Appearance
표면 하산란에 의한 스킨 셰이더(2)~하프 라이프 2로 채용의 의사 라디오 시티 라이팅(2)
[칼럼 핵심 요약]
하프 라이프 2의 속편인 '하프 라이프 2 에피소드 1'(2006년)에서는 이 하프 램버트 라이팅에 더해 그 장면의 광원에 대해 실시간으로 폰 경면 반사(Phong Specular Lighting)를 덧붙이고 있다.🌐 원문 링크: 表面下散乱によるスキンシェーダ(2)～ハーフライフ2で採用の疑似ラジオシティライティング(2) (Mynavi News)
📅 원문 발행일: 2009-04-10 ｜ ✍️ 저자: 西川善司 (니시카와 젠지 / Zenji Nishikawa)
NOTE
💡 현대 그래픽스 관점에서의 발전사 (Modern Retrospective)
- 스크린 공간 SSS (SSSS): Jorge Jimenez 등이 제안한 화면 공간 분리 가능 서브서피스 스캐터링(Separable SSSS) 기법이 정립되면서 피부 렌더링의 성능 효율이 비약적으로 상승했습니다.
- 다층 표면 모델 (Multi-layer SSS): 표피(Epidermis), 진피(Dermis), 피하지방층으로 세분화된 빛 흡수/산란 계수를 개별 프로파일링하여 영화 CG 수준의 디지털 휴먼 렌더링이 실시간으로 구현됩니다.
📖 본문 해설
[원문 리드문] > 하프 라이프 2의 속편인 '하프 라이프 2 에피소드 1'(2006년)에서는 이 하프 램버트 라이팅에 더해 그 장면의 광원에 대해 실시간으로 폰 경면 반사(Phong Specular Lighting)를 덧붙이고 있다.
하프 라이프 2의 속편인 '하프 라이프 2 에피소드 1'(2006년)에서는 이 하프 램버트 라이팅에 더해 그 장면의 광원에 대해 실시간으로 폰 경면 반사(Phong Specular Lighting)를 덧붙이고 있다.
폰 경면 반사는 광택이 강하게 나오는 경면 반사의 일반적인 형태로, 노멀 벡터 방향과 광원 벡터 방향 이외에 관측자의 시선 방향에도 배려되는 셰이딩(Shading)가 된다. 폰 경면 반사에서는 시선 방향 E와 노멀 벡터 방향 N의 2개로부터 산출한 반사 방향 R과 광원 방향 L이 짜는 각도 θ의 코사인(COSθ)을 구하여 시선에서 보이는 광 강도로 정의하고 있다. 직관적으로는 그림에서 R과 L의 각도가 작아질수록 강한 반사가 된다는 이미지다.
폰 경면 반사
사람 피부에 균일하게 폰 경면 반사를 적용해 버리면 금속같게 되어 버리기 때문에, 약간의 궁리를 넣고 있다.
그것은, 그 3D 캐릭터상의 "표현하고 싶은 물질"이 얼마나 강도의 하이라이트(광택)를 내는지를 나타내는 분포도(텍스처)와, 어느 부분에 어느 정도의 강도의 경면 반사를 실시하는지 등의 분포도(텍스처)를 준비해, 렌더링시에는 이 2개의 정보를 배려해 폰 경면 반사의 셰이딩(Shading)를 실시. 개발팀에서는 이 두 가지 추가 텍스처 정보의 전자를 경면 반사 지수(Specular Exponent), 후자를 '경면 반사 마스크'(Specular Mask)라고 부르고 있었다고 한다.
경면 반사의 방법의 분포를 정리한 텍스처를 준비하고, 이것을 배려하면서 폰 경면 반사의 셰이딩(Shading)를 실시해 간다
이것은 예를 들면 입술, 코, 이마 등은 강한 하이라이트가 나오지만, 뺨이나 입 주위에서는 확산 반사가 지배적으로 된다……라고 하는 분포도가 된다. 이 분포도는 물리적 측정 결과에 기초한 것을 이용하거나, 아티스트가 그러한 물리 측정 데이터를 모방하여 리얼하게 보이도록 인공적으로 생성하거나 준비하게 된다.
아래 그림은 Tim Weyrich씨 등이 SIGGRAPH 2006에서 발표한 「Analysis of Human Faces using a Measurement-Based Skin Reflectance Model」안에 포함됩니다. 세로축 ρs는 경면 반사 강도를 나타내고, 가로축 m은 면의 거칠기를 나타내고, 안면을 10개의 영역으로 나누어 ρs와 m에 대한 분포를 정리한 것으로 되어 있다. 실제의 실장에서는 이러한 실측 데이터를 참고로 분포도를 작성해 가게 된다.
안면 10개소에서의 경면 반사 강도 ρs(세로축)와 면의 거칠기 m(가로축)의 분포. "Analysis of Human Faces using a Measurement-Based Skin Reflectance Model"(Tim Weyrich, SIGGRAPH 2006)
또한, 프레넬 반사에도 고려하여, 하이라이트의 출방을 시선과 면의 방향에도 배려하여 결정시킨다. 프레넬 반사에 대해서는 제54회를 참조해 주었으면 한다.
이렇게 만들어진 하프 라이프 2 에피소드 1의 인물 캐릭터의 영상은 텍스처와 경면 반사와 확산 반사의 조합만으로 만든 것으로는 현실적인 것처럼 보인다. (계속)
하프 램버트 라이팅에 경면 반사 분포를 적용하는 것만으로 사람 피부 라이팅은 여기까지 리얼하게 보여진다
(트라이Z 니시카와 젠지)