라이트 프로브와 정적 조명

2019. 2버전에서는 Lightmap Static 플래그를 Contribute Global Illuminating 플래그로 교체했습니다. 또한 전역 조명을 라이트맵 또는 라이트 프로브 중 선택하여 받을 수 있는 기능을 도입했습니다. 이 변경사항을 통해 베이킹 성능, 씬 조명 품질 등을 크게 향상시킬 수 있습니다. 자세한 내용은 아래를 참조하시기 바랍니다.

전역 조명에는 빛이 광원을 떠나 표면에서 표면으로 바운스되는 방식을 계산하기 위한 복잡한 계산 과정이 필요합니다. 런타임 중에 많은 비용이 드는 계산 과정을 추가하지 않고는 보통 이를 정확하게 수행하기 어렵습니다. 일반적으로 이런 복잡한 계산을 편집(Edit) 모드에서 미리 계산하면 품질 저하 없이 문제를 해결할 수 있습니다.

일단 씬 내의 여러 오브젝트와 광원이 상대적으로 정적인 상태를 유지하며 변형 또는 회전하는 등 외형과 관련된 프로퍼티가 변경되지 않는다고 가정합시다. 이 가정을 바탕으로 하여 라이트매핑이라는 기술을 통해 광원을 계산할 수 있습니다.

과거에는 정적 오브젝트를 표시하기 위해 Lightmap Static 플래그를 제공했습니다. 이 기능의 이름은 개발 당시에는 적절했지만, 정적 오브젝트만 라이트맵을 사용한다는 뜻을 담고 있습니다. 하지만 정적 라이트맵은 씬에 전역 조명을 저장하기 위한 다양한 방식 중 하나일 뿐이며 단점도 있습니다. 이 부분에 대해서는 곧 자세히 다루도록 하겠습니다.

전역 조명에 라이트매핑 방법을 사용할 경우, 정적이 아닌(혹은 동적인) 오브젝트는 전역 조명에 기여할 수 없습니다. 따라서 나중에 이동하는 오브젝트에 대해 전역 조명을 계산할 경우, 처음에 조명이 비춘 위치에서만 조명이 유효하게 됩니다. 이는 기존 라이트매핑이 지닌 커다란 한계입니다.

라이트 프로브를 사용하면 동적 오브젝트도 다른 정적 오브젝트로부터 전역 조명을 받을 수 있습니다. 라이트 프로브는 모든 방향으로부터 오는 공간 내 광원의 위치 정보를 담고 있습니다. 이 광원은 “스피리컬 하모닉”이라는 특별한 값으로 인코딩됩니다. 런타임 동안 동적 오브젝트는 월드 내에서 이동하면서 주위의 라이트 프로브로부터 값을 받을 수 있게 됩니다. 이를 통해 동적 오브젝트는 로컬 조명을 받아 주변의 조명 조건과 알맞게 통합된 상태로 나타나게 됩니다.

기술적으로 보면 정적 오브젝트가 라이트맵 대신 라이트 프로브를 사용하지 못할 이유가 전혀 없습니다.

왜 라이트 프로브를 사용하는 것이 좋을까요?

라이트매핑이 필요한 오브젝트는 언래핑되어야 하며 라이트맵에 공간을 확보해야 합니다. 해상도에 따라, 라이트맵으로 투사되는 각 오브젝트에는 특정한 양의 텍셀이 배정됩니다.

예를 들어, 공간 단위당 1텍셀의 라이트맵 해상도에서는 단위 큐브(치수 1x1x1) 하나가 각 면마다 1텍셀을 차지합니다. 따라서 총 6텍셀이 됩니다. 이러한 경우 라이트매퍼는 각 텍셀을 기준으로 월드 포지션에 도착하는 광원을 계산해야 합니다. 이를 위해 광원을 찾을 때까지 광선을 쏘고 바운스를 반복합니다. 사용되는 텍셀이 많을수록 결과를 계산하는 데에 필요한 작업량이 늘어나며, 작은 오브젝트가 많은 씬에서는 작업량이 더 많아집니다. 따라서 작은 오브젝트를 언래핑, 차팅(charting), 라이트매핑할 때 주로 라이트맵 베이크가 실패하거나 지나치게 오랜 시간이 소요됩니다.

조약돌, 파편 등의 작은 오브젝트나 전선, 기둥 등의 가느다란 오브젝트의 경우 “불필요한 텍셀(waste texel)”이 발생하기 쉽습니다. 이러한 텍셀은 오브젝트의 전체적인 룩에는 그다지 기여하지 않으면서 계산 시간을 늘리며 라이트맵 공간을 차지합니다.

가느다란 오브젝트는 1~2개의 픽셀이 오브젝트의 길이 주변으로 래핑되어 언래핑이 발생하므로 룩에는 거의 영향이 없습니다. 마찬가지로 작은 오브젝트는 주로 라이트맵에 여러 개의 텍셀을 생성하지만, 화면상 오브젝트의 크기를 고려해 볼 때 최종적인 룩에 많은 영향을 미치지 않습니다. 결과적으로, 시각적으로 중요하지 않은 텍셀로 인해 많은 계산 시간과 라이트맵 공간이 필요하게 됩니다.

위와 같은 작은 오브젝트를 정적이 아닌 상태로 만들어 라이트맵 계산에서 제거하면 라이트맵 생성에 소요되는 시간을 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 라이트맵 공간을 점유하여 계산해야 하는 텍셀의 수를 줄일 수 있습니다. 하지만 이러한 오브젝트가 씬 내 조명에 상당한 영향을 미치는 경우도 있습니다. 예를 들어 색상이 매우 밝은 오브젝트나 발광 머티리얼로 이루어진 오브젝트가 정적이 아닌 경우 씬의 전역 조명에 기여하지 않게 되어 원하는 조명 결과를 구현할 수 없습니다.

이러한 유형의 오브젝트를 처리하려면 두 가지 방법이 있습니다. 베이킹 시간과 라이트맵 공간이 더 많이 소모되더라도 오브젝트를 라이트매핑하여 씬에 영향을 주도록 하거나, 전체적인 룩과 전역 조명 품질을 포기하고 오브젝트의 영향을 적용하지 않을 수도 있습니다. 이 문제를 어떻게 해결할 수 있을까요?

2019.2버전에서는 오브젝트가 씬에 조명을 기여하는 동시에 라이트 프로브로부터 전역 조명을 받을 수 있는 기능을 추가했습니다. 이 기능은 인스펙터 창의 Mesh Renderer에 추가된 드롭다운 메뉴를 통해 사용할 수 있습니다.

여기에서 메시 렌더러가 라이트맵(이전에는 정적 오브젝트의 유일한 옵션) 혹은 라이트 프로브(이전에는 동적 오브젝트의 유일한 옵션)로부터 전역 조명을 수신할지 여부를 선택할 수 있습니다.

Contribute Global Illumination 플래그를 사용하면, 라이트매퍼의 전역 조명 계산에 오브젝트가 포함됩니다. 오브젝트가 항상 정적인 상태라는 가정은 그대로 유지되지만, 이제는 필요한 조명의 정확도에 따라 오브젝트가 라이트 프로브 또는 라이트맵을 사용할지 여부를 명시적으로 제어할 수 있습니다. 전역 조명에 기여한 다음 라이트 프로브로부터 전역 조명을 수신하는 오브젝트는 여전히 주위 환경에 영향을 미칩니다. 예를 들어 긴 가로등은 그림자를 드리우고 그림자 주변의 라이트맵에 대한 계산이 이루어지며, 가로등의 발광 머티리얼은 주위의 씬을 밝히게 됩니다.

이제 새로운 기능을 통해 문제가 되었던 작은 오브젝트와 가느다란 오브젝트를 손쉽게 최적화할 수 있습니다. 메시 렌더러의 Receive Global Illumination 필드를 Light Probes로 설정하면 오브젝트는 라이트맵의 공간을 차지하지 않게 되어 해당 텍셀로 인해 라이트매퍼가 불필요한 작업을 할 필요가 없게 됩니다.

라이트 프로브를 사용함으로써 얻게 되는 부가적인 장점은 언래핑에 많은 시간이 소요되는 정확한 UV가 필요하지 않다는 점입니다. 라이트 프로브를 사용했을 때 외형은 잘 표현되지만 전혀 이동, 회전하거나 변경되지 않는 동적 오브젝트가 있는 경우 여기에 Contribute Global Illumination 플래그를 적용할 수 있습니다. 이를 통해 오브젝트가 베이크 시간을 증가시키지 않고도 주위의 라이트매핑된 오브젝트에 영향을 미칠 수 있습니다. 처리 속도가 증가하면 메모리 사용량을 줄이고 생산성을 향상시킬 수 있습니다.

이제 동적(또는 정적이 아닌) 오브젝트에 라이트 프로브로 조명을 적용할 수 있습니다. 이를 통해 전역 조명 계산에 포함된 오브젝트가 라이트 프로브로부터 간접 조명을 받을지 혹은 라이트맵으로부터 받을지를 지정함으로써 라이트맵의 텍셀 사용량을 줄일 수 있게 됩니다. 따라서 전체적으로 라이트맵의 계산 시간을 크게 줄이고 메모리 사용량을 낮추며 런타임 성능을 향상시킬 수 있습니다.

전역 조명을 최적화하는 더 많은 방법은 유나이트 2018 세션을 참고하시기 바랍니다.

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