Physically Based Rendering)"이라는 문구를 널리 알렸으며, 이는 현대 컴퓨터 그래픽스의 중요한 작품으로, 저자들은 특수 효과 분야에서 아카데미상 기술 공로상을 수상했다.[2] 이 책은 현재 4판까지 출판되었다.[3]
비디오 게임에서 물리 기반 렌더링의 첫 번째 성공적인 구현은 2013년 게임인 리멤버 미에서 찾아볼 수 있으며, 이 게임은 이 기술을 기본적으로 지원하지 않는 게임 엔진(언리얼 엔진 3)을 기반으로 제작되었지만 이 기능을 수용하도록 적절하게 수정되었다.[4] PBR에 대한 적절한 접근 방식에도 불구하고, 그 정확성은 같은 해에 출시된 라이즈: 로마의 아들 및 킬존: 쉐도우 폴과 같은 후속 타이틀을 통해 더욱 개선되었으며, 2020년대의 PBR 발전에 이르렀다.[8][6]
2. 2. 용어 정립 및 발전
"물리 기반 셰이딩(Physically Based Shading)"이라는 용어는 고탄다 요시하루가 2010년 SIGGRAPH에서 [https://renderwonk.com/publications/s2010-shading-course/ 영화 및 게임 제작의 물리 기반 셰이딩 모델] 강좌를 통해 소개했다.[2] 이후 스티븐 힐과 스티븐 맥컬리가 2012년부터 2020년까지 [https://blog.selfshadow.com/publications/ 이론과 실제의 물리 기반 셰이딩] 강좌를 진행했다."물리 기반 렌더링(Physically Based Rendering)"이라는 문구는 매트 파, 그렉 험프리스, 팻 한라한이 2004년에 저술한 동명의 책을 통해 널리 알려졌다. 이 책은 현대 컴퓨터 그래픽스 분야의 중요한 저서로 평가받으며, 저자들은 특수 효과 분야에서 아카데미상 기술 공로상을 수상했다.[2] 해당 저서는 현재 4판까지 출판되었다.[3]
2. 3. 비디오 게임 적용
비디오 게임에서 물리 기반 렌더링(PBR)의 첫 번째 성공적인 구현은 2013년 게임인 리멤버 미에서 찾아볼 수 있다. 이 게임은 PBR을 기본적으로 지원하지 않는 게임 엔진인 언리얼 엔진 3을 기반으로 제작되었지만, PBR 기능을 수용하도록 수정되었다.[4] PBR에 대한 접근은 적절했지만, 그 정확성은 같은 해에 출시된 라이즈: 로마의 아들 및 킬존: 쉐도우 폴과 같은 후속 게임들을 통해 더욱 개선되었으며, 2020년대의 PBR 발전에 이르렀다.[8][6]3. 프로세스
물리 기반 렌더링(PBR)은 빛과 물질의 상호작용을 사실적으로 표현하기 위해 다양한 물리적 요소를 고려하는 렌더링 방식이다. Marmoset의 연구원 제프 러셀(Jeff Russell)은 PBR 파이프라인이 다음 영역에 집중한다고 기술했다:[10]
조 윌슨(Joe Wilson)에 따르면 PBR은 엄격한 규칙이라기보다는 하나의 개념에 가깝다.[11] 존 헤이블(John Hable)은 실제 세계에서는 "모든 것이 빛난다"라고 언급하며, PBR이 이러한 특징을 반영한다고 설명했다.[12] 고무처럼 평평해 보이는 표면도 약간의 빛을 반사하며, 금속이나 액체는 상당량의 빛을 반사한다.
PBR은 사진 측량법을 통해 실제 재료의 사진에서 측정값을 얻어 알베도, 광택, 반사율 등 물리적 특성을 정확하게 시뮬레이션한다. 또한, PBR은 마이크로 표면을 중요하게 고려하여, 전통적인 경면 반사나 반사율 맵 외에도 작은 규모의 경면 반사 하이라이트와 부드러움이나 거칠기로 인한 캐비티를 모델링하기 위한 추가적인 텍스처와 수학적 모델을 포함하는 경우가 많다.
3. 1. 표면 (Surfaces)
PBR은 양방향 반사율 분포 함수(BSDF)를 사용하여 표면에서 반사되는 가시광선을 계산한다. 일반적인 기술은 시간이 오래 걸리는 다른 방법이나 실험실 측정(예: 고니오반사율계)에서 얻은 더 정확한 데이터에 근사 모델을 곡선 맞춤하여 맞추려는 근사 및 단순화된 모델을 사용한다.[10][11][12]3. 2. 볼륨 (Volumes)
PBR은 종종 다음과 같은 연구 분야를 포함하는 볼륨 렌더링으로 확장된다.4. 응용
현대 하드웨어의 성능 향상과 비용 절감 덕분에,[7] 비디오 게임, 영화 제작 등 사실적인 이미지가 필요한 산업뿐만 아니라 엔터테인먼트 목적으로도 물리 기반 렌더링(PBR)을 사용하는 것이 가능해졌다.[2]
4. 1. 활용 분야
현대 하드웨어의 성능 향상과 비용 절감 덕분에,[7] 비디오 게임이나 영화 제작 등 사실적인 이미지가 필요한 산업뿐만 아니라 엔터테인먼트 목적으로도 물리 기반 렌더링(PBR)을 사용하는 것이 가능해졌다.[2] 오늘날의 중상급 하드웨어는 PBR 콘텐츠를 제작하고 렌더링할 수 있으며, 모든 경험 수준의 디자이너가 물리 기반 렌더링 방법을 활용할 수 있도록 해주는 사용하기 쉬운 소프트웨어 시장이 존재한다.일반적인 응용 프로그램은 아티스트가 임의의 속성을 가진 재료를 정의하고 계층화하여 주어진 2D 또는 3D 객체에 할당하여 모든 합성 또는 유기적 재료의 모양을 재현할 수 있는 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스를 제공한다. 환경은 절차적 셰이더나 텍스처, 절차적 지오메트리 또는 메쉬 또는 포인트 클라우드로 정의할 수 있다.[8] 가능한 경우 모든 변경 사항이 실시간으로 표시되므로 빠른 반복이 가능하다. 정교한 응용 프로그램을 사용하면 숙련된 사용자가 HLSL 또는 GLSL과 같은 셰이딩 언어로 사용자 지정 셰이더를 작성할 수 있지만, 조명 위치, 반사 및 방출 수준, 금속성 및 광범위한 기타 수학 및 광학 함수와 같은 중요한 개념을 기본적으로 지원하는 노드 기반 재료 편집기가 점점 더 많이 사용되어 복잡한 응용 프로그램을 제외한 모든 응용 프로그램의 수동 작성 셰이더를 대체하는 그래프 기반 워크플로우를 허용한다.
물리 기반 렌더링은 다음과 같은 다양한 분야에서 활용되고 있다.
| 분야 | 설명 |
|---|---|
| 비디오 게임 | 고품질 그래픽을 구현하여 현실감 넘치는 게임 환경을 제공한다. |
| 영화 제작 | 특수 효과 및 CGI 장면에서 사실적인 이미지를 생성한다. |
| 기타 | 건축 시뮬레이션, 제품 디자인, 가상현실 등 |
다음은 물리 기반 렌더링을 지원하는 소프트웨어/엔진 목록이다.
| 소프트웨어/엔진 |
|---|
| Brikl |
| 3ds Max |
| O3DE |
| OGRE |
| 마야 |
| 라이트웨이브 |
| Babylon.js |
| Bevy |
| 블렌더 |
| 시네마 4D |
| 크라이엔진 |
| Enscape |
| Vue |
| 고도 |
| 후디니 |
| jME |
| Microstation |
| 마인크래프트 GLSL 셰이더 |
| 라이노 |
| 로블록스 스튜디오 |
| 세컨드 라이프 |
| Sketchfab |
| 스트라이드 |
| Three.js |
| Unigine |
| 소스 2 |
| 유니티 |
| 언리얼 엔진 |
| VTK |
| Webots |
4. 2. 소프트웨어
현대 하드웨어의 발전과 비용 절감 덕분에,[7] 비디오 게임이나 영화 제작 등 사실적인 이미지가 필요한 산업뿐만 아니라 엔터테인먼트 목적으로도 PBR을 사용하는 것이 가능해졌다.[2] 오늘날의 중상급 하드웨어는 PBR 콘텐츠를 제작하고 렌더링할 수 있으며, 모든 경험 수준의 디자이너가 물리 기반 렌더링 방법을 활용할 수 있도록 해주는 사용하기 쉬운 소프트웨어들이 많이 있다.| 소프트웨어 |
|---|
| Brikl |
| 3ds Max |
| O3DE |
| OGRE |
| 마야 |
| 라이트웨이브 |
| Babylon.js |
| Bevy |
| 블렌더 |
| 시네마 4D |
| 크라이엔진 |
| Enscape |
| Vue |
| 고도 |
| 후디니 |
| jME |
| Microstation |
| 마인크래프트 GLSL 셰이더 |
| 라이노 |
| 로블록스 스튜디오 |
| 세컨드 라이프 |
| Sketchfab |
| 스트라이드 |
| Three.js |
| Unigine |
| 소스 2 |
| 유니티 |
| 언리얼 엔진 |
| VTK |
| Webots |
일반적인 PBR 응용 프로그램은 아티스트가 임의의 속성을 가진 재료를 정의하고 계층화하여 주어진 2D 또는 3D 객체에 할당하여 모든 합성 또는 유기적 재료의 모양을 재현할 수 있는 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스를 제공한다. 환경은 절차적 셰이더나 텍스처, 절차적 지오메트리 또는 메쉬 또는 포인트 클라우드로 정의할 수 있다.[8] 가능한 경우 모든 변경 사항이 실시간으로 표시되므로 빠른 반복이 가능하다. 정교한 응용 프로그램을 사용하면 숙련된 사용자가 HLSL 또는 GLSL과 같은 셰이딩 언어로 사용자 지정 셰이더를 작성할 수 있지만, 조명 위치, 반사 및 방출 수준, 금속성 및 광범위한 기타 수학 및 광학 함수와 같은 중요한 개념을 기본적으로 지원하는 노드 기반 재료 편집기가 점점 더 많이 사용되어 복잡한 응용 프로그램을 제외한 모든 응용 프로그램의 수동 작성 셰이더를 대체하는 그래프 기반 워크플로우를 허용한다.
4. 3. 사용자 인터페이스
일반적인 PBR 응용 프로그램은 아티스트가 임의의 속성을 가진 재료를 정의하고 2D 또는 3D 객체에 할당하여 모든 합성 또는 유기적 재료의 모양을 재현할 수 있는 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스를 제공한다.[8] 변경 사항은 빠른 반복을 위해 가능한 경우 실시간으로 표시된다. 정교한 응용 프로그램은 숙련된 사용자가 HLSL 또는 GLSL과 같은 셰이딩 언어로 사용자 지정 셰이더를 작성할 수 있도록 지원한다. 또한 조명 위치, 반사 및 방출 수준, 금속성 및 기타 광범위한 수학 및 광학 함수와 같은 중요한 개념을 기본적으로 지원하는 노드 기반 재료 편집기가 점점 더 많이 사용되고 있다. 이를 통해 복잡한 응용 프로그램을 제외한 모든 응용 프로그램에서 수동으로 작성하는 셰이더를 대체하는 그래프 기반 워크플로우가 가능하다.[8]참조
[1]
학술지
A framework for realistic image synthesis
http://www.graphics.[...]
1999-08-01
[2]
서적
Physically Based Rendering: From Theory to Implementation
Morgan Kaufmann
[3]
서적
Physically Based Rendering: From Theory to Implementation
The MIT Press
[4]
웹사이트
Physically Based Rendering – And You Can Too!
https://www.marmoset[...]
2017-01-12
[5]
웹사이트
Everything Is Shiny
http://filmicgames.c[...]
2016-11-14
[6]
웹사이트
PBR Theory
https://marmoset.co/[...]
2019-08-20
[7]
뉴스
How Moore's Law Now Favors Nvidia Over Intel
https://www.forbes.c[...]
2018-05-29
[8]
웹사이트
Point Clouds
https://help.sketchf[...]
2018-05-29
[9]
웹사이트
Physically Based Rendering
http://www.pbrt.org
2016-11-14
[10]
웹사이트
PBR Theory
https://www.marmoset[...]
2016-11-14
[11]
웹사이트
Physically Based Rendering - And You Can Too!
https://www.marmoset[...]
2017-01-12
[12]
웹사이트
Everything Is Shiny
http://filmicgames.c[...]
2016-11-14
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