3차원 렌더링
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1. 개요
3차원 렌더링은 3차원 장면을 2차원 이미지 또는 애니메이션으로 변환하는 과정이다. 렌더링 방법은 와이어프레임부터 광선 추적, 방사도와 같은 고급 기술까지 다양하며, 실시간 렌더링과 비실시간 렌더링으로 구분된다. 실시간 렌더링은 게임 및 시뮬레이션에 사용되며, 높은 프레임 속도로 사실적인 시각 효과를 시뮬레이션하는 데 중점을 둔다. 비실시간 렌더링은 영화 및 비디오 제작에 사용되며, 광선 추적, 패스 트레이싱 등의 기술을 활용하여 고품질 이미지를 생성한다. 렌더링 과정에는 표면의 외관을 설명하는 반사 및 음영 모델, 광선 수송, 투영 등이 사용되며, 렌더링 엔진은 3D 장면을 2D 이미지로 변환하는 역할을 한다.
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| 3차원 렌더링 | |
|---|---|
| 3차원 렌더링 | |
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| 유형 | 컴퓨터 그래픽스 |
| 하위 유형 | 렌더링 |
| 사용 분야 | 3차원 컴퓨터 그래픽스 컴퓨터 애니메이션 시각 효과 비디오 게임 건축 시각화 디자인 의학 시각화 |
| 관련 항목 | 3차원 모델링 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 컴퓨터 생성 이미지 (CGI) 렌더링 엔진 실시간 렌더링 오프라인 렌더링 레이 트레이싱 (그래픽스) 래스터화 셰이딩 텍스처 매핑 글로벌 일루미네이션 볼륨 렌더링 |
| 개요 | |
| 정의 | 3차원 장면을 2차원 이미지로 변환하는 과정 |
2. 렌더링 방법
렌더링은 준비된 장면에서 실제 2차원 이미지나 애니메이션을 만드는 마지막 과정이다. 이는 실제 생활에서 설정이 완료된 후 사진을 찍거나 장면을 촬영하는 것과 비교할 수 있다. 여러 가지 다양하고 전문적인 렌더링 방법이 개발되었다. 여기에는 다각형 기반 렌더링을 통한 뚜렷하게 비현실적인 와이어프레임 렌더링부터 스캔라인 렌더링, 광선 추적, 라디오서티와 같은 고급 기술까지 다양하다.[1] 단일 이미지/프레임의 렌더링에는 몇 초에서 며칠이 걸릴 수 있다. 일반적으로 사실적 렌더링이나 실시간 렌더링에는 다양한 방법이 더 적합하다.[2]
렌더링은 크게 실시간 렌더링과 비실시간 렌더링으로 나뉜다.
2. 1. 실시간 렌더링
게임 및 시뮬레이션과 같은 대화형 미디어를 위한 렌더링은 초당 약 20~120프레임의 속도로 실시간으로 계산되고 표시된다. 실시간 렌더링의 목표는 눈이 1초 미만으로 처리할 수 있는 최대한의 정보를 표시하는 것이다(일명 "한 프레임 내": 초당 30프레임 애니메이션의 경우 한 프레임은 1/30초를 포함한다).
주요 목표는 허용 가능한 최소 렌더링 속도(일반적으로 초당 24프레임, 이는 인간의 눈이 움직임의 환상을 성공적으로 만들기 위해 필요한 최소 속도)에서 가능한 높은 수준의 사실감을 달성하는 것이다. 실제로 눈이 세상을 '인식하는' 방식에 활용될 수 있으며, 그 결과, 제시되는 최종 이미지는 반드시 실제 세계의 이미지가 아니라 인간의 눈이 견딜 수 있을 정도로 충분히 가까운 것이다.
렌더링 소프트웨어는 렌즈 플레어, 피사계 심도 또는 모션 블러와 같은 시각 효과를 시뮬레이션할 수 있다. 이것들은 카메라와 인간의 눈의 광학적 특성에서 발생하는 시각적 현상을 시뮬레이션하려는 시도이다. 이러한 효과는 단순히 카메라의 시뮬레이션된 인공물일지라도 장면의 사실감을 높일 수 있다. 이것이 게임, 대화형 세계 및 VRML에서 사용되는 기본적인 방법이다.
컴퓨터 처리 능력의 급격한 증가는 HDR 렌더링과 같은 기술을 포함하여 실시간 렌더링에서도 점차 높은 수준의 사실감을 허용했다. 실시간 렌더링은 종종 다각형이며 컴퓨터의 GPU의 도움을 받는다.[3]
2. 1. 1. 실시간 렌더링의 발전
게임 및 시뮬레이션과 같은 대화형 미디어를 위한 렌더링은 초당 약 20~120프레임의 속도로 실시간으로 계산되고 표시된다. 실시간 렌더링의 목표는 눈이 1초 미만으로 처리할 수 있는 최대한의 정보를 표시하는 것이다(일명 "한 프레임 내": 초당 30프레임 애니메이션의 경우 한 프레임은 1/30초를 포함한다).
주요 목표는 허용 가능한 최소 렌더링 속도(일반적으로 초당 24프레임, 이는 인간의 눈이 움직임의 환상을 성공적으로 만들기 위해 필요한 최소 속도)에서 가능한 높은 수준의 사실감을 달성하는 것이다. 실제로 눈이 세상을 '인식하는' 방식에 활용될 수 있으며, 그 결과, 제시되는 최종 이미지는 반드시 실제 세계의 이미지가 아니라 인간의 눈이 견딜 수 있을 정도로 충분히 가까운 것이다.
렌더링 소프트웨어는 렌즈 플레어, 피사계 심도 또는 모션 블러와 같은 시각 효과를 시뮬레이션할 수 있다. 이것들은 카메라와 인간의 눈의 광학적 특성에서 발생하는 시각적 현상을 시뮬레이션하려는 시도이다. 이러한 효과는 단순히 카메라의 시뮬레이션된 인공물일지라도 장면의 사실감을 높일 수 있다. 이것이 게임, 대화형 세계 및 VRML에서 사용되는 기본적인 방법이다.
컴퓨터 처리 능력의 급격한 증가는 HDR 렌더링과 같은 기술을 포함하여 실시간 렌더링에서도 점차 높은 수준의 사실감을 허용했다. 실시간 렌더링은 종종 다각형이며 컴퓨터의 GPU의 도움을 받는다.[3]
2. 2. 비실시간 렌더링
영화나 비디오와 같은 비대화형 미디어를 위한 애니메이션은 렌더링하는 데 훨씬 더 많은 시간이 걸릴 수 있다.[4] 비실시간 렌더링은 높은 화질을 얻기 위해 제한된 처리 능력을 활용할 수 있게 해준다. 개별 프레임의 렌더링 시간은 복잡한 장면에 따라 몇 초에서 며칠까지 다양할 수 있다.
사진 현실주의가 목표일 때는 광선 추적법, 패스 트레이싱, 포톤 매핑 또는 래디오시티와 같은 기술이 사용된다.
컴퓨터 처리 능력은 지난 몇 년 동안 급격히 증가하여 점진적으로 높은 수준의 사실적인 렌더링을 가능하게 했다. 컴퓨터 생성 애니메이션을 제작하는 영화 스튜디오는 일반적으로 적시에 이미지를 생성하기 위해 렌더 팜을 사용한다. 그러나 하드웨어 비용이 하락함에 따라 가정용 컴퓨터 시스템에서 소량의 3D 애니메이션을 만드는 것이 완전히 가능해졌다.[5]
2. 2. 1. 비실시간 렌더링의 활용
영화나 비디오와 같은 비대화형 미디어를 위한 애니메이션은 렌더링하는 데 훨씬 더 많은 시간이 걸릴 수 있다.[4] 비실시간 렌더링은 높은 화질을 얻기 위해 제한된 처리 능력을 활용할 수 있게 해준다. 개별 프레임의 렌더링 시간은 복잡한 장면에 따라 몇 초에서 며칠까지 다양할 수 있다.
사진 현실주의가 목표일 때는 광선 추적법, 패스 트레이싱, 포톤 매핑 또는 래디오시티와 같은 기술이 사용된다.
컴퓨터 처리 능력은 지난 몇 년 동안 급격히 증가하여 점진적으로 높은 수준의 사실적인 렌더링을 가능하게 했다. 컴퓨터 생성 애니메이션을 제작하는 영화 스튜디오는 일반적으로 적시에 이미지를 생성하기 위해 렌더 팜을 사용한다. 그러나 하드웨어 비용이 하락함에 따라 가정용 컴퓨터 시스템에서 소량의 3D 애니메이션을 만드는 것이 완전히 가능해졌다.[5]
3. 반사 및 음영 모델
표면의 표면의 외관을 설명하기 위해 '''반사/산란''' 및 '''음영 처리''' 모델이 사용된다. 이러한 문제들은 그 자체로 문제처럼 보일 수 있지만, 렌더링의 맥락 내에서 거의 전적으로 연구된다. 현대 3D 컴퓨터 그래픽은 퐁 반사 모델(퐁 ''쉐이딩''과 혼동하지 말 것)이라는 단순화된 반사 모델에 크게 의존한다. 굴절에서 중요한 개념은 굴절률이다. 대부분의 3D 프로그래밍 구현에서 이 값의 용어는 "굴절률"(일반적으로 IOR로 축약)이다.
음영 처리는 종종 독립적으로 연구되는 두 가지 기술로 나눌 수 있다.
- '''표면 음영 처리''' - 빛이 표면에 어떻게 퍼지는지(비디오 게임에서 실시간 3D 렌더링을 위해 스캔라인 렌더링에서 주로 사용)
- '''반사/산란''' - 빛이 ''특정 지점''에서 표면과 어떻게 상호 작용하는지(CGI 스틸 3D 이미지와 CGI 비대화형 3D 애니메이션 모두에서 비실시간 사실적이고 예술적인 3D 렌더링을 위해 광선 추적 렌더링에서 주로 사용)
3. 1. 표면 음영 처리 알고리즘
3차원 컴퓨터 그래픽스에서 널리 사용되는 표면 음영 처리 알고리즘은 다음과 같다.- 플랫 셰이딩: 물체의 각 다각형을 해당 다각형의 "법선"과 광원의 위치 및 강도를 기반으로 음영 처리하는 기술이다.
- 고라우드 셰이딩: 1971년 H. 고라우드가 발명했으며, 부드럽게 음영 처리된 표면을 시뮬레이션하는 데 사용되는 빠르고 자원 효율적인 정점 셰이딩 기술이다.
- 퐁 셰이딩: 부이 투옹 퐁이 발명했으며, 반사 하이라이트와 부드럽게 음영 처리된 표면을 시뮬레이션하는 데 사용된다.
3. 2. 반사 및 산란
'''반사''' 또는 '''산란'''은 주어진 지점에서 입사 및 출사 조명 간의 관계를 나타낸다. 빛이 표면과 상호작용하는 방식을 나타내며, 양방향 산란 분포 함수(BSDF)를 사용하여 설명한다.[8]
3. 3. 셰이딩
셰이딩은 표면 전체에 다양한 유형의 산란이 어떻게 분포되는지(즉, 어떤 산란 함수가 어디에 적용되는지)를 다룬다. 이러한 종류의 설명은 일반적으로 셰이더라는 프로그램을 사용하여 표현된다.[9] 텍스처 매핑은 셰이딩의 간단한 예시로, 이미지를 사용하여 표면의 각 지점에서 확산 색상을 지정하여 표면에 더 많은 세부 정보를 제공한다.범프 매핑은 짐 블린이 발명한 것으로, 주름진 표면을 시뮬레이션하는 데 사용되는 노멀-교란 기술이다.[10] 셀 셰이딩은 손으로 그린 애니메이션의 모양을 모방하는 데 사용되는 기술이다.
4. 광선 수송
광선 수송은 장면의 조명이 한 곳에서 다른 곳으로 어떻게 전달되는지를 설명한다. 가시성은 광선 수송의 주요 구성 요소이다.
5. 투영
음영 처리된 3차원 객체는 디스플레이 장치, 즉 모니터가 2차원으로만 표시할 수 있도록 평평하게 만들어야 하며, 이 과정을 3D 투영이라고 한다. 이는 투영을 사용하여 수행하며, 대부분의 응용 분야에서는 원근 투영을 사용한다. 원근 투영의 기본 아이디어는 멀리 떨어진 물체가 눈에 더 가까운 물체에 비해 작게 만들어진다는 것이다. 프로그램은 관찰자로부터의 거리의 음수 제곱으로 올린 팽창 상수를 곱하여 원근을 생성한다. 팽창 상수가 1이면 원근이 없다는 의미이다. 팽창 상수가 높으면 이미지 왜곡이 시작되는 "어안" 효과가 발생할 수 있다. 정사 투영은 과학적 모델링에 정확한 측정과 3차원 보존이 필요한 CAD 또는 CAM 응용 분야에서 주로 사용된다.
5. 1. 원근 투영
음영 처리된 3차원 객체는 디스플레이 장치(모니터)가 2차원으로만 표시할 수 있도록 평평하게 만들어야 하며, 이 과정을 3D 투영이라고 한다. 이는 투영을 사용하여 수행하며, 대부분의 응용 분야에서는 원근 투영을 사용한다. 원근 투영의 기본 아이디어는 멀리 떨어진 물체가 눈에 더 가까운 물체에 비해 작게 만들어진다는 것이다. 프로그램은 관찰자로부터의 거리의 음수 제곱으로 올린 팽창 상수를 곱하여 원근을 생성한다. 팽창 상수가 1이면 원근이 없다는 의미이다. 팽창 상수가 높으면 이미지 왜곡이 시작되는 "어안" 효과가 발생할 수 있다. 정사영은 과학적 모델링에 정확한 측정과 3차원 보존이 필요한 컴퓨터 지원 설계(CAD) 또는 컴퓨터 지원 제조(CAM) 응용 분야에서 주로 사용된다.
5. 2. 정사 투영
음영 처리된 3차원 객체는 디스플레이 장치, 즉 모니터가 2차원으로만 표시할 수 있도록 평평하게 만들어야 하며, 이 과정을 3D 투영이라고 한다. 이는 투영을 사용하여 수행하며, 대부분의 응용 분야에서는 원근 투영을 사용한다. 원근 투영의 기본 아이디어는 멀리 떨어진 물체가 눈에 더 가까운 물체에 비해 작게 만들어진다는 것이다. 프로그램은 관찰자로부터의 거리의 음수 제곱으로 올린 팽창 상수를 곱하여 원근을 생성한다. 팽창 상수가 1이면 원근이 없다는 의미이다. 팽창 상수가 높으면 이미지 왜곡이 시작되는 "어안" 효과가 발생할 수 있다. 정사 투영은 과학적 모델링에 정확한 측정과 3차원 보존이 필요한 CAD 또는 CAM 응용 분야에서 주로 사용된다.
6. 렌더링 엔진
렌더링 엔진은 3D 모델링 소프트웨어와 함께 제공되거나 통합될 수 있지만, 독립형 소프트웨어도 있다. 일부 렌더링 엔진은 여러 3D 소프트웨어와 호환되는 반면, 일부는 특정 소프트웨어 전용이다. 렌더링 엔진은 준비된 3D 장면을 2D 이미지 또는 애니메이션으로 변환하는 역할을 한다. 3D 렌더링 엔진은 레이 트레이싱, 래스터화, 패스 트레이싱과 같은 다양한 방식을 기반으로 할 수 있으며, 속도와 예상 결과에 따라 실시간 및 비실시간과 같은 다양한 유형으로 제공된다.
7. 관련 자료
CAD 라이브러리(CAD 라이브러리)는 렌더링될 3D 모델, 텍스처, 범프 맵, HDRI, 다양한 컴퓨터 그래픽스 조명 소스 등의 에셋을 가질 수 있다.[11]
참조
[1]
웹사이트
3D Object Modeling Lecture Series
http://gamma.cs.unc.[...]
[2]
웹사이트
Non-Photorealistic Rendering
https://www2.cs.duke[...]
2018-07-23
[3]
웹사이트
The Science of 3D Rendering
http://digitalarchae[...]
2019-01-19
[4]
웹사이트
The Path to Path-Traced Movies
https://cs.dartmouth[...]
[5]
뉴스
How render farm pricing actually works
https://garagefarm.n[...]
2021-10-24
[6]
웹사이트
Gouraud shading - PCMag
https://www.pcmag.co[...]
[7]
웹사이트
Phong Shading - Techopedia
https://www.techoped[...]
[8]
웹사이트
Fundamentals of Rendering - Reflectance Functions
http://web.cse.ohio-[...]
[9]
문서
[10]
웹사이트
Bump Mapping
http://web.cs.wpi.ed[...]
2018-07-23
[11]
웹사이트
12 Best SketchUp Rendering Plugins and Software for 2023
https://cedreo.com/b[...]
2024-08-19
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