오즈라엘

유니티의 씬의 모든 Mixed 라이트는 Mixed Lighting Mode에 의존합니다. Lighting Mode 를 설정하려면, Window Rendering > Lighting SettingsEdit > Window > Lighting을 선택하여 라이팅 창을 열면 Mixed Lighting 섹션이 있습니다. Baked Global Illumination 플래그는 베이킹된 GI 즉 라이트맵 사용 여부를 의미합니다. 라이트맵을 사용하려면 이 플래그가 켜져있으면 됩니다.

Mixed Lighting 의 Lighting Mode는 씬의 라이트들 중 모드가 Mixed로 되어있는 라이트들에 의해서 영향을 받습니다. Baked Indirect, Subtractive, Shadowmask 중 하나를 선택할 수 있습니다. 이 모드에 따라서 라이트맵들은 큰 차이를 보입니다.

(이 글에서는 포워드 렌더링 패스를 기준으로 설명합니다.)

Baked Indirect

이 모드로 설정된 경우는 GI만 라이트맵에 기록되고 그림자는 기록되지 않습니다. 그림자는 베이킹이 되지 않고 런타임동안 실시간으로 연산됩니다. 즉, 그림자는 실시간으로 처리하고 GI만 미리 연산해놓고 싶은 경우 이 모드를 사용합니다. 그림자가 매우 중요하게 다뤄져야할 경우 유용합니다. 하지만 그만큼 그림자 처리 비용이 들어가는 것을 염두해두어야 합니다. 그림자 뿐만 아니라 직접광(Direct lighting)도 리얼타임으로 처리됩니다. 따라서 런타임상에서 라이트의 컬러와 강도(intensity)도 변경 가능합니다. 다음 이미지는 스태틱으로 처리된 건물의 그림자와 케릭터의 그림자가 실시간으로 처리되고 있는 모습을 보여주고 있습니다. 건물 옆의 바위는 실시간 라이팅이 적용되어 스페큘러 하이라이트가 반영되어 있습니다.

< Assets : Lighting Optimisation Tutorial, Survival Shooter Tutorial, by Unity Technologies>

씬 뷰에서 Baked Lightmap 모드로 선택하여 확인해보면 AO등의 GI는 반영이 되어있지만 디렉셔널 라이트의 그림자는 반영이 되어 있지 않습니다.

Subtractive

Subtractive는 정통적인 라이트맵이라고 볼 수 있습니다. 라이트맵에 GI와 직접조명, 그림자 까지 모두 라이트맵에 베이킹됩니다. 이 모드는 스태틱 오브젝트에 대한 라이팅 연산이 라이트맵에 새겨지므로 스태틱 오브젝트에는 실시간 라이팅이 이루어지지 않고 오로지 라이트맵에해서만 라이팅이 이루어지기 때문에 스페큘러가 반영되지 않습니다.

라이트맵에 그려진 라이트는 단순히 텍스처에 그려진 이미지와 다름 없기때문에 실시간 그림자와 자연스럽게 반응하거나 하지는 않습니다. 아래 이미지는 베이킹된 건물의 그림자 위에 케릭터의 실시간 그림자가 그려지는 모습을 보여주고 있습니다. 앞의 Baked Indirect에서 캐릭터와 건물의 그림자가 자연스럽게 연결되는 모습과는 대조되는 현상입니다.

그래서 Subtractive 모드에서는 실시간 그림자의 컬러를 조절할 수 있습니다. Realtime Shadow Color를 변경하여서 그림자 컬러를 조절해줄 수 있습니다. 씬의 전반적인 그림자의 컬러와 어울리는 컬러로 선택해서 그림자의 이질감을 줄여줄 수 있습니다.

씬 뷰에서 드로우 모드를 Baked Lightmap로 확인한 모습입니다. 오브젝트의 라이팅과 그림자, AO까지 모두 라이트맵에 처리가 되어 있습니다.

Subtractive 모드에서는 이처럼 스태틱 오브젝트들의 라이트는 라이트맵에서 다 처리하므로 런타임 동안의 라이팅 오버헤드가 극히 적습니다. 그렇기 때문에 저사양 모바일 디바이스에서 사용하기 적합한 모드입니다.

Shadowmask

Shadowmask모드는 라이트맵을 베이킹 시 그림자 영역을 별도의 텍스쳐로 따로 저장합니다. 이러한 그림자 영역을 따로 저장해놓은 텍스처를 쉐도우마스크라도 부릅니다. 얼핏 보기에는 Baked GI와 비슷하게 보일 수 있습니다. 하지만, 런타임동안 그림자 캐스팅 연산 자체를 수행하지는 않습니다. 대신 쉐도우 마스크로부터 그림자 여부를 판단해서 실시간 그림자와 자연스럽게 합성해줍니다. 따라서, Subtractive 모드와는 달리 스태틱 오브젝트와 다이나믹 오브젝트의 그림자가 자연스럽게 연결됩니다.

다음 이미지에서 건물 그림자와 캐릭터 그림자가 자연스럽게 어울리고 있습니다.

Shadowmask모드는 라이트맵이 적용되는 오브젝트에도 스페큘라 하이라이트가 적용됩니다. 건물 옆바위를 보면 스페큘라 하이라이트가 맺히고 있음을 확인할 수 있습니다. 앞선 Subtractive 모드일 경우와 비교해보면 차이가 명확하게 드러납니다. 이 스페큘라 하이라이트는 리얼타임으로 픽셀쉐이더에서 연산되기 때문에 그 만큼의 추가적인 GPU 성능이 소모됩니다. 이는 BakedGI모드에서도 마찬가지지만, BakedGI와 다른점은 그림자 캐스팅 연산에 대한 비용이 상대적으로 절약된다는 점입니다. 스태틱 오브젝트의 그림자 영역은 미리 쉐도우마스크로 저장되어 있기 때문에 런타임동안 쉐도우맵을 이용한 연산을 수행하지 않습니다. ( 주석 : Distance Shadowmask는 경우에 따라 달라집니다.)동적인 오브젝트에 대해서만 쉐도우맵 연산을 함으로써 그림자 연산에 대한 비용을 절약할 수 있습니다.

씬 뷰에서서 드로우 모드를 Shadowmask로 설정하면 쉐도우마스크가 적용되는 부분만 따로 확인할 수 있습니다.

이처럼, 그림자 연산에 대한 성능 비용이 대폭 감소하기때문에 모바일 디바이스에서 사용하기 적합합니다. Subtractive 모드에서의 시각적인 품질이 아쉽다면 Shadowmask도 고려해볼만 합니다. 다만 물론 Subtractive 모드보다는 성능 비용이 더 필요합니다.  

또한, 쉐도우마스크 텍스처가 추가적으로 만들어지기 때문에 텍스처 메모리가 추가적으로 필요합니다. 라이트캡 텍스처 생성 결과물은 라이팅 윈도우의  Global Maps 탭에서 확인할 수 있습니다. 아래 이미지는 위 씬을 디렉셔널 모드를 Directional로 설정하고 라이팅 모드를 Shadowmask로 라이트맵을 베이킹한 결과물들입니다.

첫번째 행에 보여지는 것들이 본래의 라이트맵입니다. 두번째 행에 보여지는 것들이 디렉셔널 모드로 인해 추가된 텍스쳐입니다. 세번째 행에 보여지는 것들이 쉐도우마스크입니다. 원래는 4장인 라이트맵이 디렉셔널 모드와 쉐도우마스크로 인해서 3배가 되었습니다. 하단에 총 용량이 190.7MB임을 나타내고 있습니다. PC나 콘솔에서는 문제가 되지 않는 크기이지만 모바일 디바이스에서는 메모리 문제를 일으킬 수가 있는 수치입니다. 따라서 모바일을 타겟으로 할 시에는 이러한 점들을 염두해두어야 합니다.

Shadowmask는 Distance Shadowmask 모드로 확장될 수 있습니다. Edit > Project Settings > Quality 를 선택하여 퀄리티 셋팅 창에서 선택할 수 있습니다. Shadows 섹션의 Shadowmask Mode를 Distance Shadmowmask로 설정하면 디스턴스 쉐도우마스크 모드가 활성화 됩니다.

이 모드를 활성화 시켜주면 스태틱 오브젝트도 거리에 따라 쉐도우맵을 적용합니다. 가까운 거리는 쉐도우맵으로 실시간으로 그림자를 처리하고 먼 거리는 쉐도우매스크로 그림자를 처리하는 것입니다.

가까운 거리에 있는 다이나믹 오브젝트에게 스태틱 오브젝트로부터 캐스팅되는 그림자를 고품질로 드리우고 싶을 때 이 모드를 사용할 수 있습니다. 다음 이미지는 Distance Shadowmask 모드에서 건물의 리얼타임 그림자가 캐릭터에게 맺히는 모습을 보여주고 있습니다.

Shadow Distance에 설정된 값 이상의 거리는 Shadowmask를 적용해서 처리합니다. 아래 두 이미지는 그러한 예를 보여주고 있습니다.

카메라가 건물과 멀리 떨어져 있을 시에는 쉐도우맵의 영향이 아닌 쉐도우마스크로 처리가 되어서 그림자가 만들어집니다. 그림자의 경계가 쉐도우마스크의 해상도로 인해 블럭화되는 것을 볼 수 있습니다. 또한, 케릭터는 Shadow Distance보다 멀리 있어서 그림자가 생략됩니다.

카메라가 가까이 가면 쉐도우맵을 이용하는 실시간 그림자로 바뀝니다. 건물 그림자의 경계 품질이 바뀐 것을 확인할 수 있습니다.

이처럼, 스태틱 오브젝트도 실시간 그림자를 캐스팅하게 두고싶다면 디스턴스 쉐도우마스크를 이용하면 성능을 절약할 수 있습니다.

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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 :