Unity cookbook 6

UNITY COOKBOOK
SHOT BY. INS
PART 6
쉐이더(Shader) 뽀개기

쉐이더(Shader)란?
Shade(색조ㆍ음영)이란 뜻에 동사인 ‘-er’를 붙여 “색의 농도, 색조, 명암을 주는 주체” 라고 해석할 수 있습니다.
게임에 표현되는 아름다운 그래픽 또는 여러 화면 효과를 전면적으로 다루는 역할을 수행하고
자질구레한 그래픽의 게임도 Shader 라는 파운데이션으로 화장하듯이 게임의 시각효과를 치장할 수 있습니다.
하지만, 그렇게 간단한 작업이 아니므로 수학 또는 여러 그래픽 개념 요소를 알고 있어야 합니다.
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SHADER !

게임 속에서의 빛 #1
유니티에서 평범하게 쓰이는 구(Sphere)를 봅시다.
일반적으로 객체를 쓰일 때는 몰랐지만, 자세히 보면 객체에 지는 명암을 보실 수 있습니다.
물론 어디선가 빛을 받아 빛나는 영역과 그림자가 지는 영역으로 객체 자체에 음영이 집니다.
이는 기본 객체인 ‘Directional Light’의 영향을 받는데 유니티 상에서의 ‘태양’ 입니다.
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# 구(Shpere)의 명암
제일 밝은 영역
제일 어두운 영역

내리쬐는 태양을 위로 올려 모든 사물이 빛을 받지 않도록 해보았습니다.
지금은 ‘Point Light’로 주변 객체가 보이게 했지만 실제로는 아무것도 안보이는 어둠입니다.
벡터 한 줄기로 모든 음영을 계산한다고 생각하고 계세요. 잠시 후 다룰 예정입니다.
이제 빛에 대해서 자세하게 ‘Directional Light’ 외의 여러가지 라이트 종류를 살펴봅시다.
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‘Directional Light’는 게임 내의 태양을 의미합니다. 모든 객체에 영향을 받고 심지어 하늘까지 영향을 받는 라이트입니다.
‘Pointlight’는 구체형 라이트이며, 주변의 공간을 밝힐 때 자주 쓰입니다.
‘Spotlight’는 원뿔 모양 라이트이며, 손전등이나 무대에서의 주인공을 밝힐 때 자주 쓰입니다.
다른 여러가지 라이트도 존재하지만 사용이 까다롭고 프리 버전에서는 사용할 수 없으니 생략하겠습니다.
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# Directional Light # Pointlight # Spotlight

위에서 설명한 명암 표현에 대해서 구체적으로 알아봅시다.
3D 물체의 Polygon 표현은 ‘Vertex’ 3개가 모여 이루는데 이 ‘Vertex’ 하나 하나마다 법선 벡터가 존재합니다.
이는 ‘Vertex’의 지면과 수직인 벡터를 뜻하며 ‘Directional Light’ 벡터와 내적을 하여 0 ~ 1 값들을 구하여
0에 가까울수록 어두워 지는 Vertex를, 1에 가까울수록 밝아지는 Vertex를 칠해줍니다.
그리고 3개의 Vertex 색상은 GPU상에서 Blending(혼합) 되어 그라데이션으로 표현, 명암이 만들어집니다.
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Normal Vector
Sun
Vector (Sun)
34˚ (0.2)
25˚ (0.17)
85˚ (0.9)
RESULT:
#1 (↑) #2 (↑)
#3 (→)

아, 물론 명암을 표현하는 기술은 하나 더 있습니다.
Vertex 뿐만 아니라 픽셀 하나 하나에도 직교하는 법선(Normal) 벡터가 있거든요
이 기술은 내적 값을 구해 Vertex가 아닌 픽셀 자체의 명암을 조정해버립니다.
훨씬 부드럽고 구체적인 명암을 만들어 버리지만 그만큼 비용을 많이 잡아먹는 것이 단점입니다.
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Normal Vector
RESULT:
#1 (↑) #2 (↑)
#3 (→)
x1000배 확대

방금 보신 두 기술은 ‘Diffuse’라는 쉐이더 테크닉입니다. 태양 빛이 물체에 닿으면 빛이 산란하여 주변을 밝힌다는 개념이죠.
그리고 하나 다른 기술이 있는데 바로 ‘Specular’ 이라는 쉐이더 테크닉입니다.
이는 전구를 쳐다보면 바로 알 수 있습니다. 빛이 투사체로부터 반사되어 우리 눈으로 들어오는 빛의 덩어리를 뜻합니다.
꽤나 반짝거리는 갑옷이나, 눈동자 등 여러 물체에서 발견할 수 있는 표현 테크닉입니다.
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정 반사 난 반사
Specular

이렇게 두 가지 표현만으로 Material(재질) 표현을 자유자재로 표현할 수 있는 것이죠. 제일 많이 쓰이기도 하고요.
그리고 고맙게도 이런 쉐이더는 유니티 자체적으로 지원하여 마음대로 옵션 조절을 할 수 있습니다.
‘Albedo’에서 텍스쳐를 넣으면 맵핑이 되는 순간 Diffuse가 발동하여 명암이 생기고,
‘Specular’는 자체적인 조절바가 있어서 드래그 몇 번으로 광택을 낼 수 있는 좋은 기능이죠.
물론 이 기능들은 객체 컴포넌트로 존재하는 ‘Material’에서 하실 수 있습니다. 쉐이더와 공생관계니까요.
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# Diffuse # Specular # Diffuse + Specular
+ =
# 쉐이더 조정옵션

마지막으로 ‘Normal Map’에 대해서 알아보겠습니다. 일종의 눈 속임으로 불리는 테크닉인데
이는 ‘Albedo’에서 텍스트를 씌우듯이 ‘Normal Map‘도 텍스쳐를 받고 객체에 씌우는 역할을 수행합니다.
근데 텍스쳐가 푸르딩딩 하지 않나요? 아까 객체의 픽셀마다 내적값 구해서 음영 표현하는 것을 보셨나요?
맞습니다. 저 씌워지는 대상의 객체 픽셀의 Normal Vecter를 바꿔버리는 Offset Texture 입니다.
물론 변경 정보는 R(x축), G(y축), B(z축)으로 표현되어 저런 색상의 텍스쳐가 나옵니다.
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# Normal Map

이해를 돕기 위하여 유니티에서 직접 만들어보겠습니다.
Plane Object를 이용하여 A4용지같은 텍스쳐를 넣고, 구글링을 통하여 종이 질감의 Normap Map을 구합니다.
이후 종이 객체의 Material Component에서 ‘Normal Map’에 텍스쳐를 추가합니다.
그러면 평평하게 누워있는 픽셀과 픽셀의 Normal Vecter 들이 Normal Map을 통해 Normal Vecter 벡터가 휘게 되고
Diffuse 쉐이더 내적 과정에서 종이가 구겨진 음영을 만들어버립니다.
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ADD# BEFORE # AFTER

UV?
머리 아픈 이론으로 잠시 쉴 겸 다른 것을 알아보겠습니다.
유니티 상에서의 객체를 ‘Albedo’를 통해 텍스쳐를 씌울 때 마법 보따리 씌우듯이 씌워지는 것이 아닙니다.
페인트(Texture)를 들고 있고, 설계도(UV)를 보면서 정확하게 칠하는 것이죠.
잔인한 표현이지만 UV 원리는 3D 모델을 조각내어 2D 좌표로 가죽을 펼쳐 설계도를 만들어 내는 것이죠.
그리고 ‘UV’라는 표현은 ‘XY’와 헷갈리지 않도록 단순히 저렇게 표현 된 것입니다.
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점과 선과 면 #1
쉐이더는 단순히 픽셀의 명암만 조절할 수 있는 것이 아닙니다.
3D 물체 상에서의 점(Vertex), 선(Edge), 면(Polygon)의 조작도 가능합니다.
유니티에서의 ‘Terrain’ 객체는 붓으로 지형을 조정할 때 면에 붙어있는 수많은 Vertex를 이용해 지형을 만들죠.
또한 DX11로 넘어오면서 평평했던 지형을 실제로 입체감 있게 Mesh 자체를 변형하기도 합니다.
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# 터레인(Terrain) # DX11 Tessellation

점과 선과 면 #2
실제로 사람을 아주 가까이에서 볼 때는 모공까지 뚜렷하게 볼 수 있지만
아주 먼 거리에서 보게되면 형체조차 알아보기 힘들게 됩니다.
이는 유니티에서도 적용되어 있는데 거리가 멀 수록 해당 객체의 폴리곤이 감소되어 최적화 효과를 볼 수 있습니다.
또한 LOD 기능 또한 쉐이더 내부 코드에서 숫자만 변경하면 쉽게 적용 가능합니다.
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# LOD (Level Of Detail) # 쉐이더 코드의 LOD 수동 조정

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