범프 매핑
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1. 개요
범프 매핑은 컴퓨터 그래픽스 기술로, 표면의 기하학적 형태를 직접 변경하지 않고 표면 법선을 조작하여 렌더링된 표면의 굴곡을 시뮬레이션하여 더욱 사실적인 표현을 가능하게 한다. 높이 맵을 사용하여 표면 픽셀의 밝기를 변화시켜 울퉁불퉁한 표면을 표현하며, 퐁 셰이딩과 같은 셰이딩 모델과 결합하여 3차원 모델의 렌더링에 사용된다. 범프 매핑은 변위 매핑에 비해 계산 비용이 적어 실시간 렌더링에 유리하지만, 표면의 실루엣을 변경하지 못하는 한계가 있다. 노멀 매핑, 시차 매핑 등 다양한 종류가 있으며, 게임 및 다양한 3D 그래픽스 응용 분야에서 활용된다.
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| 범프 매핑 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 텍스처 매핑 기술 |
| 목적 | 3차원 모델 표면에 요철 추가 폴리곤 수를 늘리지 않고 표면 디테일 향상 |
| 원리 | 표면의 법선 벡터를 변경하여 빛의 반사를 조작 깊이 정보를 직접 저장하는 대신 법선 벡터를 수정 |
| 장점 | 폴리곤 수를 늘리지 않아 성능 저하 최소화 간단한 구현 |
| 단점 | 실제 기하학적 변형이 아니므로 그림자 표현에 한계 시야각에 따라 효과가 달라질 수 있음 |
| 작동 방식 | |
| 높이 맵 | 높이 값을 저장하는 2차원 텍스처 각 텍셀은 표면의 높이 변위를 나타냄 |
| 법선 벡터 계산 | 높이 맵에서 각 점의 기울기를 계산 기울기를 사용하여 법선 벡터를 수정 |
| 빛 계산 | 수정된 법선 벡터를 사용하여 빛의 반사 계산 표면에 요철이 있는 것처럼 보이게 함 |
| 응용 | |
| 게임 | 캐릭터의 피부, 옷, 배경 등의 디테일 향상 벽돌, 나무, 돌 등의 표면 질감 표현 |
| 영화 | 특수 효과, 컴퓨터 그래픽(CG) 캐릭터 및 배경의 사실감 향상 복잡한 표면 디테일 표현 |
| 기타 | 3D 모델링 시뮬레이션 시각화 |
| 관련 기술 | |
| 노멀 매핑 | 미리 계산된 법선 벡터를 저장하여 사용 범프 매핑보다 더 정확한 표면 표현 가능 |
| 디스플레이스먼트 매핑 | 실제 기하학적 변형을 수행 범프 매핑보다 더 사실적인 표면 표현 가능 |
| 텍스처 매핑 | 표면에 색상 또는 무늬를 입히는 기술 |
| 외부 링크 | |
2. 원리
범프 매핑은 표면의 기하학적 형상을 직접 변경하지 않고, 표면 법선(Normal)을 조작하여 빛의 반사를 변화시키는 방식으로 작동한다.
3차원 장면을 렌더링할 때, 3차원 모델과 조명에 따라 화면상의 픽셀 밝기와 색이 결정된다. 물체가 보여야 할지 결정하는 기하학적인 계산을 하고, 삼각법을 사용하여 표면 법선을 계산한다. 표면 법선과 빛의 방향만을 가지고 퐁 셰이딩과 같은 방법으로 밝기를 계산한다. 빛이 표면과 평행하게 들어올 때는 표면은 검게 보이고, 수직으로 들어올 때는 가장 밝게 보인다. 그 이후에 물체를 좀 더 사실감 있게 표현하기 위해 물체의 표면에 텍스처를 씌운다.
범프 매핑은 높이맵에 대응하는 표면 픽셀의 밝기를 변화시켜 울퉁불퉁한 표면을 나타낸다. 범프 매핑의 주요 제한 사항은 기본 표면 자체를 변경하지 않고 표면 법선만 변경한다는 것이다.[5] 따라서 실루엣과 그림자는 영향을 받지 않으며, 이는 더 큰 시뮬레이션된 변위에서 특히 두드러진다. 이러한 제한은 범프가 표면에 적용되는 변위 매핑 또는 등위면 사용을 포함하는 기술로 극복할 수 있다.
2차원 범프 매핑('가짜' 범프 매핑)과 변위 매핑('진짜' 범프 매핑)의 차이점은 '가짜' 범프 매핑은 도형 자체가 아닌 법선만을 흐트러뜨린다는 것이다. 이 경우에, 물체의 윤곽선은 그대로 평평한 도형이다. 하지만 '진짜' 범프 매핑은 굴곡을 도형에다가 적용한다. 따라서 이 경우엔 물체의 윤곽선 또한 울퉁불퉁하게 된다. 가짜 범프 매핑은 계산 속도가 빠르고, 실시간 3차원 가속 카드가 수행할 수 있어서 게임 등에 자주 쓰이는 반면, 진짜 범프 매핑은 일반적으로 실시간이 아닌 광선 투사 이미지에 쓰인다.
깊이 감각을 높이는 것 외에도 다른 표면 특징을 수정하는 확장 기능도 있다. 시차 매핑과 호라이즌 매핑이 그러한 확장 기능이다.[4]
정식 범프 매핑에서는 하이트 맵을 정하고 각 픽셀의 계산용 벡터를 이용한다. 모든 픽셀에 대해 X와 Y의 기울기를 계산하기 위해서는 약간의 코드 추가만으로 구현할 수 있으며, 더 복잡한 구현 방법도 있다(최종 목적은 경사를 계산하는 것이며, 코드의 복잡성은 중요하지 않다). 그 후, 전형적인 광원 처리에서는, 그래프와 같은 특정 범위 내에서, 맵 내의 벡터의 방향을 광원의 법선 XYZ의 각 점의 계산 결과와 비교하여, 법선의 UV 텍스처의 픽셀 그림자를 조정한다. 만약 점이 더 광원을 향하고 있다면 밝아지고, 점이 광원과 다른 방향을 향하고 있다면 더 급격하게 어두워진다.
2. 1. 높이맵 (Height map)
높이맵(Height map)은 표면의 높낮이 정보를 담고 있는 2D 이미지이다. 각 픽셀의 밝기 값이 표면의 상대적인 높이를 나타낸다. 범프 매핑은 이러한 높이맵을 사용하여 3차원 표면의 울퉁불퉁한 부분을 표현한다.범프 매핑 과정은 다음과 같다.
# 렌더러는 표면의 각 지점에 대응하는 높이맵을 찾는다.
# 삼각법을 통해 높이맵의 표면 법선을 계산한다.
# 2단계에서 계산된 범프맵의 법선을 물체 표면 법선에 더한다. (표면 법선을 흐트려뜨린다고도 한다.)
# 새로운 울퉁불퉁한 표면에 퐁 셰이딩과 같은 방법으로 밝기를 계산한다.
이러한 과정을 통해 실제 깊이가 있는 표면처럼 보이게 된다. 또한, 이 알고리즘은 조명의 위치가 바뀌면 표면의 모습도 함께 바뀌도록 해준다.
2. 2. 법선 벡터 (Normal Vector)
범프 매핑에서 법선 벡터(Normal Vector영어)는 표면의 각 점에서 수직으로 뻗어 나가는 방향 벡터이다. 이 벡터는 빛의 반사 방향을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.[4]범프 매핑은 표면 형상을 직접 변경하지 않고, 이 법선 벡터를 수정하는 방식으로 작동한다.[5] 즉, 실제 표면은 매끄럽더라도 법선 벡터를 조작하여 빛이 반사되는 방식을 바꿈으로써 울퉁불퉁한 표면처럼 보이게 만든다.
수정된 법선 벡터는 퐁 반사 모델과 같은 조명 계산에 사용되어, 매끄러운 표면 대신 더 디테일하고 현실적인 모양을 표현한다.[4]
2. 3. 셰이딩 (Shading)
범프 매핑은 퐁 셰이딩과 같은 셰이딩 모델과 함께 사용되어, 표면의 질감을 더 사실적으로 표현한다. 이 방법은 높이맵을 기반으로 계산된 표면 법선 벡터를 셰이딩 모델에 적용하여 빛의 반사량을 조절한다. 렌더링 과정은 다음과 같다.# 렌더러는 표면의 각 지점에 대응하는 높이맵을 찾는다.
# 삼각법을 통해 높이맵의 표면 법선을 계산한다.
# 계산된 범프맵의 법선을 물체 표면 법선에 더하여, 표면 법선을 변경한다.
# 새로운 법선을 바탕으로 퐁 셰이딩과 같은 방법을 사용하여 밝기를 계산한다.
이러한 과정을 통해 굴곡이 있는 것처럼 보이는 표면은 실제 물체와 더욱 비슷하게 표현된다. 범프 매핑은 광원의 위치가 바뀌는 등의 장면 변화에 따라 표면의 모습이 변하도록 해준다.[4] 법선 매핑이 범프 매핑의 가장 흔한 기술이지만, 시차 매핑과 같은 다른 기술도 존재한다.
범프 매핑의 주요 한계는 기본 표면 자체를 변경하지 않고 표면 법선만 변경한다는 점이다.[5] 따라서 물체의 윤곽선이나 그림자는 영향을 받지 않아, 큰 변위에서는 이러한 한계가 두드러진다.
초기 셰이더 모델에서는 저해상도 필터 없는 스페큘러와 같은 저해상도 라이트를 사용했을 때, 애니메이션의 스윕처럼 보이는 현상이 발생하기도 했다.
3. 종류
범프 매핑은 구현 방식과 적용 범위에 따라 여러 종류로 나뉜다.
- 일반 범프 매핑: 높이맵을 사용하여 표면 법선을 계산하고, 이를 셰이딩에 적용하는 방식이다. 블린(Blinn)이 제안한 방법[2]으로, 렌더러는 표면의 각 지점에 대응하는 높이맵을 찾고, 유한 차분 방법을 사용하여 높이맵의 표면 법선을 계산한다. 이후 계산된 범프맵의 법선을 물체 표면 법선에 더하여(표면법선을 흐트러뜨린다고도 한다) 울퉁불퉁한 표면을 표현한다. 마지막으로, 새로운 울퉁불퉁한 표면에 퐁 반사 모델과 같은 방법으로 밝기를 계산한다.
- 노멀 매핑: 표면의 각 지점에 대한 수정된 노멀(법선 벡터)을 직접 포함하는 노멀 맵을 사용한다. 노멀은 높이 맵에서 파생되는 대신 직접 지정되므로, 더 예측 가능한 결과를 제공하며, 아티스트가 작업하기 더 쉽다.[3] 2000년대 이후 3D CG 표현에서 일반적으로 사용되는 방식이다.
- 시차 매핑: 2010년대 이후 게임에서 일반적으로 사용되는 고급 기술이다. 텍스처 좌표를 시점에 따라 이동시켜 표시하므로 더 깊이감 있는 표현이 가능하다. 그러나 오브젝트의 형상 자체는 변하지 않아 실루엣 근처의 표현은 부자연스럽다는 단점이 있다.
- 유사 범프 매핑: 범프 매핑을 시뮬레이션하기 위해 산술적으로 비용이 적게 드는 기술이다. 표면의 법선을 다시 쓰지 않고 텍셀의 인덱스를 다시 쓰는 방법이 있으며, '2D' 범프 매핑에서 자주 사용된다. 1990년대 데모 프로그램에서 시각 효과로 많이 사용되었다.
3. 1. 일반 범프 매핑
범프 매핑은 높이맵을 사용하여 표면 법선을 계산하고, 이를 셰이딩에 적용하는 가장 기본적인 방식이다. 블린(Blinn)이 제안한 방법[2]으로, 다음과 같은 단계를 거친다.# 렌더러는 표면의 각 지점에 대응하는 높이맵을 찾는다.
# 유한 차분 방법을 사용하여 높이맵의 표면 법선을 계산한다.
# 2단계에서 계산된 범프맵의 법선을 물체 표면 법선에 더한다. (표면법선을 흐트려뜨린다고도 한다.)
# 새로운 울퉁불퉁한 표면에 퐁 반사 모델과 같은 방법으로 밝기를 계산한다.
이 결과 굴곡이 있는 것처럼 보이는 표면은 실제 물체와 더욱 비슷하게 보인다. 범프 매핑은 광원을 옮기는 등의 장면변화에 맞추어 표면 모습이 변하는 것을 보장한다.
정식 범프 매핑은 하이트 맵을 정의하고 각 픽셀의 계산용 벡터를 이용한다. 모든 픽셀에 대해 X와 Y의 기울기를 계산하기 위해 약간의 코드를 추가하여 구현할 수 있으며, 더 복잡한 구현 방법도 존재한다. 코드는 법선을 올바르게 조정하기 위한 법선 정보가 담긴 범프 맵의 U축과 V축의 정보로 이러한 점 계산을 맞추도록 만들어진다. 그 후, 전형적인 광원 처리에서는, 그래프와 같은 특정 범위 내에서, 맵 내의 벡터의 방향을 광원의 법선 XYZ의 각 점의 계산 결과와 비교하여, 법선의 UV 텍스처의 픽셀 그림자를 조정한다. 만약 점이 더 광원을 향하고 있다면 밝아지고, 점이 광원과 다른 방향을 향하고 있다면 더 급격하게 어두워진다.
초기 셰이더 모델에서 저해상도 필터 없는 스페큘러처럼 저해상도 라이트를 사용한 경우, 애니메이션의 스윕처럼 보이며, 이것이 어떻게 움직이는지 가까이에서 확인할 수 있다.
벡터를 픽셀마다 계산하는 것이 아니라 미리 준비해두는 법선 맵에서는, 색상으로 맵 내에 법선 벡터를 저장한다. 광원의 점에서 X와 Y의 처리까지는 같다.
그리는 데 필요한 패스 수 및 텍스처 레이어의 양에 따라, 정식 범프 매핑의 일부 케이스에서는 엠보스 범프 매핑보다 저렴한 비용으로 할 수 있다. 정식 범프 매핑이 하나의 추가 패스 또는 텍스처 레이어만으로 처리를 완료할 수 있는 데 반해, 엠보스 범프 매핑은 2, 3개의 여분의 패스를 사용한다. 법선 매핑은 일반적으로 멀티 채널 구조이기 때문에 여러 패스가 필요하므로, 법선 맵보다 또한 저렴한 비용이다.
3. 2. 노멀 매핑 (Normal Mapping)
범프 매핑의 주요 방법 중 하나는 표면의 각 지점에 대한 수정된 노멀(법선 벡터)을 직접 포함하는 노멀 매핑을 사용하는 것이다. 노멀은 높이 맵에서 파생되는 대신 직접 지정되므로, 이 방법은 일반적으로 더 예측 가능한 결과를 제공한다. 이러한 특징 덕분에 아티스트가 작업하기 더 쉬워, 오늘날 가장 일반적인 범프 매핑 방법이 되었다.[3]3D CG 표현에서 2000년대 이후에는 범프 매핑보다 더 발전된 노멀 매핑이 일반적으로 사용된다. "높이" 정보만 유지할 수 있는 범프 맵과 달리, 노멀 맵은 x, y, z 각 "방향" 정보를 유지할 수 있어 더 정확한 표현이 가능하다. 그러나 노멀 맵은 전문 도구를 사용하여 출력해야 하는 반면, 범프 맵은 페인트 소프트웨어 등을 사용하여 손으로 간단하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
범프 매핑과 노멀 매핑은 오브젝트의 텍스처 위치는 그대로 두고 농담을 변화시켜 음영을 표현하므로, 큰 요철을 표현할 때는 다소 부자연스러운 결과가 나타날 수 있다.
3. 3. 시차 매핑 (Parallax Mapping)
시차 매핑(parallax mapping)은 2010년대 이후 게임에서 일반적으로 사용되는 고급 기술이다. 범프 매핑과 노멀 매핑이 오브젝트의 텍스처 위치는 그대로 두고 농담을 변화시켜 음영을 표현하는 반면, 시차 매핑은 오브젝트의 텍스처 좌표를 시점에 따라 이동시켜 표시하므로 더 깊이감 있는 표현이 가능하다. 그러나 범프 매핑, 노멀 매핑, 시차 매핑 모두 오브젝트의 형상 자체는 원래 오브젝트 그대로이므로 오브젝트의 실루엣은 변하지 않는다. 따라서 현실적인 표현이 가능한 시차 매핑에서도 오브젝트 실루엣 근처의 표현은 부자연스럽다는 단점이 있다.3. 4. 유사 범프 매핑 (Pseudo Bump Mapping)
3D CG 프로그래머는 범프 매핑을 시뮬레이션하기 위해 산술적으로 비용이 적게 드는 유사 범프 매핑 기술을 사용하는 경우가 있다. 표면의 법선을 다시 쓰지 않고 텍셀의 인덱스를 다시 쓰는 방법이 있으며, '2D' 범프 매핑에서 자주 사용된다. 엔비디아 지포스 2 클래스의 GPU에서는 하드웨어 레벨로 이 기술을 구현하고 있다.매우 단순하고 빠른 렌더링 루프로 쉽게 구현할 수 있는 전체 화면 2D 유사 범프 매핑은 1990년대의 데모 프로그램에서 시각 효과로 많이 사용되었다.
4. 디스플레이스먼트 매핑 (Displacement Mapping)과의 비교
범프 매핑은 표면의 법선만을 조작하여 굴곡을 표현하는 반면, 디스플레이스먼트 매핑은 실제로 표면의 기하학적 형상을 변경한다. 디스플레이스먼트 매핑(Displacement mapping)은 더 정확한 표현이 가능하지만, 계산 비용이 높아 실시간 렌더링보다는 주로 영상과 같은 프리렌더링 CG에 사용된다.[4]
범프 매핑의 주요 한계점은 표면 법선만 변경하고 실제 표면 자체는 변경하지 않는다는 것이다.[5] 따라서 실루엣과 그림자는 영향을 받지 않는다. 이러한 한계는 변위 매핑 또는 등위면을 사용하는 기술로 극복할 수 있다.
2000년대 이후 3D CG 표현에서는 범프 매핑보다 발전된 노멀 매핑이 일반적으로 사용된다. 노멀 맵은 x, y, z 각 방향의 정보를 유지하여 더 정확한 표현을 가능하게 한다. 2010년대 이후 게임에서는 시차 매핑과 같은 더 진보된 기술도 사용된다. 시차 매핑은 텍스처 좌표를 이동시켜 더 정확한 표현이 가능하지만, 오브젝트의 실루엣은 변하지 않아 현실적인 표현에는 한계가 있다.
2010년대 게임에서는 부하 때문에 잘 사용되지 않지만, 영상 등 프리렌더링 CG에서는 디스플레이스먼트 매핑이 사용된다. 디스플레이스먼트 매핑은 오브젝트의 형상 자체를 변화시켜 더 정확한 표현을 가능하게 한다.
5. 하드웨어 지원
안정적인 범프 매핑을 위해서는 GPU 내에 내장된 셰이더 프로그래밍 유닛 (버텍스 셰이더) 또는 GPU에 연결된 전용 벡터 연산 유닛 중 하나가 필요하다. GPU는 멀티 패스 렌더링 기능을 가지고 있어야 한다.
소니의 PS2에 탑재된 이모션 엔진은 벡터 연산 유닛으로 범프 매핑을 처리할 수 있었다. 소니는 범프 매핑 조작에 사용할 수 있는 GPU 셰이더 대신, 2개의 벡터 프로세서를 탑재했다. 이 시스템에서는 픽셀 단위의 계산을 한쪽 벡터 연산 유닛에서 계속하는 동안 하이트 맵을 독립적으로 계산할 수 있었다. 그러나 이 기능은 해당 게임기가 수명이 다해 Hitman: Blood Money와 같은 게임이 등장할 때까지 별로 사용되지 않았다.
마이크로소프트의 Xbox와 Xbox 360, 그리고 대부분의 개인용 컴퓨터에서 사용되는 그래픽 카드에서는, 픽셀 셰이더를 사용하여 범프 매핑을 실행한다.
6. 활용
범프 매핑은 울퉁불퉁한 표면을 텍스처를 통해 좀 더 사실적으로 나타내는 방법이다. 3차원 장면을 렌더링할 때, 3차원 모델과 조명에 따라 화면상의 픽셀 밝기와 색이 결정된다. 범프 매핑은 높이맵에 대응하는 표면 픽셀의 밝기를 변화시켜 울퉁불퉁한 표면을 나타낸다.
범프 매핑의 과정은 다음과 같다.
# 렌더러는 표면의 각 지점에 대응하는 높이맵을 찾는다.
# 삼각법을 통해 높이맵의 표면법선을 계산한다.
# 계산된 범프맵의 법선을 물체 표면 법선에 더한다. (표면법선을 흐트러뜨린다.)
# 새로운 울퉁불퉁한 표면에 퐁 셰이딩과 같은 방법으로 밝기를 계산한다.
이러한 과정을 통해 굴곡이 있는 것처럼 보이는 표면은 실제 물체와 더욱 비슷하게 보인다. 범프 매핑은 광원을 옮기는 등의 장면 변화에 맞추어 표면 모습이 변하는 것을 보장한다. 법선 매핑이 범프 매핑의 가장 흔한 기술이지만, 시차 매핑이라는 기술도 있다.
2차원 범프 매핑(흔히 '가짜' 범프 매핑)과 변위 매핑('진짜' 범프 매핑)의 차이점은 '가짜' 범프 매핑은 도형 자체가 아닌 법선만을 흐트러뜨린다는 것이다. 이 경우 물체의 윤곽선은 평평하지만, '진짜' 범프 매핑은 굴곡을 도형에 적용하여 물체의 윤곽선 또한 울퉁불퉁하게 된다. 가짜 범프 매핑은 계산 속도가 빨라 게임 등에 자주 쓰이는 반면, 진짜 범프 매핑은 일반적으로 실시간이 아닌 광선 투사 이미지에 쓰인다.
실시간 범프 매핑 렌더링은 굴곡 있는 표면을 평면 도형과 텍스처로 나타낼 수 있기 때문에 물체를 구성하는 데 필요한 삼각형의 숫자를 줄이는 데 쓰인다.
실시간 3D 그래픽스 프로그래머들은 낮은 계산 비용으로 범프 매핑을 시뮬레이션하기 위해 이 기술의 변형을 자주 사용한다. 고정된 지오메트리를 사용하고, 조명 계산을 위한 사전 계산된 룩업 테이블을 결합하는 방법은 매우 간단하고 빠른 루프로 구현될 수 있었고, 전체 화면 효과를 가능하게 했다. 이 방법은 범프 매핑이 처음 도입되었을 때 흔한 시각 효과였다.
7. 한계
범프 매핑은 표면의 작은 변위를 시뮬레이션하여 렌더링된 표면을 더 현실적으로 보이게 하는 기술이지만, 변위 매핑과 달리 표면 형상 자체를 수정하지는 않는다.[5] 표면이 변위된 것처럼 보이도록 표면 법선만 수정하고, 이 수정된 표면 법선을 조명 계산에 사용하여 매끄러운 표면 대신 디테일한 모양을 나타낸다.
범프 매핑의 주된 한계는 기본 표면 자체를 변경하지 않고 표면 법선만 변경한다는 점이다.[5] 따라서, 물체의 실루엣과 그림자는 영향을 받지 않으며, 이는 더 큰 시뮬레이션된 변위에서 두드러지게 나타난다. 예를 들어, 범프 맵을 사용하여 구의 표면이 무너지는 것을 시뮬레이션하더라도, 물체의 윤곽과 그림자는 여전히 완벽한 구의 모양을 유지한다.
이러한 한계는 범프가 표면에 적용되는 변위 매핑 또는 등위면을 사용하는 기술로 극복할 수 있다. 등위면을 사용하면 굴곡진 표면을 가진 구를 모델링할 수 있으며, 그 결과 윤곽과 그림자 모두 현실적으로 렌더링된다.
참조
[1]
웹사이트
Bump and Environment Mapping
http://www.ics.uci.e[...]
[2]
논문
Simulation of Wrinkled Surfaces
http://portal.acm.or[...]
SIGGRAPH-ACM
1978-08
[3]
웹사이트
Simulation of Wrinkled Surfaces Revisited
http://image.diku.dk[...]
2008
[4]
서적
Foundations of Game Engine Development, Volume 2: Rendering
http://foundationsof[...]
Terathon Software LLC
2019-07
[5]
간행물
Real-Time Bump Map Synthesis
https://web.archive.[...]
[6]
URL
http://www.ics.uci.e[...]
[7]
논문
Simulation of Wrinkled Surfaces
http://portal.acm.or[...]
SIGGRAPH-ACM
1978-08
[8]
간행물
Simulation of Wrinkled Surfaces Revisited
http://image.diku.dk[...]
2008
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