라이팅과 재질의 기초지식

라이팅과 재질의 기초지식

일본의 CG입문자를 위한 CG정보의 학교인 CGWORLD Entry의 신인을 위한 라이팅, 재질 기초지식에 관련된 내용입니다. 이글은 사실상 본문 링크만 걸어도 되지만 그래도 공부겸 재정리를 목적으로 본문에서 발췌한 내용이며 구글번역기 및 일부 수정을 통하여 글을 작성하였습니다.

본문: https://entry.cgworld.jp/column/post/201703-keica.html

에디터: CGWORLD 편집부

이미지: 누마 요헤이

CG 프로덕션이나 게임 회사에 신인으로 들어가면 업무에 필요한 지식과 기술을 가르칠 필요가있다. 자습 할 수 있도록 가르쳐 실수가 없도록 여러번 반복 학습 할 수 있게, 신인 교육 매뉴얼을 준비하고있는 회사도있다. 본문에서는 그런 회사 중 하나인 ㈜KEICA(일본의 CG회사) 대표이사 유미 카츠라씨가 만든 총 9 장 40 페이지의 설명서 중에서 라이팅과 재질의 기초 지식을 소개한다.

유미 카츠라 (대표이사 / CG 아티스트)

㈜KEICA

남코 (현 반다이 남코 스튜디오)에서 게임 개발에 종사 한 후 프리랜서 CG 아티스트를 거쳐 2002 년에 KEICA를 설립. 이후 게임 동영상과 CG 영상 제작에 종사하면서 전문학교 등에서 인력 양성에도 참여하고있다.

㈜KEICA

풍부한 표정의 캐릭터와 투명감이있는 영상 만들기를 자랑하는 CG 프로덕션. 최신작은 제 67회 NHK 홍백 가합 전, 호시노 겐 '사랑'폭풍 '고향'AKB48 '너는 멜로디'무대 영상. PS4 / PS Vita 용 게임 '월드 오브 파이널 판타지'의 컷 씬 (프롤로그, 엔딩 등 주요 25 장면 / 750 컷). TV 애니메이션 "힘내라! 루루로로 "시즌 3 (오프닝 및 일부 화수)등. 

소프트웨어가 바뀌어도 항상 원점만을 정리한다

회사의 메뉴얼은 유미씨가 틈틈히 작업하여 2009년에 제작되었다. 완성까지 약 3개월을 보냈으며 본 매뉴얼은 과거 사내에 실시한 스터디의 자료들이 기반이 되며, 문장과 이미지는 모두 새로 제작하고 유미씨는 말한다. "영상 제작의 흐름이나 3DCG의 배경지식을 최대한 간결하게 정리하도록 노력했습니다." 한 번 봐두면 평생 도움이 될거야, 완성 후 5년 이상이 지났기 때문에 일부는 오래된 자료라고 봐야한다. 하지만 대부분은 지금의 신인이 봐도 충분히 도움이 된다.

회사는 Maya, 3ds Max, LightWave, ZBrush, MODO, MotionBuilder 등 다양한 3D 소프트웨어를 사용하고 있지만, 이 메뉴얼에는 소프트의 구체적인 절차가 아니라 어떤 소프트웨어를 사용할 때도 기반이 될 수 있는 기초 지식과 사고 방식이 설명되어있다. "우리에게 온 인턴과 신인은 미술 대학 출신도 있고, 3DCG의 전문 학교 출신도 있습니다. 그런 출신교를 불문하고 많은 이들이 학교에서 소프트의 절차를 기억할만큼 시종 하고 있던 것 같습니다." 예를 들어 "렌더링 할 때 이 버튼을 누르면"이라고 기억하는 방식을 버리면 소프트와 메뉴가 바뀌었을뿐 같은 이미지를 재현 할 수 없게된다. 따라서 본 매뉴얼은 소프트웨어와 메뉴가 바뀌어도 도움이 될 수 있게 계속 내용을 엄선하여 게재했다.

"어떤 것도 자세히 설명하려고하면 끝이 없습니다. 반면에, 중요한 본질은 의외로 간단한 경우도 많습니다. 메뉴얼은 '소프트웨어가 바뀌어도 항상 원점만을 정리한다' 이를 발판으로보다 광범위한 지식과 최신 정보를 자체적으로 흡수 할 수 있는 사람이 되길 바라고 있습니다."

Point01. 빛과 그림자

3DCG는 빛과 그림자의 예술이다. 3DCG의 세계는 빛이 하나도 없으면 그냥 어둠 일 뿐이다. 태양이 없는 우주 공간에 어둠이 확산되고 있는 것과 마찬가지다. 비록 거기에 개체가 있었다고해도 보이지 않는 검은색 (R, G, B = 0,0,0) 화면이 되어버린다. 거기에 빛을 쬐면 드디어 객체의 색상과 모양이 보인다. 그러나 입체감은 아직 느껴지지 않는다. 또한 음영을 추가하면 개체의 입체감과 표면의 질감도 분명해진다. 이러한 현상에서 빛과 그림자 이야말로 3DCG의 가장 중요한 요소임을 알 수 있다.

Point02. 광선 추적 법

실제 3DCG는 어떻게 렌더링 되는것 일까?

대표적인 렌더링 방법 중 하나는 광선 추적 법이있다. 광선 추적 법에서는 렌더링 이미지를 구성하는 픽셀 (화소)마다 카메라로 부터 보고이는 깊이 방향에 무엇이 있는지 조사한다. 아무것도 없으면 검은색, 폴리곤이 있으면 광원으로부터 입사하는 빛과 법선(수직)^[각주:1]의 각도를 바탕으로, 폴리곤의 밝기를 산정하여 색을 결정한다. 광원 측면에서도 빛의 방향을 조사하며 폴리곤이 있으면 그 반대편은 그림자로 한다. 

Point03. 글로벌 일루미네이션

광선 추적 법은 광원으로부터 입사하는 빛과 법선 각도만을 바탕으로 폴리곤의 색을 결정한다. 그러나 이 방법에는 문제가 있다. 예를 들면 깜깜한 방에서 창문을 통해 석양이 삽입 장면을 광선 추적 법으로 렌더링 하려는 창문의 반대편 벽은 밝은 조명되지만, 다른 부분은 그림자가 되기 위해 깜깜한 상태가된다. 현실 공간에서 이런 일이 있을 수 있을까?

이 문제를 해결 할 수 있는 것이 글로벌 일루미네이션(GI^[각주:2])이라고 불리는 렌더링 방법이다. GI는 폴리곤면에 있어서는 반사 된 빛이 다른 폴리곤면을 비춘 결과까지 계산한다. 따라서 창문을 통해 들어오는 햇빛에 직접 조명 된 벽뿐만 아니라 벽에 부딪혀 생성된 빛에 의해 방 전체를 부드럽게 표현할 수있는 것이다.

GI으로 3DCG의 조명(라이팅)은 사진의 조명에 크게 다가왔다. 즉 사진의 조명은 CG 아티스트에게도 필수적인 지식이되었다. 반대로 말하면, 사진 조명의 지식이 3DCG 제작에도 그대로 적용될 수 있다는 것이다.

또한, 환경 광(Ambient Light)을 사용하는 것으로, GI와 같은 효과를 간단하게 표현 할 수도 있다. 환경 광은 전체 개체를 일정량의 밝기에 효과가 있기 때문에 깜깜한 부분을 없앨 수 있다. 그러나 전체가 일률적의 밝기가되기 때문에 평면적 인 느낌을 주기도한다.

Point04. 라이팅의 역할

조명의 역할은 무엇일까? Point01에서 언급했듯이, 첫번째는 입체감의 표현이다. 두번째는 현실의 표현이다. 뛰어난 조명 개체를 확실하게 표현 해준다. 세번째는 아름다움의 표현 일 것이다. 사진의 조명은 특히 톤의 아름다움이 중시된다. 이처럼 작품의 연출에서 라이팅은 매우 중요한 역할을 가지고있다.

Point05. 라이팅의 기본

라이팅은 "一灯(일등)", 즉 하나의 빛으로 비추는 것이 기본이다. 사람이 가장 자연스러운 느낌 광원은 태양에서 그 수는 하나임이 "一灯(일등)"을 기본으로하는 유래이다. 먼저 메인 라이트를 하나를 설정한다. 이 라이트는 키 라이트라고 불리며, 입체감을 표현하기 쉽다는 이유로 대상을 대각선상에서 비추는 위치에 설치된다.

그러나 키 라이트만 가지고는 콘트라스트의 그림자부분이 어두워 져서 버려, 입체감을 표현할 수 없는 경우가 있다. 그런 경우에는 필 라이트라고 불리는 키 라이트보다 광량의 약한 라이트나 반사판라고 불리는 빛을 반사시키는 도구를 사용하여 빛을 보완 시켜주면 좋다. 예를 들어 키 라이트를 대상의 우측 대각선에 설정하면 그림자 왼쪽 대각선 아래에 있기 때문에 이 부분을 밝힐수 있도록 필 라이트와 반사판을 설정한다. 그러면 그림자 부분이 어두워지는것을 막고 입체감을 표현 할 수있다.

어두운 배경 앞에 서 흑발의 인물을 촬영하면 머리가 검은색 배경에 녹아 버려, 인물의 윤곽이 명확하지 않을 수있다. 그런 경우에는 림 라이트^[각주:3]라고 불리는 대상 라이트닝 빛을 비추면 인물의 윤곽을 두드러지게 배경과 분리시킬 수있다.

Point06. 색온도

형광등 매장에 가면, 주황색 · 백색 전구색등 색이 다른 상품들이 진열되어있다. 일반적으로 거실에는 따뜻한 색, 직장에는 창백한 색을 사용하는 경우가 많다. 한편, 흐린 날 야외에서 사진을 찍으면 실제보다 푸르게 보일 것이다. 형광등에 비추어 진 실내를 촬영하면 실제보다 푸르게 보일 것이다. 사람이 의식하는 이상의 광원에는 다양한 색깔이 있고 색깔이 바뀌면 보여지는 분위기도 바뀌고, 사람의 느낌이 달라진다.

광원의 색은 K(켈빈)이라는 단위의 색 온도로 표시한다. 3D 소프트웨어에서 색온도를 직접 입력 할 수있는 것도있다. 색온도가 낮으면 붉은 빛이 커지고, 높으면 푸른 빛이 늘어난다. 5,500K 정도가 백색에 가까운 것으로 알려졌지만, 주위의 환경에 따라 보이는 방법이 달라지는 것도 기억해두자.

Point07. 광원의 종류와 톤

▲ [왼쪽] 평행 광원 / [중앙] 점 광원 / [오른쪽] 스포트라이트

평행 광원(Direction Light)^[각주:4]은 태양광을 시뮬레이션 한 것이다. 태양은 아주 멀리 있기 때문에 위치에 따라 광선의 각도와 광량이 달라지는 것은 아니다. 따라서 3DCG 공간에서 평행 광원의 위치 정보는 무시되고 거의 평행하게 조사하는 빛이 장면 전체가 일정한 광량으로 조명된다. 그 특성 때문에 개체의 표면에 톤을 만들어내는 것은 어렵지만, 일부 3D 소프트웨어에서 그림자를 흐리게 파라미터(매개변수)가 설정되어있다.

점 광원(Point Light)은 전구를 시뮬레이션 한 것이라 할 수 있다. 점 광원에는 방향성이 없기 때문에 각도 정보는 무시된다. 점 광원에서 개체까지의 거리에 따라 빛을 감쇠시키는 것으로, 개체의 표면에 톤을 만들어 낼 수있다. 광원을 점이 아닌 구형으로하여 그림자를 흐리게 할 수있는 3D 소프트웨어도있다.

스포트라이트(Spot Light)는 점 광원에 방향성을 갖게 한 것이다. 빛이 진행 범위는 광원을 정점으로하는 콘(옥수수)에 한정된다. 원뿔의 중심 부분에서 원주 부분에 걸쳐 그림자를 흐리게 할 수있다. 그림자 맵이라고 불리는 텍스처를 사용하면 의사적으로 흐리게 그림자를 빠르게 생성 할 수 있다. 빛의 조사 범위에 분위기를 흩 날리는 칠레와 안개를 본뜬 효과를 배치하여 빛의 궤적을 표현 할 수있는 볼륨 라이트라고 불리는 기능도있다.

▲ [왼쪽]면 광원 / [오른쪽] 스카이 라이트

선 광원/면 광원(Area Light)은 막대, 면상에 광원을 깔아 놓은 것으로 생각하면 좋을 것이다. 이러한 광원은 사진 촬영시에 사용되는 라이트 박스^[각주:5]를 시뮬레이션 한 것이다. 광원이 면적을 가지고 있기 때문에 스스로 흐린 그림자를 만들어 낼 수있다. 광원에서 개체까지의 거리에 따라 빛을 감쇠시킬 수도 있다.

스카이 라이트(Sky Light)는 현장을 둘러싼 반구의 내부에 하늘과 주변 경관을 담은 텍스처를 맵핑하고 이를 광원으로 사용한다. 모든 방향에서 조금씩 색이나 광량이 다른 빛을 비추는 것으로, 미묘한 톤과 분위기를 만든다. 텍스처에 HDRI^[각주:6]를 사용하여 현실에 가까운 다양한 빛의 영향을 재현 할 수 있다.

Point08. 색상과 질감이란 무엇인가

폴리곤의 표면에 색상과 질감을 설정할 수 있다. 원래 색상과 질감은 무엇이 있을까?

가시 광선은 모든 색의 빛이 포함되어있다. 빨간색 물체는 가시 광선 중 적색의 빛만을 반사한다. 파란색 물체는 푸른 빛만을 반사한다. 즉, 물체의 색상이나 질감은 물체의 반사의 방법에 의해 결정된다고 말할 수 있을까? 이렇게 보면 색상이나 질감 설정은 물체가 빛을 어떻게 반사 하는지를 정의하는지를 알 수 있다.

한편, 보는 각도에 따라 하이라이트가 나오는 위치가 변화하고, 끝만큼 색상과 질감이 변화하는 물체도 있다. 이런 물체의 경우는 빛 외에도 카메라의 각도에 따라서도 색상과 질감이 변화한다고 생각된다.

이 때문에 색상과 질감의 설정은 조명과 카메라 각도와 밀접한 관계가 있다.

Point09 : 디퓨즈(확산 반사광)

Point02에서 "광원으로부터 입사하는 빛과 법선의 각도를 바탕으로, 폴리곤의 밝기를 산정하여 색상을 결정할 것"이라고 설명했다. 이 '밝기'에 해당하는 부분이 디퓨즈(확산 반사광)에서 광선이나 법선이 평행 할 때(가장 밝은 때) 폴리곤이 어느 정도의 밝기가 될지를 설정한다. 디퓨즈 값을 낮게 설정하면 빛을 사용하더라도 폴리곤은 어두운 상태이다. 한편으로 값을 높게 설정하면 빛을 받은 폴리곤은 밝아진다. 즉 디퓨즈는 폴리곤의 명도라고 할 수 있다. 실제로 디퓨즈를 설정할 때 밝기뿐만 아니라 색상도 설정한다. 또한 디퓨즈에서 설정한 밝기와 색상은 카메라의 각도가 바뀌어도 항상 일정하다.

Point10. 스펙큘러(경면 반사), 반사

자동차 차체 표면의 하이라이트를 관찰하면, 보는 각도에 따라 시시각각 위치가 변해가는 것을 알 수있다. 하이라이트는 빛의 입사각과 반사각이 같은 부분에서 가장 강하게 반사한다. 따라서 광원과 자동차의 위치가 같아도 시점의 위치가 바뀌면 하이라이트의 위치도 변화한다. 이 하이라이트 성분을 스펙큘러(경면 반사광)라고 부른다. 많은 스펙큘러에서는 광원의 색상을 설정한다. 그러나 금속 소재가 그 소재 자체의 색이 강조되어 나타나기도한다.

거울이나 금속 등과 같이 물체의 표면에 주위 환경을 찍고 싶은 경우에는 반사의 계산이 필요하다. 찍히는 정도는 반사율에 따라 설정한다. 반사율이 높을수록 반사되는 범위가 높아진다.

Point11. 로프 니스

반들반들 윤이 나는 은색 공을 관찰하면, 표면의 하이라이트는 날이 예민해지고 크기가 작다. 더불어 주위의 환경이 거의 그대로의 비추고 있다. 한편, 견실한 표면의 알루미늄 공을 관찰하면, 표면의 하이라이트는 가장자리가 흐리고, 크기가 크다. 주변 환경은 흐릿하게 비추고있다. 이러한 거친 느낌은 로프 니스라는 요소에 의해 설정한다. 로프 니스의 값을 낮게 설정하면, 하이라이트의 가장자리가 날카로워지고 흐릿하지 않는다. 로프 니스의 값을 높게 설정하면, 하이라이트의 가장자리가 흐릿해지고, 자체도 흐려진다. 그러나 자체를 흐릿하게 처리는 계산 부하가 크기 때문에 생략 될 수도 있다. 또한 로프 니스에서 설정 한 값은 스펙큘러에도 영향을 미친다.

Point12. 투과 및 굴절

투명한 물체는 물체 표면에서 빛이 반사 할뿐만 아니라, 물체 내부에도 빛이 침투한다. 이 현상을 투과라고 부른다. 투과의 정도는 소재에 따라 다양 투과율에 따라 설정한다. 또한, 물체 내부에 침투 한 빛은 그 진행 방향이 변화한다. 이 현상을 굴절이라 부른다. 굴절의 정도도 소재로 다양하며, 굴절률에 의해서 설정한다.

투명한 물체를 빛이 투과하면 물체 자체가 가진 색상이 그림자도 비출수있다. 또는 액체가 담긴 잔을 빛이 투과하면 그림자에서 독특한 모양이 생길 수 있다. 이 현상을 스틱스(집광 현상)이라고 부른다. 이들은 GI에 의해 표현 할 수있다.

인간의 귓불이나 우유 같은 물체는 완전한 투명은 아니지만, 빛의 일부가 내부로 침투·확산되고 희미하게 발광한다. 이러한 상태를 반투명과 및 서브서페이스 스캐터링(SSS)^[각주:7]이라고 불리는 렌더링 알고리즘으로 표현할 수있다.

Point13. 프레넬 반사

광택 종이를 정면에서 보면 반사는 별로 느껴지지 않는다. 그러나 각도를 측면에서 보면 어떨까? 바로 옆의 가까운 각도에서 보면 거울처럼 반사율이 높아지면서 주위 환경이 비치고 있는 것으로 나타날 것이다. 이 현상을 프레넬 반사라고 부른다. 언뜻 보면 반사와 무관하게 보이는 종이도, 실은 약간의 반사 특성을 가지고있다. 종이나 물 같은 빛을 투과하는 평평한 대상은 시점이 바로 옆에 가까울수록, 즉 법선과 시선의 각도가 클수록 반사율이 높고, 투과율이 낮아진다. 한편, 시점이 정면에 가까울수록, 즉 법선과 시선의 각도가 작을수록 반사율이 낮고 투과율이 높아진다.

Point14. 이방성

고급 오디오의 볼륨 노브 등으로 중심에서 방사상으로 뻗은 하이라이트를 본 적이 없을까. 표면을 만져도 특히 요철은 느껴지지 않지만, 헤어 라인이라고 불리는 미세한 질감을 입고 있어 특징적인 하이라이트로 나타난다. 이런 방향성을 가진 소트로픽크(이방성 반사)라 하고, 3DCG로 표현하는 경우에는 UV좌표 등을 사용하여 반사 방향을 지정한다.

Point15. 자체 발광

3D 소프트웨어는 객체 자체를 발광시키는 기능을 갖고 있다. 자체 발광하는 개체는 광원으로 사용 할 수있다. 즉, 충분한 광량으로 자체 발광하는 폴리곤면을 설정하는 것은 면 광원을 만드는 것이나 다름없다.

Point16. 노멀

인접한 폴리곤끼리의 법선을 보완하고 어느정도 부드럽게 보일지는 재질로 지정하는 경우가 많다. 이러한 법선 보완을 스무스 쉐이딩이라고 부른다. 재료에 설정 한 질감에 의해 개체의 법선을 변화시켜 불균형을 표현할 수도있다. 대표적인 방법으로 범프 맵핑, 디스플레이 스먼트 맵핑, 노멀 맵핑 등이있다.

1. 법선: 벡터의 수. 면과 정점에서 수직으로 연장 직선으로 다각형면의 표리의 판별이나 렌더링시의 계산 등에 사용된다. [본문으로]
2. GI: Global Illumination의 약자로. 전역 조명이라고도 부른다. [본문으로]
3. 림 라이트: 백 라이트라고도 부른다. [본문으로]
4. 평행 라이트: 4방향성 광원, 방향성 라이트라고 부른다 [본문으로]
5. 라이트 박스: 라이트 뱅크라고도 부른다. 광원과 광원으로부터의 빛을 확산시키는 디퓨저가 세트로되어있어 부드러운 확산 광을 만들어 낼 수 있다. [본문으로]
6. HDRI: 고휘도의 빛이 넘치는 모습에서 어두운 부분의 섬세한 음영까지 현실 세계에 가까운 범위의 밝기를 표현할 수있는 이미지 포맷. RGB 각 16bit의 부동 소수점 값으로 밝기를 표현하기 위해 기존의 8bit 정수 값보다 훨씬 레인지 폭이 넓다. [본문으로]
7. Subsurface Scattering: 줄여서 SSS라고 부른다. [본문으로]