2018.12.22 깊이 버퍼 그림자 매핑

깊이 버퍼 그림자 매핑
Depth Buffer Shadow Mapping
2018-12-22 데브루키 발표자 이석우

발표자 소개
u 이석우 (1987년생)
u 병역 특례 종료 후 2019년 백수 예정자
u 발표자료에 대한 오류사항이나 궁금한 점이 있으면 아래의 메일로 연락주세요.
kkndsta@naver.com

Reference
u 박민수 [깊이 버퍼 그림자] : 그림자 구현의 역사 참조
u 김포프 [셰이더 프로그래밍 입문] : 그림자 매핑 및 소스 코드 참조
u 박민근 [알콜코더’s 브래인] : 물어보면 다 알려주는 데브루키의 욕쟁이 할머니

그림자란?
u 빛이 어떤 물체에 막혀 다른 물체에 빛이 통과하지 못하여 생기는 어두운 부분을 말한다.

CG에서 그림자
u 음영(Form Shadow)과 그림자(Cast Shadow)로 구분된다.

오늘의 주제
u 음영은 보통 Lighting 계산으로 구한다.
u 그러나 그림자는 프로그래머가 추가적인 처리를 해야 한다.
u 따라서 오늘은 이 그림자(Cast Shadow)를 구현하는 방법에 대해 설명한다.

게임 속 초기 그림자 구현
u Circle Shadow

Circle Shadow
u 캐릭터의 발 밑 부분에 원형의 그림자 텍스처를 입힌다.
u 모든 캐릭터가 원형의 그림자를 갖게 되어 리얼리티가 떨어진다.
u 울퉁불퉁한 지형에서 사용할 수 없고 오직 평지에서만 사용이 가능하다.
u 광원이 하나여도 그림자가 겹친 부분이 더 어두워지는 현상이 발생한다.

게임 속 초기 그림자 구현
u Projected Shadow Mapping

Projected Shadow Mapping
u 그림자는 광원의 위치에 따라 빛의 방향이 다르고 이에 따라 바닥에 투영시켜야
한다. 이를 Projected Shadow Mapping이라 한다.
u 광원에서 본 오브젝트의 실루엣을 그림자 텍스쳐에 저장한다.
u 광원 방향으로 투영하듯 텍스처를 매핑한다.

u 문제점 : Self Shadow가 적용되지 않는다.
§ 왜냐하면 그림자를 오브젝트 단위로 생성하기 때문에 자신의 차폐를 계산하기 어렵다.

u 문제점 : 투영을 잘 시켜야 한다.
§ 계산을 잘 못하면 벽 넘어에 그림자가 생기는 등의 버그가 발생할 수 있다.

깊이버퍼 그림자 매핑
Depth Buffer Shadow Mapping
u GPU 성능이 점점 좋아져 픽셀 계산 능력이 올라가면서 Depth Buffer Shadow
Mapping이 사용되기 시작했다.
u 이 방법은 광원을 기준으로 그림자를 생성할 지 판단한다.

그림자는 어디에 생성되어야 할까?
u 빛은 직진성을 가지기 때문에 통과하지 못하는 곳은 그림자가 생긴다.
A
B
C
D
(a) (b) (c) (d) (f) (e)

그림자 생성 여부의 판단
u 광원으로부터 가장 가까운 객체까지의 거리를 저장하여 현재 객체가 멀면 그림자
를 생성하면 된다.
A
B
C
D
0.0
0.5
0.7
0.85
1.0

비슷한 컨셉의 Z버퍼링
u 위의 방법은 Z버퍼링과 유사하다.
u Z버퍼링은 카메라로부터 객체까지의 거리를 깊이버퍼
에 픽셀단위로 저장하여 거리 비교를 통해 카메라에 가
장 가까운 객체를 보여주는 방법이다.

깊이버퍼 그림자 매핑의 모티브
u 카메라가 아닌 광원 기준으로 가장 가까운 객체의 거리값을 텍스처에 저장한다면….
u 텍스처를 이용하여 그림자의 생성 여부를 판단할 수 있다.
u 여기서 광원에서 가장가까운 객체까지의 거리값을 저장한 2차원 텍스처를 그림자맵
(Shadow Map)이라 한다.

그림자 맵
u 그림자 맵에 저장된 데이터는 광원기준으로 원근 투영된 후 ndc 공간으로 변환
된 z 값이다. 따라서 0과 1 사이 값으로 저장된다.
u 그림자 맵을 가시화하면 아래와 같이 회색조의 이미지를 볼 수 있다.

그림자 매핑의 과정
u 그림자맵 생성
① 그림자맵을 저장할 렌더타겟으로 한다.
② 카메라를 광원의 위치에 두고 물체들을 그린다.
③ 픽셀셰이더에서 빛으로부터 현재 픽셀까지의 깊이를 반환한다.
u 그림자 적용
① 렌더타겟을 백버퍼로 설정한다.
② 카메라를 기준으로 물체들을 그린다.
③ 빛으로부터 현재 픽셀까지의 깊이를 그림자맵에 담겨 있는 결과와 비교한다. 현재
깊이가 그림자맵의 깊이보다 크면 그림자를 씌운다.

그림자맵 랜더링
u 광원 기준의 광원-뷰 행렬과 광원-투영 행렬을 만든다.

u 일반적인 렌더링을 위한 카메라 기준 시야 및 투영 행렬들을 만든다.

u 렌더 타겟은 백버퍼로 기본 설정이 되있다. 우리는 그림자맵을 생성할 때 렌더
타겟을 변경하므로 백버퍼와 깊이버퍼에 대한 포인터를 미리 저장해야 장면 렌
더링을 할 때 다시 백버퍼로 되돌릴 수 있다.

u 그림자맵을 렌더 타겟으로 설정한다.

u 그림자맵을 초기화 하고 쉐이더에서 사용할 행렬들을 설정한다.

u 그림자 만들기 쉐이더를 이용하여 객체를 그린다.

그림자맵 만들기 쉐이더 구현
u 여기서는 정점만 있으면 거리 계산이 가능하므로 정점만 입력으로 받아온다.

u 버텍스쉐이더에서는 클립 공간으로 변환한 후 정점을 반환한다.

u 픽셀쉐이더는 클립 공간 위치의 z 성분을 변환하면 될거 같지만 그전에 w로 나
눈 값을 반환해야 한다.
u 위치벡터에 원근투영행렬을 곱하면 w 성분은 1이 아니다. 동차좌표를 화면상
좌표로 사용하려면 w값으로 좌표로 나누어 줘야 한다. (x/w, y/w, z/w, 1)

장면 렌더링
u 장면 렌더링을 위해 렌더타겟을 백버퍼로 되돌린다.

장면 렌더링
u 장면의 객체들을 그린다.

그림자 입히기 쉐이더
u 광원을 기준으로 z값을 비교하기 광원 기준 투영 공간 위치를 출력으로 저장한다.

u 그림자맵을 픽셀쉐이더에서 사용하기 전, ndc 공간의 xy좌표로 그림자맵
의 uv좌표를 구한다.
u XY 좌표를 UV좌표로:
u = x ÷ 2 - 1
v = -y ÷ 2 + 1

u Z값을 비교하여 현제 값이 크면은 칼라값을 1/2로 조정한다.
u 부동소수점 에러 때문에 보정값을 더해준다.

u 보정 전 후 차이

참고 동영상
u Depth Buffer Shadow Mapping

깊이 버퍼 그림자 매핑의 장점
u 비교적 저렴한 비용으로 그럴듯한 그림자 효과를 얻을 수 있다.
u 이전에는 까다로웠던 셀프 쉐도우나 다른 객체에 대한 그림자를 쉽게 구현할 수 있다.
u Circle Shadow에서 발생했던 그림자 겹침 현상이 발생하지 않는다.

깊이 버퍼 그림자 매핑의 단점(1)
u 픽셀 단위의 구현으로 인해 그림자 맵의 해상도가 낮으면 그만큼 그림자의 세밀
함이 떨어지게 된다.

u 아무리 해상도가 좋아도 광원 절두체와 시야 절두체가 서로 포함하는 영역이 적을수록
그림자의 품질 저하는 피할 수 없다.
u 객체 D는 카메라에는 가까이 있지만 광원에는 멀리 있다. 따라서 광원 기준으로 투영
된 깊이 버퍼에서 작은 영역에 포함되어 있을 것이다. 그러나
A
B
C
D

u 실제 그림자는 안쪽이 가장 어둡지만 모서리 부분으로 갈수록 흐려지는 특징이
있다. 이를 소프트 쉐도우라 하는데 깊이 버퍼 그림자 매핑은 이런 정교한 구현
이 불가능하다.

u 하드 쉐도우라는 것은 양날의 검이기도 한데 장점은 그림자 겹침 현상이 없다는 것이다.
이는 광원이 하나 일 경우 유효한 물리적 현상이다.
u 반면 광원이 다수일 경우 그림자 또한 다수가 존재하는 데 이때에는 그림자 겹침 현상
이 발생하는 것이 물리적으로 옳지만 구현이 불가능 하다.
u 또한 광원이 다수이면 이에 대응하는 깊이 버퍼도 다수여야 하므로 자원 소모가 커진다.

그림자의 계단 현상을 보완한 기술들
u 케스케이드 그림자 매핑 : 여러 개의 그림자맵을 생성하여 카메라에 가까운 객
체들은 고해상도 그림자맵을 사용하고 멀리 떨어진 객체들은 저해상도 그림자
맵을 사용하는 방법.
u 퍼센티지 클로저 필터링 : 그림자의 외곽선을 부드럽게 필터링 해주기 위해 사
용하는 기법.
u 배리언스 그림자 매핑: 하드웨어 텍스처 필터링이 가능하도록 깊이 값을 저장하
는 방법.
u 향후 발표 예정…

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