유니티5의 글로벌 일루미네이션

라이팅 작업 흐름을 비약적으로 개선시켜줄 수 있는 실시간 글로벌 일루미네이션(real-time Global illumination)은 Unity5의 새로운 그래픽 기능 중 하나입니다. 이에 초첨을 맞추어 이야기하고자합니다. 이 글은 유니티 블로그에 있는 "GLOBAL ILLUMINATION IN UNITY 5"글을 번역 및 요약한 글입니다.

글로벌 일루미네이션( Global illumination, 이하 GI)은 물리적인 현상에 기반한 빛의 이동에대한 시물레이션 결과입니다. 즉 3D 공간에서 빛이 면에 부딪혀서 어떻게 이동하는 지를 시물레이션 하는 것입니다. 이로 인해 게임의 사실성을 부각시켜 줄 수 있습니다. GI 알고리즘은 광원으로부터 직접 오는 빛 뿐만 아니라 다른 재질의 면에 반사되서 오는 간접 조명도 취합해서 계산합니다. 하지만 일반적으로는 간접 조명은 게임에서 실시간으로 연산하기에는 무리였습니다.

GI를 식으로 표현하면 다음과 같습니다. 특정 점의 라이팅은 표면 점의 원래 라이팅인 Le과 부수적인 라이팅의 합으로 이루어집니다. Li는 반구 조명을, p는 반사된 조명을 나타냅니다.

이를 처리하기 위하여 쓰이는 대표적인 알고리즘중 하나는 path tracing입니다. 이는 CGI나 영화에서 널리 쓰이고 있습니다. 하지만 화면에 있는 라이팅, 매터리얼 등의 회면 전체의 이미지를 구성하는데 필요한 모든 정보가 매번 연산되어야합니다. 그러다보니 게임같은 실시간 렝더링에서 사용하기에는 적합하지 않습니다. 이에 대한 대안으로, 이미지 전체를 갱신하지 않고 노이즈로 처리해서 성능을 높이는 방법도 존재합니다. 하지만 노이즈가 티나도록 깜빡거림이 생기는 등의 부작용이 존재합니다.

이 외에도 GI를 처리하기 위한 많은 방법들이 연구되어왔지만, 대부분은 하이엔드 데스크탑 수준의 GPU와 많은 용량의 메모리가 필요합니다. 따라서 모바일을 비롯하여 다양한 플랫폼에서 사용될 수 있는 방안이 필요합니다.

Enlighten

Enlighten(이하 인라이튼)은 이미 배틀필드4, 메달 오브 아너 워파이터 등 여러 AAA급 게임에서 사용되어 검증이된 뿐만 아니라 모바일에서까지 GI를 가능케해주는 훌륭한 솔루션입니다. 기본적인 시각적 정보들(예를 들어 위의 식에서 우항의 적분 부분)이 미리 연산되어 있으면 실시간 으로 라이팅 소스를 변경 처리하는 것이 가능해집니다.

인라이튼은 다음 사항들을 동적으로 변경하는 것을 가능케 합니다.

• 라이트 소스
• 환경 라이팅
• 머티리얼 속성

GI가 사뮬레이션되는 지오메트리는 정적이어야합니다. 하지만 동적 오브젝트는 라이트프로브에 의해서 동적으로 라이팅이 변경 될 수 있습니다. 이 라이트프로브는 실시간으로 정적인 오브젝트의 GI를 업데이트 할 수 있습니다. 이를 위해 인라이튼은 실시간으로 GI를 시뮬레이션 하기 위한 데이터를 미리 연산해놓습니다. 이 데이터는 OSX, Windows, Linus, iOS, 안드로이드, iOS 등등의 다양한 플랫폼의 런타임 모듈에서 사용됩니다.

인라이튼은 다음 사항들을 만들어냅니다.

• 실시간 라이트맵
• 실시간 라이트프로브
• 실시간 큐브맵

다음 예시 이미지들은 Enlighten을 이용하여 그려진 화면입니다. 라이팅들은 완벽한 동적 라이팅으로 셋팅되어있고 변화가 즉각적으로 이루어집니다. 

이 이미지는 밝은 낮을 나타냅니다. 태양이 더 강하고 높이 위치합니다.하늘은 더 푸르고 밝습니다.

흐린 날씨의 경우에는 환경 라이팅이 우중충하고 채도가 낮습니다. 태양의 세기는 약해졌습니다. 앰비언트 라이팅 위주입니다.

마지막으로 해질녘 노을빛의 느낌을 내는 모습입니다. 

이 테크닉을 사용함으로써 하루 동안의 시간 흐름을 표현할 수 있습니다. 이로 인해 게임이 매우 사실적이게 보여 줄 수 있습니다.

인라이튼 사전 연산 (precompute)

정적인 지오메트리는 GI 솔루션 시스템에서 효과적으로 관리됩니다. 사전 연산(precompute) 단계에서 인라이튼은 씬을 여러 시스템 태스크로 쪼갠 후 이를 방대한 병렬 파이프라인에서 나누어 연산합니다. 사전 연산 과정을 거친 후 시스템 태스크간의 지오메트리 연결 정보가 구성됩니다. 이 정보들은 실시간으로 간접광을 제어하는데 사용 될 수 있습니다. 이어한 덕에 벽의 파괴나 문이 열리는 상황 등 라이팅이 변화되는 상황이 반영 될 수 있습니다.

인라이튼 런타임 

인라이튼은 데스크탑PC나 차세대콘솔 뿐만 아니라 하이엔드 모바일 장치에서도 작동합니다. 이는 CPU 스레드에서 비동기적 연산으로 돕니다만, 모바일에선 동적 라이팅과 그림자의 GPU 연산이 이슈다보니 모바일에서는 처리 가능한 동적 라이팅의 갯수가 제한됩니다. 하지만 발광색(emissive) 변경은 자유롭습니다. 발광색의 정보는 비록 저해상도이긴 하나 인라이튼에 인코딩된 정보로 연산을 하기 때문입니다.

모바일 장치(ARM 태블릿)에서 작동하는 영상:

베이킹(Baking)

어떤 게임들은 라이팅을 미리 굽는(baking) 과정이 매우 적절한 선택이 될 수 있을 것입니다. 유니티5에서는 라이트소스, 발광 재질, 환경 라이팅 등이 baked 및 리얼타임으로 태그 될 수 있습니다. baked는 이전버젼(4.x)와 같은 방식으로 베이킹 되는 것 의미합니다. 동적 라이트는 인라이튼 런타임에서 처리합니다. baked와 real-time은 이질감 없이 합성됩니다.

유니티5의 라이트맵은 여러 컴포넌트로 나뉩니다. 직접광, 간접광, 직접광 지향성, 간접광 지향성, AO 등 5개의 라이트맵으로 나뉘어집니다. 이 라이트맵 컴포넌트들은 실시간으로 합성하게 됩니다. 또한, 이는 에디터에서 컨트롤 가능합니다. 예를 들어 간접광만 증가시키는 것이 불과 몇 초 안에 이루어질 수 있습니다.

라이팅 워크플로우(workflow)

인라이튼은 실행중인 게임안에서만 실시간 GI를 제공하는 것은 아닙니다. 에디터에서 작업하는 과정에서도 실시간 GI가 이루어집니다. 인라이튼의 주요 장점 중 하나는 아티스트에게 엄청나게 개선된 워크플로우를 제공해준다는 것입니다. 이는 라이팅 작업이빠른 이터레이션으로 이루어 질 수 있기 때문입니다. iterative모드가 추가됨으로써 명시적으로 굽는 과정 필요가 없어졌습니다. 씬의 사전 연산 정보들이 실시간으로 구워지고, 사용자가 이 과정중에 일일이 개입할 필요가 없습니다. 에디터는 지속적으로 씬의 변경 사항 확인하여 자동적으로 라이팅 정보를 반영해주는 작업을 수행합니다. 대부분의 작업은 즉각적으로 반영됩니다.

라이팅 워크 플로우 영상 :