Lambert-Sphere BRDF
by rombotools
디퓨즈 셰이딩을 연구하면서, 우리는 최신 워크플로에서 디퓨즈 원칙이 고전적인 오렌-나야르 방식보다 더 효과적임을 발견했습니다. 오렌-나야르 구현(롬보 디퓨즈 일반화나 아놀드 스탠다드 머티리얼)은 단일 스캐터링에 기반하기 때문에 에너지 누수라는 주요 단점이 있습니다. 즉, 러프니스가 증가할수록 디퓨즈가 지나치게 어두워지는 현상이 발생합니다.
이 문제는 실제로는 더 복잡하지만, 핵심만 말씀드리겠습니다. 오렌-나야르는 마이크로페이싯 모델을 기반으로 하는데, 이 BRDF는 스미스의 GAF(기하학적 감쇠 계수)에서 파생되어 임의의 높이 필드에 의존합니다. 이로 인해 다공성, 입상, 입자성 물질을 제대로 표현하지 못합니다.
마이크로패싯 모델의 기본 개념을 살펴보겠습니다. 다만 이는 선택사항이므로, 원하시면 시각적 예시로 바로 넘어가셔도 좋습니다. 이 모델은 디퓨즈 맵이나 색상 외에는 매개변수가 없으므로, 객체가 어떻게 표현되는지만 이해하면 충분합니다.
이 그림은 중요한 점을 보여줍니다. 일반적으로 렌더러가 보는 것은 기하학적 법선이 만드는 매끄러운 마이크로 서피스입니다. 반면 '거친' 디퓨즈나 반사 광선은 거친 마이크로서피스와 상호작용합니다. 반사 경사에 관한 이전 설명에서 보았듯이, 특정 방향의 반사는 마이크로서페이스에서 거칠기에 따라 달라집니다. 러프니스가 커질수록 방향 스펙트럼이 넓어지거나, 현재 관점에서 마이크로서피스가 더 거칠게 보입니다.
이처럼 특정 재질을 표현하기 위해 마이크로패싯 표현을 사용합니다. 반사광이 거친 마이크로 표면에서 산란된다고 가정하면, 마이크로 표면이 모델에 내재되어 있으므로 기하학적 객체를 직접 모델링할 필요가 없습니다. 이를 '하이트 필드'라고 부르는 이유는 미세한 거칠기가 울퉁불퉁한 표면과 유사하기 때문입니다. 가장 단순한 접근법은 매끄러운 객체에 거친 노멀 맵을 적용하여 범프 경사로 광선을 산란시키는 것입니다.
DiffuseSmooth 노드는 이와 다른 접근법을 취합니다. 이는 일반적으로 램버시안 구체 또는 구형 램버시안 입자로 알려져 있습니다.
지금까지 두 가지 모델을 살펴보았습니다. 하나는 거친 미세 표면에서 광선이 산란하는 범프/하이필드/미세면 모델이고, 다른 하나는 작은 구체들로 이루어진 표면에서 광선이 산란하는 새로운 모델입니다.
위 그림을 자세히 보면, 오른쪽 마지막 두 열에서는 마이크로 지오메트리를 분석적으로 모델링하는 BRDF를 볼 수 있습니다. 이 방식에서는 개별 구체를 직접 모델링할 필요가 없습니다.
주목할 만한 점이 하나 더 있습니다. 마지막 두 BRDF 앞의 열을 보면 구체 패킹이 여전히 보이는데, 이는 범프(높이 필드)나 밀집된 구체로 모델링할 수 있습니다. 단, 이는 특정 밀도까지만 가능합니다. 밀도가 너무 낮으면(위쪽 행) 구체 패킹만이 유일한 해결책입니다. 이것이 램버시안 구체 산란 모델의 핵심입니다. 높이필드 모델이 이런 문제를 해결하지 못하는 이유는 명확합니다. 구체들이 드문드문 배치된 경우(구체 사이에 공간이 있는 경우) 광선이 투과할 수 있지만, 높이필드에는 이런 공간이 없기 때문입니다.
DiffuseSmooth는 먼지, 모래, 가루, 그을음 같은 다공성 물질의 희박한 구체 패킹을 분석적으로 접근합니다. 이러한 특성 때문에 유사한 형태가 필요한 모든 곳에 활용할 수 있습니다. 이제 DiffuseGeneralized(Arnold Std 머티리얼)와 DiffuseSmooth의 주요 시각적 차이를 살펴보겠습니다.
왼쪽은 전통적인 디퓨즈 램버트이고, 오른쪽은 새로운 램버트-스피어 BRDF 모델입니다. 백라이트가 있는 스치는 각도에서 후방 산란과 높아진 채도를 쉽게 관찰할 수 있습니다. 후방 산란은 더 평평하며 음영이 덜합니다.
이 모델에는 조절 가능한 매개변수가 없다는 점이 특징입니다. 정확한 분석 버전과 빠른 분석 버전 중 선택할 수 있으며, Hapke는 이 최신 모델(유진 디온의 연구 기반)과 비교하기 위한 이전 구현입니다.
이제 더 평평하거나 '개방적인' 디퓨즈 셰이딩이 필요한 모든 상황에서 활용할 수 있습니다. 예를 들어 석고 물체를 표현하는 인트로 이미지나, 과도한 음영 없이 토니한 느낌을 주는 만화풍 이미지에 적합합니다.
적은 음영으로 평평한 디퓨즈가 필요한 모든 상황에서 뛰어난 성능을 보여줍니다. 많은 경우 전통적인 디퓨즈를 효과적으로 대체할 수 있습니다.
기본 스페큘러 레이어가 포함되어 있어 독립형 머티리얼로 쉽게 사용할 수 있습니다. 전통적인 디퓨즈보다 약간의 추가 연산이 필요하지만, 일반적인 장면에서는 그 차이를 거의 느낄 수 없습니다.
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