일단 보통 그림자는 2가지로 나눌 수 있음

Umbra - Penumbra

그림자 - 반그림자인데

반그림자는 전환 영역이고,

보통의 그림자 즉 Shadow=Umbra+Peumbra 로 구성됨

일반적으로 정적인 그림자는 베이킹해서 그리는데, 옛날 게임에 캐릭터보면 텍스쳐에 음영을 넣는 효과들이 그러함

일반적으로 게임에서 실시간으로 렌더링하는 그림자는 크게 4가지로 나뉘더라

1. 쉐도우 맵(현 대세)

1번 쉐도우 맵 같은 경우 현재 가장 널리 쓰이는 방법인데, 기본적으로 2가지 단계가 필요함

1. 광원에서 빛의 방향을 바라보는 라이트 스페이스가 있고, 그런 다음 라이트 스페이스에서 그림자를 생성해야하는 객체를 렌더링함

여기서 그림자를 생성하는 객체를 렌더링하고, 이때 깊이(뎁스)를 Z-Buffer에 기록되어 가장 가까운 객체의 깊이를 저장하는 ShadowMap을 얻음

(윈도우 APP 디벨롭에 적혀있는 Shadow Depth Maps 원리)

2단계: 그런 다음 객체를 다시 정상적으로 렌더링합함

렌더링하는 동안 렌더링된 객체의 월드 좌표에 따라 이전 단계의 조명 공간 좌표로 변환한 다음 Shadowmap에서 해당 지점의 깊이 값을 계산하여 비교.

상대 광원의 경우 거리가 섀도우맵의 깊이보다 크면 해당 점이 그림자 안에 있다는 의미이고, 그렇지 않으면 그림자 안에 있지 않다는 의미로 됨

문제는 라이트 스페이스의 절두체(frustum)의 계산효과는 쉐도우맵의 해상도와 Z-Buffer의 정확도에 따라 달라지고

일반적으로 Shadow 맵의 정확성을 향상 시킬려고함

일반적으로 월드 공간 뷰의 절두체의 8개 정점을 라이트 스페이스로 변환하고, 조명공간에서 가장 먼 Z값과 가장 가까운 Z값을

AABB경계로 계산함. 문제는 이렇게 할 경우 카메라 뷰 절두체(절두체라고 하면 이상한데)

최대 근접/최대 거리 평면에서 그림자 설정을 함.

보통 이게 올바른 쉐도우

그러고나면 쉐도우맵을 개선하기위해 그림자 편향(Shadow Bias)을 함.

일반적으로 셀프 쉐도잉은 쉐도우 뾰루지(Shadow acne)를 유발할 수 있음 이를 보정하기위해서

슬로프 스케일 뎁스 바이어스를 함.

왜 이런 문제가 생기냐면 쉐도우 맵을 쓸때 쉐도우 맵 픽셀의 중심점을 지점으로 뎁스값을 계산하기 때문인데,

이때 조명방향을 따라 깊이 값을 오프셋(변위차)를 줌. 그리고 이걸 보통 바이어스라고 함

보통의 Slop Bias 오프셋 계산 공식은

(절두체의 크기 *tan(세타))/(쉐도우맵사이즈*2)

나눔 이걸 보면 알다시피 결국 오프셋 값은 탄젠트에 가까워지고, 세타가 90도에 가까워질수록 값이 무한해지기때문에 일반적으로 오프셋에 한계를 둠

이때문에 보통 2개의 오프셋 쓰거나 아니면

(절두체의 크기 *sin(세타))/(쉐도우맵사이즈*2)

을 씀. 이럴 경우 세타가 90도가 되도 값이 무한해질 수가 없음

보통 언리얼엔진에서는 상수 바이어스+슬로프 스케일 뎁스 바이어스가 쓰임

유니티에서는 상수 바이어스+노멀 오프셋 바이어스가 쓰이고,

참고로 이 바이어스 값에 따라서 피터 패닝이라고 불리는 현상이 일어나기 때문에 조심해야함

어쨌건 최근의 기술흐름은 이러한 쉐도우 맵을 보완하기 위해서 여러기술이 사용됨

CSM,PCF,PCS,모듈화된 쉐도우,VSM 등등

CSM은 쉐도우 맵을 정확도를 향상시키는데, 일반적으로 병렬-분할 쉐도우 맵이라고도 함 (Parallel split Shadow Map)

일반적으로 시야각 근처의 객체 렌더링할때 쉐도우 맵의 화질을 높일 필요가 있는데, 절두체를 여러부분으로 나누어서 별도의 쉐도우 맵을 생성 후, 최종적으로 아틀라스로 결합하는 방식임.

근데 결국 이 일련의 흐름을 따라가기에는 아무리 봐도 인디 계열에서는 무리라고 생각해서 흐름 자체가 있다는 정도만 기억함

2. 쉐도우 볼륨

보통 스텐실 버퍼를 쓴다고 하면 나오는거

기본적으로 ZPass 알고리즘, ZFail 알고리즘이 있음

ZPass는

스텐실 버퍼를 사용해서, 실제 위치를 그림자로 표기하고, Z-Test를 켠 후 스텐실 모드의 앞을 1 뒤를 -1로 함

이렇게 설정해서 렌더링이 완료될 경우 스텐실 버퍼가 0인 부분은 그림자가 없고, 0이 아닌 부분은 그림자가 있음

문제는 ZPass는 카메라가 섀도우 볼륨 안쪽에 있을때 문제가 발생함

그래서 대안으로

ZFail이 나옴

차이점은 Z-Test 실패 알고리즘이 -1 이라는거.

섀도우 볼륨은 다각형 매쉬를 생성 후,

Front Capping-> Back Capping ->Silhouette

의 과정을 거침

전면 캡핑은 모델의 surface을 파악하고, 법선과 광원 방향의 곱에 대해서 양수냐 음수냐로 방향 판단 하고

백 캡핑은 모델의 surface가 광원의 반대 방향을 향하게 한 후, 광원 방향으로 무한대로 늘림

실루엣은 인접한 2개의 Surface가 광원으로부터 방향이 같은지 여부를 결정함

3. 직접 붙인 그림자

그냥 말그대로 캐릭터에 그림자를 붙이는데, 현재 내가 생각하고 있는 방식임. 이 방식의 장점은 압도적으로 연산량을 줄일 수 있음.

4. 투사 그림자(프로젝션 쉐도우, 평면 그림자라고도 불림)

유니티에서 2D Cahsting Shadow 같은게 여기에 속함

보통 물리학에서 광학 배우면 주로 배울 기술들

모바일에서 주로 사용되는 기법 중 하나인데

주로 MVP 매트릭스라고도 함 Model - View - Projection

사실 쉐이딩 할떄 가장 많이 쓰이는게 이거 같긴함

간단하게 V 지점에서 P지점으로 매핑한다

이게 이식이 뜻하는 바이고,

P=mv 즉 MVP행렬로 만들면

M=4x4 matrix로 짤의 형태로 나오는거.

실제로 만들어서 써본것.

새삼 생각해보면 게임 엔진이 참 잘만들었단 생각을 한다

나는 저거 그냥 저런게 있구나 이해하지 만들라면 못만들듯.