• JP Lee

Preface of Physically based shading and rendering

Next-generation Graphic?

인터넷에서 자주 들어 보셨을 법한 단어 입니다.

과연 우리가 현재 또는 앞으로 접하게 될 차세대 그래픽이란 무엇일까요?

간단하게 정의 한다면 More Realistic 이라고 대변 될 수 있을 것 같습니다.

More Realistic(더 사실적인) 이라는 뜻이 내포 하는 것에는 완전히 현실적인 또는 컴퓨터가 만들어 낸 것 같지 않은 이라는 뜻도 있지만 좀 더욱 어설프지 않은 카툰렌더링도 포함 시켜야 하겠습니다.

정리 해 보면

소프트웨어 렌더링에 가까운 현실적인 실시간 렌더링.사람이 그린 것 같은 NPR 의 실시간 게임 렌더링.

위 두 가지가 차세대 그래픽을 대변 할 수 있을 것 같습니다.

2012년 중반기부터 이제 게임에서는 좀 더 리얼한 좀 더 실사 영화 같은 렌더링을 추구 하기 시작 했습니다.

这是在网络上经常看到的词。

我们现在或者以后要接触的次世代图像是什么呢?

简单定义的话可以说是 More Realistic 。

More Realistic(更写实) 包含的意思是完全写实,或者不像是电脑做出来的,但也包含不粗糙的卡通渲染。

整理下来

接近 software rendering 的现实实时渲染。看起来不是人画的 NPR 实时游戏渲染。

以上两个可以代表次时代图像。

2012年中期开始,游戏里开始追求更真实更像写实影视的渲染。



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES FOX-ENGINETM , BY ©KOZIMA PRODUCTION.

GDC2013 코지마 프러덕션에서 발표 한 FOX ENGINE 의 Physically based rendering 데모 이미지.

COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES FOX-ENGINETM , BY ©KOZIMA PRODUCTION.

GDC2013 KOJIMA PRODUCTIONS 发表的 FOX ENGINE 的 Physically based rendering DEMO 图片



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES FOX-ENGINETM , BY ©KOZIMA PRODUCTION.



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES FROSTBITE ENGINE 3TM , BY ©DICE.

배틀필드 시리지를 개발 하고 있는 DICE 의 프로스트바이츠 엔진3.

리얼리스틱한 패브릭 질감은 물론 피부 질감의 표현을 보여 주고 있습니다.

开发绝地求生系列的 DICE 的 frostbite 引擎3。

写实的布料质感和皮肤的质感都能表现出来。



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES SNOW DROP ENGINETM BY ©UBI . MASSIVE STUDIO.

메시브 스튜디오에서 개발 중인 DIVISION 에 사용 된 스노우 드롭 엔진 역시 대표적인 차세대 게임엔진입니다.

이런 움직임 속에서 가장 각광받게 된 기술이 바로 Physically based rendering 과 Global illumination 등이 있습니다.

당연히 이런 기술적인 발전 안에는 좀 더 현실적인 물리 처리와 GPU 컴퓨팀 등도 뺴놓을 수 없겠죠.

Massive 工作室正在开发的 DIVISION 里使用的 snow drop 引擎也是具有代表性的次世代游戏引擎。

这种趋势下最被关注的技术就是 Physically based rendering 和 Global illumination 等。

当然这种技术的发展离不开现实物理处理和 GPU computing。



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES THE ORDER 1886TM BY ©READY AT DAWN.

소니 플레이스테이션 4 독점 타이틀로 출시 된 ‘레디 엣 던’ 스튜디오의 ‘디 오더 1886’ 은 자체 게임엔진으로 만들어 졌다.

위에서 언급 된 게임엔진은 상용 게임엔진은 아닙니다.

索尼PS 4 独家上市的 ‘Ready at Dawn’ 工作室的 ‘the order 1886’ 是用自研引擎制作的。

以上提及的游戏引擎不是商用游戏引擎。



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES UNREAL ENGINE 4TM BY ©EPIC GAME.



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES UNREAL ENGINE 4TM BY ©EPIC GAME.

언리얼 엔진 4 에서 보여주고 있는 리얼리스틱 렌더링 데모.

虚幻引擎 4 展现的写实渲染DEMO。



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES UNITY 5TM BY ©UNITY TECHNOLOGIES.



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES UNITY 5TM BY ©UNITY TECHNOLOGIES.

이제 유니티 게임엔진 에서도 매우 사실적인 렌더링을 경험 해 볼 수 있습니다.

우리가 이런 차세대 게임 그래픽을 만나보기 위해서는 언리얼엔진 4 또는 유니티 엔진 5 를 통해 제현 해 볼 수 있습니다.

또한 게임엔진 이외에도 게임그래픽 렌더링만을 제공 하는 STAND ALONE TOOL 들이 있습니다.

现在Unity游戏引擎里也可以体验到写实渲染。

这种次时代游戏画面可以通过虚幻引擎4和Unity引擎5去再现。

除了游戏引擎,还有只提供游戏画面渲染的 STAND ALONE TOOL 。



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES MARMOSET TOOLBAGTM BY ©2014 Marmoset LLC.

쉐이더의 간단한 편집 기능등 만을 제공 하는 마모셋 툴백.

只提供Shder简单的编辑功能的Marmoset Toolbag。



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES SUBSTANCE PAINTERTM BY ©ALLEGORITHMIC.



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES SUBSTANCE DESIGNERTM BY ©ALLEGORITHMIC.

필자가 근무 하고 있는 알레고리드믹 에서 제작 한 차세대 텍스처링 소프트웨어인 섭스턴스 페인터와 섭스턴스 디자이너.

차세대 게임엔진에 최적화 된 텍스처링 제작툴입니다.

作者上班的allegorithmic制作的次世代纹理软件SP和SD。

是最适合次时代游戏引擎的纹理制作工具。



COPYRIGHT ALL RIGHT RESERVES SHADERFLEXTM BY ©SHADERPLAY.

Physically based rendering 과 Image based Lighting 에 특화 된 쉐이더 플렉스도 앞으로 아티스트들에게 보편적인 쉐이더 와 메트리얼 제작도구로서 각광 받을 것입니다.

专攻 Physically based rendering 和 Image based Lighting 的 Shader flax 作为制作Shader和材质的普遍化工作,以后也会成为艺术家的聚焦点。

이렇듯이 Physically based rendering 은 차세대 게임 그래픽의 표준이 되어 가고 있습니다.

여기에 섭스턴스 디자이너와 페인터는 아트스트에게 가장 강력한 텍스처링 제작 도구 입니다.

Physically based rendering 에 대해서는 부록에서 제공 하는 알레고리드믹에서 제공 하고 있는 Physically based rendering 가이드의 한글 번역본을 참조 하십시오.

Physically based rendering 已经渐渐成为次时代游戏画面的标准。

SD和SP对美术来说是非常强大的纹理制作工具。

Physically based rendering 相关内容请参考附录里的allegorithmic提供的 Physically based rendering 指南韩文翻译版。

이제 앞으로 차세대 그래픽을 알레고리드믹 섭스턴스를 통하여 느껴 보시고 직접 만들어 보시길 바랍니다.

以后请亲自用 allegorithmic Substance 感受并制作次时代图形。


이해 하기 쉬운 쉐이더의 역사./ 易懂的shader历史

쉐이더의 역사. / shader历史

1971년 조지 루카스가 루카스필름을 설립 하고 1977년 스타워즈를 개봉 했다.

이 전인 1970년 보잉의 연구원 윌리엄 페터가 최초로 3차원 모델을 사용한 TV 광고를 만들었다.

이렇게 1970년대 초반부터 본격적인 컴퓨터 그래픽이 각광을 받기 시작하게 된다.

루카스 필름의 컴퓨터 그래픽부서는 1983년 단편 컴퓨터 애니메이션 제작에 사용하기 위해 Pixar system 을 개발 했다.

이것이 현재의 Pixar Animation Studio다.

Edwin Catmull 을 주축으로 Renderman 이 탄생 하게 되고 여기에는 Shader system 이 적용 된다.

컴퓨터 그래픽스 분야에서 셰이더는 소프트웨어 명령 집합으로 그래픽 하드웨어의(CPU, GPU) 렌더링 효과를 계산 하는데 쓰이며 하드웨어 장치에서 해석 할 수 있는 렌더링 파이프라인을 프로그래밍 하는 언어이다.

세이더의 현대적인 이용은 1988년 5월 픽스에 의핸 개발 된 Renderman Interface 이며 이후 3.0 을 거쳐 대중에 도입된다. Renderman Shader 는 이후 Nvidia CG 와 마이크로 소프트 HLSL 의 전신이 된다.

1971 年乔治卢卡斯设立了卢卡斯影业, 1977 出了星球大战。

1970 年波音的研究员威廉·彼得最初用3D模型做了TV广告。

就这样,从 1970 年初开始电脑图形开始成为焦点。

卢卡斯影业的电脑图形部门为了 1983 年的动画短片开发了 Pixar system 。

这就是现在的 Pixar Animation Studio。

以 Edwin Catmull 为主轴, Renderman 诞生了,这里适用的是 Shader system 。

在电脑图形领域 shader 软件指令的集合,用于计算图形硬件的(CPU, GPU) 渲染效果,其编出来的渲染管线语言在硬件装置上可以解析。

Shader 比较现代的用法是 1988年 5月 皮克斯开发的 Renderman Interface ,之后通过 3.0 面向了大众。 Renderman Shader 成为了之后 Nvidia CG 和微软 HLSL 的前身。

하드웨어 발전과 렌더링./ 硬件的发展和渲染

렌더링의 역사/ 渲染的历史

1984년 픽사 렌더맨의 설립자중 한명인 Rob Cook 이 Key Ray Tracing 논문등을 발표 했지만 2013년에 들어 실제 제작에 활용 되었다.

여기서는 1986년 제임스 카지야(James Kajiya)가 발표한 렌더링 방정식과 Path Tacing을 방정식의 필수 근사치나 수치 해석을 위한 알고리즘으로 도입했다.

10년 후 Lafurtune 은 양방향성 Path-Tracing 을 포함한 많은 개선 방안을 제시 했으며 대도시와 같이 큰 환경에 라이트를 배치라는 등의 어려운 장면에서의 성능을 높이기 위해 기존의 Path 를 기반으로 빛을 산란시키는 방법을 Eric Veach 와 Leoidas J.Guibas 가 1997년 도입했다.

제임스 카지야 오리지널 렌더링 방정식은 빛의 3가지 특정한 원칙을 지킨다.

Global Illumination 의 원리.Equivalence(등가)의 원리로서 최근에서는 에너지 보존(Energy conservation)이라고도 불린다.Direction(방향)의 원리로서 반사된 빛과 산란된 빛은 방향을 갖는다.

Global Illumination이 최초로 사용 된 것은 2004년 개봉한 Shrek 2 였다.

Shrek 2 는 DreamWorks 에서 제작 했는데 이때 직접광 계산과 표면의 2D 텍스처맵을 저장 하고 분산 레이트레이싱을 사용 하기 위해 Single Bouce GI 를 계산하여 사용 했다.

이때는 Irradience Map 을 사용 하여 GI 정보를 베이크 하여 사용 했다.

Path-Tracing 은 Ray-Tracing 의 한 형태로 Brute-Force Unbounced Global-Illumination 방식으로써 아놀드렌더러로 렌더링 된 Monster House 로 2006년 소니 픽처스에서 사용했다.

또한 2013년 픽사는 몬스터 대학교에서 처음으로 Ray-Tracing 과 Physically based lighting & Shading 을 사용 했다.

현재에 와서 아놀드 , VRAY , MAXELL , Lagoda 등의 렌더러는 더 빠르고 정확한 레이트레이싱 이미지를 렌더링 하기 위해 노력 중이다.

또한 GPU 의존성이 강한 GPU Ray-tracing 과 GPU 기반의 Physically based lighting & Shading 기술이 급격히 진보 함에 따라 실시간 게임 엔진의 렌더링이 영화에 직접적으로 적용 될 날이 얼마 남지 않았다.

1984 年皮克斯 Renderman 的创立人员中的一位 Rob Cook 发表了 Key Ray Tracing 等论文,但实际用在制作上是 2013。

1986 年詹姆斯·卡吉亚(James Kajiya)发表的渲染方程式和 Path Tacing 用于解释方程式必要近似值和数值的算法上。

10年后 Lafurtune 提示了包含双向 Path-Tracing 的很多改善方案,为了在大都市这种大环境摆上光照并提高性能,投入了基于 Path 散射光的方法,是由 Eric Veach 和 Leoidas J.Guibas 在 1997 年投入的。

詹姆斯·卡吉亚原版渲染方程式遵守光的三种特定原则,

Global Illumination 的原理。Equivalence(等价)原理,最近也叫做能量守恒(Energy conservation)。Direction(方向)原理,反射和散射的光具有方向性。

Global Illumination最初使用的是 2004年上映的 Shrek 2 。

Shrek 2 是 DreamWorks 制作的,这时为了使用直接光计算和储存表面 2D 贴图,并使用分散光线追踪,计算并使用了 Single Bouce GI 。

这时使用了 Irradience Map ,烘焙了 GI 信息并使用。

Path-Tracing 是 Ray-Tracing 的一种形态,是 Brute-Force Unbounced Global-Illumination 方式。是用 Arnold renderer 渲染的 Monster House,用于 2006年索尼影视。

而且 2013年皮克斯在怪兽大学第一次使用了 Ray-Tracing 和 Physically based lighting & Shading 。

现在 Arnold , VRAY , MAXELL , Lagoda 等渲染器还在努力渲染出更快更正确的光线追踪图像。

并且随着强烈依赖于 GPU 的 GPU Ray-tracing 和基于 GPU 的 Physically based lighting & Shading 技术飞速发展,游戏实时引擎渲染直接用到影视是指日可待的。

영화 산업과 게임 산업을 넘어서…/越过影视和游戏产业…

Next-generation game and Physically based shading with rendering.

(下时代游戏和基于物理的阴影渲染。)

물리기반 렌더링의 출현./基于物理的渲染出现了

BRDF.

Energy conservation.

HDR 의 이해./ 理解HDR

분자구조로 이해하기./ 理解分子结构

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