섀도 매핑

소개

섀도 매핑은 3D 씬에 실시간 그림자를 제공하기 위한 일반적인 기법입니다. 이는 광원의 관점에서 뎁스 맵 텍스처를 렌더링하는 방식으로 작동합니다. 그런 다음 3D 모델의 픽셀을 음영 처리할 때 해당 픽셀의 깊이 값을 뎁스 맵과 비교하여 그림자가 있는 경우 더 어둡게, 빛이 비추는 경우 더 밝게 음영 처리합니다.

그림자는 장면의 지각적 사실감을 더하고 오브젝트의 상대적 위치를 더 쉽게 판단할 수 있게 해줍니다.

이미지의 왼쪽 장면에서는 물체가 평면에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알 수 없지만 오른쪽 장면에서는 그림자를 통해 쉽게 알 수 있습니다.

Qt는 세 가지 조명 유형( DirectionalLight, PointLight, SpotLight) 모두에 대한 그림자 매핑을 지원합니다. 씬에서 그림자를 활성화하려면 먼저 castsShadow 를 true 로 설정하여 그림자를 드리우도록 조명을 설정해야 합니다. 그런 다음 castsShadows 와 receivesShadows 를 true 또는 false 로 설정하여 어떤 모델이 그림자를 드리우고 받을지 제어할 수 있습니다.

디렉셔널 라이트

방향성 조명은 무한히 멀리 떨어진 식별할 수 없는 광원에서 한 방향으로 빛을 방출합니다. 이는 실생활에서 햇빛이 작동하는 방식과 유사합니다. 방향성 조명은 범위가 무한하며 감소하지 않습니다.

계단식 그림자 맵

DirectionalLight 의 한 가지 문제점은 전체 장면을 빛의 관점에서 렌더링한다는 것입니다. 섀도맵의 크기가 적절하지 않으면 그림자가 뭉개져 보일 수 있습니다. 더 나은 렌더링 품질을 얻기 위한 한 가지 옵션은 캐스케이딩 섀도맵(CSM)을 사용하는 것입니다. Qt는 패럴렐 분할 섀도 맵(PSSM)이라는 CSM 버전을 지원합니다. PSSM은 뷰 프러스텀을 여러 부분으로 분할하고 각 부분에 대한 섀도맵을 렌더링하는 방식으로 작동합니다.

이 그림은 PSSM 분할이 적용된 뷰 프러스텀의 추상적인 이미지를 보여줍니다. 두 개의 분할이 세 개의 캐스케이드로 끝납니다.

이렇게 하면 화질이 더 눈에 띄는 카메라에 가까울수록 섀도맵 해상도를 높이고 화질이 덜 눈에 띄는 카메라에서 멀어질수록 해상도를 낮출 수 있습니다.

위 그림은 분할이 없는 섀도맵(왼쪽)과 분할이 3개 있는 섀도맵(오른쪽)을 보여줍니다.

csmNumSplits 프로퍼티로 캐스케이드 분할 수를 제어하고 csmSplit1, csmSplit2, csmSplit3 프로퍼티로 분할 위치를 제어할 수 있습니다. 분할 사이의 전환을 멋지게 보이게 하려면 csmBlendRatio 속성을 사용하여 분할 사이에 일정량의 블렌딩을 지정할 수 있습니다.

위 그림은 블렌딩이 활성화되지 않은 캐스케이드 심을 확대한 보기를 보여줍니다.

분할을 추가할 때마다 애플리케이션이 다른 섀도맵을 렌더링해야 하므로 성능에 부정적인 영향을 미친다는 점에 유의하세요. 블렌드 영역의 크기는 성능에 영향을 미치므로 가능한 한 작게 유지하세요.

포인트 라이트

PointLight 은 구체로 설명할 수 있으며, 빛의 중심에서 지정된 반경까지 모든 방향으로 동일한 강도로 빛을 방출합니다. 이는 전구가 빛을 발산하는 방식과 유사합니다.

PointLight 에서는 섀도맵을 큐브맵으로 렌더링하므로 6번의 렌더링 패스를 거치게 됩니다. 이는 계산 비용이 상당히 많이 들 수 있습니다.

스포트 라이트

SpotLight 는 coneAngle 속성으로 정의된 원뿔 모양으로 한 방향을 향해 빛을 방출합니다. coneAngle 에 접근하면 빛의 강도가 감소합니다. 빛의 강도가 감소하기 시작하는 각도는 innerConeAngle 에 의해 정의됩니다. 이는 손전등이나 스포트라이트가 빛을 발산하는 방식과 유사합니다.

PointLight 과 달리 SpotLight 은 섀도맵을 단일 뎁스 맵으로 렌더링합니다.

성능 및 장면 조정

Qt는 섀도 매핑과 관련된 속성에 대해 합리적인 기본값을 제공하려고 노력하지만 일반적으로 특정 장면에 맞게 조정해야 할 필요가 있습니다. 특히 예상보다 훨씬 작거나 큰 씬이 있는 경우 더욱 그렇습니다. 다음 섹션에서는 가능한 한 좋은 성능을 유지하면서 섀도 맵을 멋지게 보이도록 값을 조정하는 방법에 대해 자세히 설명합니다.

섀도 바이어스

Shadow bias 는 일반적으로 특정 패턴으로 나타나는 잘못된 그림자인 이른바 그림자 여드름을 제거하는 방법입니다. 섀도 바이어스는 섀도 맵 깊이 텍스처를 상쇄하여 그림자가 섀도잉 오브젝트에서 더 멀리 나타나도록 하여 섀도 여드름을 수정하는 경우가 많습니다. 단점은 섀도 바이어스가 너무 많으면 그림자가 섀도잉 오브젝트에서 너무 멀리 떨어져 있는 피터 패닝이라는 효과가 발생할 수 있다는 것입니다. 섀도맵 해상도를 높여서 섀도 여드름을 줄일 수도 있습니다.

위 이미지는 섀도 바이어스가 0인 장면(왼쪽)과 섀도 바이어스가 10인 장면(오른쪽)을 보여줍니다. 왼쪽 장면은 원뿔과 원통의 상단에 잘못된 그림자가 있습니다.

섀도맵 해상도

섀도맵의 해상도/품질은 shadowMapQuality 속성으로 제어됩니다. 섀도맵 품질이 높을수록 그림자의 뭉개짐은 감소하지만 렌더링 비용이 더 많이 들기 때문에 필요한 시각적 품질을 유지하면서 가능한 한 낮게 설정합니다.

위 이미지는 섀도맵 해상도가 낮은 씬과 높은 섀도맵 해상도를 가진 씬을 보여줍니다.

소프트 섀도 품질

소프트 섀도우는 그림자가 가장자리에서 더 단단해졌다가 부드러워지는 실제 그림자 모양에 근접하는 방법입니다. 소프트 섀도우 품질은 softShadowQuality 속성으로 제어됩니다. 이 속성은 부드러움이 없는 하드 섀도우와 다양한 품질의 퍼센트 근접 필터링(PCF) 소프트 섀도우를 지원합니다. 하드 섀도우는 렌더링 비용이 가장 저렴하며 PCF는 품질이 높을수록 점점 더 비싸지게 됩니다. 소프트 섀도우의 반경을 제어하려면 pcfFactor 속성을 사용합니다. pcfFactor 값은 렌더링 속도에 영향을 미치지 않지만, 이 값이 높을수록 소프트 섀도우 품질이 높아져야 보기 좋게 보입니다.

위 이미지는 왼쪽에 softShadowQuality Light.Hard 섀도가 있는 장면과 오른쪽에 softShadowQuality Light.PCF32 및 pcfRadius 10 가 있는 장면을 보여줍니다.

원거리 섀도맵

shadowMapFar 속성을 사용하여 섀도맵의 최대 거리를 제어할 수 있습니다. 이 속성은 PointLight 및 SpotLight 과 DirectionalLight 에 대해 약간 다르게 작동합니다.

PointLight/SpotLight 의 경우 렌더링된 그림자의 바운딩 박스의 크기를 결정하지만 DirectionalLight 의 경우 장면의 카메라로부터 섀도 맵이 장면에서 얼마나 멀리 커버해야 하는지를 정의합니다.

위 이미지는 동일한 씬에 동일한 방향광을 사용하지만 shadowMapFar 에 대해 두 가지 다른 값을 보여줍니다.