몰입적인 실시간 경험으로 사실적인 결과물 구현
언리얼 엔진의 리얼타임 레이 트레이싱 기술은 사실적인 결과물을 아주 짧은 시간에 만들 수 있게 해주며, 세이브된 시간을 더 효율적으로 사용할 수 있게 한다. 이는 결과적으로 제작 비용을 낮추고, 더 많은 고퀄리티 인터랙티브 콘텐츠 제작을 가능하게 해 건축 시각화 분야에서 많은 관심을 받고 있으며, 실제 전 세계 유수의 건설사와 건축회사에서 언리얼 엔진을 도입하고 있다. ■ 자료제공 : 에픽게임즈
▲ 이미지 출처 : Neoscope
컴퓨터 그래픽 렌더링 기술 중 하나인 레이 트레이싱(Ray Tracing)은 다양한 산업 분야에서 사실적인 장면을 만들기 위해 오랫동안 사용돼 왔다. 특히 반사가 많은 장면이나 두꺼운 유리처럼 복잡한 반투명 재질 표현이 필요한 장면을 만드는데 사용됐는데, 이 때문에 극사실적인 이미지를 필요로 하는 건축 시각화 분야에서도 레이 트레이싱이 사용된다.
레이 트레이싱 이전에는 래스터라이제이션(Rasterization)이라는 렌더링 방식이 주로 활용돼 왔다. 래스터라이제이션은 장면의 물체를 뒤에서 앞으로 그려 변환 매트릭스를 통해 3D 물체를 2D 평면에 매핑하는 방식으로, 각 픽셀의 색은 색상과 텍스처 등의 정보를 장면의 빛과 결합해 결정한다. 레이 트레이싱보다 속도는 훨씬 빠르지만 실제 반사, 반투명, 그림자 등과 같은 반사광에 의존하는 효과는 표현할 수 없었다.
레이 트레이싱은 신(Scene) 주위에서 반사되는 광선의 경로를 추적하는 식으로 작동한다. 빛이 반사될 때마다 빛은 이전에 자신이 부딪힌 물체의 색상을 축적함으로써 실제 빛을 모방하고 강도를 잃게 되는데, 이렇게 색을 입히면 선명한 반사와 은은하고 실감나는 색감을 얻어낼 수 있다. 빛의 물리적 움직임을 모방하기 때문에, 화면 밖 물체의 부드럽고 세밀한 그림자와 반사되는 빛 등 레이 트레이싱은 래스터라이제이션보다 더 사실적인 결과를 만들어 준다. 그렇기 때문에 오프라인 렌더러에서 사실적인 결과물을 얻기 위해 레이 트레이싱을 사용하기 시작한 것이다.
하지만 오프라인 렌더러로 단일 프레임을 렌더링하려면 몇 분에서 길게는 몇 시간이 걸린다. 1초에 24프레임(fps)이 필요한 영상 애니메이션을 만든다고 했을 때, 1프레임에 몇 시간이 걸리는 오프라인 렌더링 레이 트레이싱을 이용할 경우 최종 결과물을 만들기 위해서는 천문학적인 시간이 걸리게 되고, 이는 결국 제작 비용의 상승을 가져오게 된다.
그렇기 때문에 빠른 시간 안에 물리적으로 정확하고, 실제 모습을 재현한 듯한 사실감 넘치는 건축 디자인을 구현하는 것은 오프라인 렌더링 솔루션을 사용하는 건축 분야 시각화 전문가들의 오랜 숙원이었다.
2018년 게임 개발자 콘퍼런스(Game Developers Conference 2018)에서 언리얼 엔진의 리얼타임 레이 트레이싱(Real-time Ray Tracing) 기술이 처음으로 공개됐을 때 게임뿐만 아니라 건축 분야에서도 관심을 나타낸 이유이다. 언리얼 엔진을 이용해 리얼타임 레이 트레이싱 기술을 사용할 수 있게 되면서 몰입적인 실시간 경험을 통해 오프라인 렌더링만큼 사실적인 결과물을 만들 수 있게 됐고, 렌더링이 실시간으로 가능해지면서 건축 분야 관계자들이 실제 크기로 디자인을 평가할 수 있게 된 것이다.
CGarchitect 2019 Architectural 3D Awards에서 등장한 리얼타임 레이 트레이싱
건축 시각화 업계에서 가장 규모가 크고 권위 있는 상인 CGarchitect Architectural 3D Awards에 2019년 처음으로 언리얼 스튜디오의 DXR 레이 트레이싱 작품을 선발하는 시상 부분이 신설됐다. 이 부문의 첫 수상자인 조안(Zoan)과 후보에 오른 파스콸레 시온티(Pasquale Scionti), SJB 아키텍츠(SJB Architects)는 언리얼 엔진의 레이 트레이싱 기능을 사용할 많은 사람들에게 큰 영감을 줬다.
이 글에서는 ‘섀도’, ‘리플렉션’, ‘스카이 라이트’ 등 건축 시각화에 있어 중요한 빛과 관련된 언리얼 엔진의 레이 트레이싱 기술이 어떠한 방식으로 적용되는지 사례를 통해 살펴보기로 한다.
▲ 조안의 제출작 스틸 이미지
▲ 파스콸레 시온티의 제출작 스틸 이미지
▲ SJB 아키텍츠의 제출작 스틸 이미지
섀도
언리얼 엔진에서 섀도를 레이 트레이스할 수 있는 기능은 정확도가 생명인 햇빛 연구에 특히 유용하다. 인테리어 디자인을 할 때 에어리어 라이트(Area lights)로 생기는 다이내믹 소프트 섀도로 소파나 의자와 같은 가구 커버의 미세한 디테일까지 사실적으로 구현할 수 있다. 레이 트레이싱을 이용하면 실제 세계에서 작용하는 것과 같이 라이트 소스의 크기와 각도에 따라 오브젝트의 섀도가 접촉 표면 근처에서 더 날카로워지고, 멀어질수록 부드럽고 넓어지게 된다.
▲ 레이 트레이스드 섀도가 적용된 이미지를 보면 카펫 위로 보이는 의자의 섀도가 의자에서 멀어질수록 더 부드러워지는 것을 알 수 있다.(이미지 출처 : Neoscope)
레이 트레이스드 섀도는 뎁스 맵에서 구현된 모습보다 물리적으로 더 정확한 것은 물론, 스위치로 켜고 끌 수 있는 간단한 방식이기 때문에 훨씬 쉽게 사용할 수 있다. 레이 트레이싱을 사용하지 않을 경우 뎁스 맵의 섀도 설정을 일일이 오브젝트와 카메라 거리에 따라 최적화해야 하며, 퀄리티와 퍼포먼스의 균형을 맞추기 위해 여러 번 조정해야 한다.
▲ 소파, 의자 같은 가구 커버에 표현된 소프트 레이 트레이스드 섀도는 신에 사실감을 더해준다.(이미지 출처 : Pasquale Scionti)
리플렉션
레이 트레이스드 리플렉션은 다중 반사를 지원해 정확한 환경의 리플렉션을 시뮬레이션하며, 반사 표면을 위한 상호 반사를 생성한다. 폴리싱한 콘크리트 바닥이나 금속과 유리로 만들어진 벽을 표현해야 하는 건축 프로젝트의 경우 레이 트레이스드 리플렉션으로 기존 결과물보다 훨씬 사실적인 경험을 표현할 수 있다.
섀도와 마찬가지로 레이 트레이스드 리플렉션은 역시 뛰어난 품질뿐만 아니라 셋업이 따로 필요하지 않다는 두 가지 장점이 있다. 또한 하나의 특정 시점에서만 정확한 묘사를 제공하는, 지루하고 오류가 발생하기 쉬운 리플렉션 프로브나 플레인 배치 작업이 필요 없을 뿐 아니라, 스크린 스페이스 리플렉션과 다르게 레이 트레이스드 리플렉션은 시야 밖에 있는 요소들까지도 반사한다.
▲ 스크린 스페이스 리플렉션(왼쪽)과 레이 트레이스드 리플렉션(오른쪽) 비교 화면. 수납장의 레이 트레이스드 리플렉션이 카메라의 프러스텀 밖의 정보를 어떻게 보여주는지 확인할 수 있다.(이미지 출처 : OBVIOOS)
▲ 스크린 스페이스 리플렉션(왼쪽)과 레이 트레이스드 리플렉션(오른쪽) 비교 화면. 화면 속 냄비에 반사된 레이 트레이스드 리플렉션이 얼마나 더 신을 정확하게 구현하는지 알 수 있다.(이미지 출처 : OBVIOOS)
스카이 라이트
건물 외부 렌더링이나 큰 창문이 있는 내부는 스카이 라이트를 정확하게 구현하는 것이 사실감 있는 신을 만드는데 핵심 요소이다. 스카이 라이트를 레이 트레이스하는 기능으로 하이 다이내믹 레인지(High Dynamic Range, HDR) 이미지를 사용해 신에 빛을 비추면 실제 세계를 효과적으로 모방하는 미묘하고 부드러운 효과를 구현할 수 있다.
언리얼 엔진은 지속해서 리얼타임 레이 트레이싱과 관련된 다양한 기능을 추가하고, 엔진 사용자들이 더 효율적으로 활용할 수 있도록 기존에 추가된 기능들의 최적화와 안정성 향상을 위한 기술을 지원하고 있다.
▲ 스카이 라이트와 함께 레이 트레이스드 이미지 기반 라이팅(Image-Based Lighting, IBL)에 다른 이미지를 사용하여 동일한 신에 다양한 분위기를 쉽게 연출할 수 있다.(이미지 출처 : Zoan)
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