물리 기반 렌더링 이론
PBR(Physically Based Rendering)의 핵심 원리 - 에너지 보존, 마이크로팩싯, 프레넬, BRDF를 이해합니다.
PBR이란 무엇인가
물리 법칙에 기반한 사실적 렌더링
물리 기반 렌더링(PBR)은 빛과 표면의 상호작용을 물리 법칙에 근거하여 시뮬레이션하는 렌더링 접근법입니다. 아티스트의 직관에만 의존하지 않고, 실제 물리 현상을 근사하여 어떤 조명 환경에서도 자연스러운 결과를 보장합니다.
PBR의 3가지 핵심 원칙
1. 에너지 보존
표면에서 반사되는 빛의 총량은 입사하는 빛보다 클 수 없습니다. 반사가 많으면 확산이 줄어들고, 확산이 많으면 반사가 줄어듭니다.
2. 마이크로팩싯 이론
모든 표면은 미세한 거울(마이크로팩싯)으로 구성됩니다. Roughness는 이 마이크로팩싯의 방향 분포를 제어합니다.
3. 프레넬 효과
시선 각도에 따라 반사량이 변합니다. 정면에서는 반사가 적고, 가장자리(그레이징 앵글)에서는 반사가 강해집니다.
BRDF와 반사 방정식
빛의 분포를 수학적으로 기술
BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)는 입사 방향(L)에서 들어온 빛이 관찰 방향(V)으로 얼마나 반사되는지를 정의하는 함수입니다.
// 렌더링 방정식 (반사 항)
Lo(p, V) = integral [ f(p, L, V) * Li(p, L) * (N dot L) ] dL
// Lo : 관찰 방향 V로 나가는 빛
// f : BRDF (표면의 반사 특성)
// Li : 입사광
// N dot L : 코사인 항 (램버트 감쇄)
UE5의 BRDF 모델
UE5는 Cook-Torrance 스페큘러 BRDF와 Lambert 디퓨즈 BRDF를 결합하여 사용합니다.
// Cook-Torrance 스페큘러 BRDF
f_spec(L, V) = D(H, a) * F(V, H) * G(L, V, a)
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4 * (N dot L) * (N dot V)
D = Normal Distribution Function (GGX/Trowbridge-Reitz)
→ 마이크로팩싯 방향 분포. Roughness에 의존
F = Fresnel Function (Schlick's Approximation)
→ 시선 각도에 따른 반사율 변화
G = Geometry Function (Smith's Method)
→ 마이크로팩싯 간 자체 차폐(self-shadowing)
H = Half Vector = normalize(L + V)
UE5는 NDF(Normal Distribution Function)로 GGX를 사용합니다. GGX는 하이라이트의 꼬리가 길고 자연스러운 "long tail" 특성을 가지며, 이는 실제 재질의 반사 특성과 매우 유사합니다. Roughness 파라미터로 마이크로팩싯의 분포 폭을 제어합니다.
금속(Metal)과 비금속(Dielectric)
두 가지 물질 유형의 빛 반응 차이
PBR에서 모든 재질은 크게 금속(Metal)과 비금속(Dielectric)으로 나뉩니다. 이 둘은 빛과의 상호작용 방식이 근본적으로 다릅니다.
| 특성 | 비금속 (Dielectric) | 금속 (Metal) |
|---|---|---|
| Metallic 값 | 0 | 1 |
| 디퓨즈 반사 | 있음 (빛이 표면 내부로 진입 후 산란) | 없음 (모든 빛이 표면에서 반사) |
| 스페큘러 색상 | 무채색 (흰색 계열) | Base Color에 의존 (색조 반사) |
| F0 (정면 반사율) | 2~5% (대부분 4%) | 70~100% |
| Base Color 역할 | 디퓨즈 색상 (Albedo) | 스페큘러 반사 색상 |
| 예시 | 나무, 돌, 플라스틱, 피부, 천 | 금, 은, 구리, 철, 알루미늄 |
순수한 재질에서 Metallic은 반드시 0 또는 1이어야 합니다. 중간 값(0.5 등)은 물리적으로 존재하지 않는 재질을 만듭니다. 금속과 비금속이 혼재하는 표면(녹슨 금속, 도색된 금속)에서는 마스크 텍스처를 사용하여 영역별로 0 또는 1을 지정합니다.
프레넬 효과(Fresnel Effect)
시선 각도에 따른 반사의 변화
프레넬 효과는 관찰 각도에 따라 반사율이 달라지는 현상입니다. 물웅덩이를 내려다보면 바닥이 보이지만, 수평으로 바라보면 거울처럼 반사되는 것이 대표적입니다.
// 슐릭 프레넬 근사
F(V, H) = F0 + (1 - F0) * pow(1 - dot(V, H), 5)
// F0 : 정면 반사율 (0도 입사각에서의 반사율)
// 비금속: ~0.04 (4%)
// 금속: Base Color 값 (70~100%)
// V : 시선 방향
// H : 하프 벡터
// 그레이징 앵글(90도 근처)에서는
// 모든 재질이 거의 100% 반사
대표 재질의 F0 값
| 재질 | F0 (정면 반사율) | 비고 |
|---|---|---|
| 물 | 0.02 | IOR 1.33 |
| 플라스틱 | 0.04 | 대부분의 비금속 기본값 |
| 유리 | 0.04 | IOR 1.5 |
| 다이아몬드 | 0.17 | IOR 2.42 |
| 철 | 0.56 | 금속 |
| 구리 | 0.95, 0.64, 0.54 | RGB (금속, 색조 있음) |
| 금 | 1.0, 0.71, 0.29 | RGB (금속, 색조 있음) |
| 은 | 0.95 | 거의 순백색 반사 |
UE5의 Specular 입력(기본값 0.5)은 비금속 표면의 F0를 0~8% 범위에서 조절합니다. 0.5일 때 약 4%의 F0를 가지며, 이는 대부분의 비금속에 적합합니다. 물리적으로 정확한 값을 벗어나는 경우는 드물므로, 특별한 이유가 없으면 기본값을 유지하세요.
핵심 요약
- PBR은 에너지 보존, 마이크로팩싯 이론, 프레넬 효과의 3가지 원칙에 기반합니다.
- UE5는 Cook-Torrance(스페큘러) + Lambert(디퓨즈) BRDF를 사용하며, NDF로 GGX를 채택합니다.
- 금속은 디퓨즈가 없고 Base Color가 반사 색상이 됩니다. 비금속은 디퓨즈가 있고 스페큘러는 무채색입니다.
- 프레넬 효과: 정면에서 반사가 적고 가장자리에서 반사가 강해집니다. 비금속의 F0는 약 4%입니다.
- Metallic은 순수 재질에서 반드시 0 또는 1이어야 하며, 중간 값은 물리적으로 올바르지 않습니다.
도전 과제
배운 내용을 직접 실습해보세요
Roughness를 0에서 1까지 0.2 단위로 변경한 6개의 머티리얼 인스턴스를 만들고, Sphere에 적용하여 반사광과 확산광의 관계가 에너지 보존 법칙을 따르는지 관찰하세요.
머티리얼 에디터에서 Fresnel 노드를 Base Color와 Emissive에 연결하여 시야각에 따른 반사 변화를 구현하세요. ExponentIn 값을 1~5로 변경하며 결과를 비교하세요.
HDR 환경맵을 사용한 라이팅 씬에서 금속(금, 은, 구리)과 비금속(나무, 돌, 플라스틱) 머티리얼을 만들고, 실제 참조 사진과 비교하여 PBR 정확도를 검증하세요.