렌더링의 개요

- 렌더링

 

렌더링이란 "장면을 이미지로 전환하는 과정"입니다. 우리가 살고 있는 3차원 공간이 사진기에 

의해 사진이라는 2차원 이미지로 바뀌어 기록되는 것처럼 컴퓨터 속의 가상 공간은 렌더링이라는 

과정을 통해 2차원 이미지로 바뀌어 우리에게 보여지는 것입니다. 

사실 보통 우리가 렌더링이라고 부르는 과정(Render 명령을 내리고 나서부터 결과가 나오기까지)은 

100% 컴퓨터에 의해서 이루어집니다. 이 과정동안 여러분들이 할 수 있는 일은 아무것도 없습니다. 

하지만 그럼에도 불구하고 우리는 컴퓨터가 어떤 과정을 통해서 3차원 장면이 2차원 이미지를 

바꿔나가는지 그 구체적인 방법을 잘 이해하고 있어야만 합니다. 왜냐구요? 그래야만 쉽고 빠르게 

여러분들이 원하는 결과를 얻을 수 있기 때문입니다.

 

- 와이어프레임 렌더링

 

일단 가장 간단한 렌더링 방법으로는 오브젝트의 모서리(Edge) 만을 그려주는 와이어프레임

(Wireframe) 렌더링 기법이 있습니다. 이 방법은 (1)처리 속도가 빠르며 (2)오브젝트의 구조를 

쉽게 파악할 수 있기 때문에 작업용 화면 표시 방법으로 적합하긴 하지만 

이름 그대로 뼈대만 보여주기 때문에 최종 결과물에는 적합하지 않습니다. 따라서 우리가 

원하는 사실적인 결과를 얻기 위해서는 좀 더 많은 것들을 고려해야 하는데 그 중 가장 

대표적인 것이 (1)어떤 면이 보일 것인지를 결정하는 일과 (2)보이는 면이 어떤 색을 갖게 될 

것인지를 결정하는 일입니다. 즉, 여러분이 얻고자 하는 2차원 이미지의 각 픽셀마다 그 픽셀을 

통해 보이는 면이 어떤 것이며 그 면이 어떤 색을 갖는지를 계산하고 그 결과를 종합한다면 

여러분들이 원하는 결과를 얻을 수 있을 것입니다.

[그림 1] 와이어프레임 렌더링
 

- 은선 제거

 

두 작업 중 전자에 해당하는 작업을 우리는 은선 제거(Hidden Line Removal)라고 부릅니다. 

은선(隱線:Hidden-Line)이란 현재 시점에서 오브젝트의 다른 부분이나 혹은 다른 오브젝트 

등에 의해 가려져 보이지 않는 숨겨진 모서리(Edge)들을 의미하는데 이와 같은 은선 제거 

과정을 거치면 어떤 면이 최종적으로 우리에게 보이는 면인지를 검출(Visible-Surface Determination)

할 수 있게 됩니다.

[그림 2] 은선 제거

 

[그림 3] Z-Buffer Algorithm

　

60년대 이후 수많은 은선 제거 기법들이 개발되었지만 그 중에서 가장 대표적인 은선 제거 기법은 

바로 Z-Buffer Algorithm입니다. Pixar의 설립자인 Ed. Catmull에 의해 개발된 Z-Buffer Algorithm은 

각 면의 깊이 값을 별도의 Buffer에 임시로 저장하며 비교해서 최종적으로 어떤 면이 보일 것인지를 

결정하는 방법입니다. Z-Buffer라는 이름은 이처럼 깊이 값을 저장하는 Buffer를 사용한다고 해서 붙여진 

이름입니다. 좀 더 구체적으로 설명하면 각 픽셀마다 Polygon Table의 순서에 따라 각 오브젝트 표면의 

색상과 깊이 값을 계산한 다음 계산된 깊이 값과 현재 Z-Buffer에 저장되어 있는 값을 비교해서 새로 

계산된 값이 더 크다면(시점과 더 가깝다면) Frame Buffer를 갱신하고 그렇지 않다면 기존의 값을 

그대로 사용하는 것입니다. 이런 과정을 반복하면 결국 Z-Buffer의 값이 가장 클 때의 Frame Buffer 

값이 해당 픽셀의 색으로 결정되므로 가장 시점과 가까이 있는 물체를 찾아내는 효과를 얻을 수 

있습니다. 이 기법은 (1)Z-Buffer로 사용하기 위한 메모리가 별도로 필요하고 (2)보이건 보이지 않건 

일단 모든 오브젝트를 모두 고려해야 하므로 다소 비효율적이라는 단점에도 불구하고 (1)원리가 매우 

단순하기 때문에 구현하기 쉽고 (2)각 픽셀에 투영되는 면의 색과 깊이 값만 구하면 되므로 Polygon 

Mesh은 물론 모든 유형의 오브젝트에 적용할 수 있으며 (3)결과를 저장할 때 Z-Buffer의 값을 같이 

저장하면 각각의 오브젝트들을 따로 렌더링해서 나중에 합성하거나 Depth of Field 효과를 주는 등의 

작업도 가능해진다는 장점덕분에 가장 널리 사용되고 있습니다. 그런데 최근에는 Z-Buffer Algorithm이 

직접 사용되기보다는 A-Buffer Algorithm이라는 변형된 방법이 더 많이 사용되고 있습니다. A-Buffer의 

A는 Antialiased, Area-Averaged, Accumulation의 약자로서 Z-Buffer Algorithm에 안티에일리어싱 

기능을 추가한 것입니다.

 

 

Z-Buffer와 함께 또 하나 꼭 알아두어야 할 은선 제거 기법은 바로 Scanline Algorithm입니다. 이 

기법은 오브젝트를 구성하는 모서리 목록(Edge Table)과 Polygon 목록(Polygon Table)을 이용 

한번에 한 줄씩 각 Scanline과 만나는 면들을 골라내고 이 면들에 대해서만 보이는 면을 판정

(Visible-Surface Determination)하는 방법입니다. 여기서 중요한 것은 렌더링이 "한 번에 한 줄씩 

진행된다"는 점이죠. 여러분들도 잘 알고 계실, 때로는 후진 Renderer쯤으로 치부하기도 하는 

Scanline Renderer란 바로 은선 제거를 위해 Scanline Algorithm을 사용하는 렌더러를 말하는 

것입니다. 이와 관련된 좀 더 포괄적인 내용은 뒤에서 다시 언급하기로 하겠습니다.

 

- Local Illumination Model

 

앞서 살펴본 방법들에 의해 보일 면이 결정되었다면 각 픽셀에서 보이는 면이 어떤 색을 갖는지를 

계산해서 최종적인 이미지가 완성하게 되는데 이와 같이 오브젝트의 표면이 어떤 색을 갖게 될 

것인지 계산해 내기 위해 사용하는 것이 Local Illumination Model입니다. 사실 렌더링 과정 중에 

가장 중요하고 꼭 이해해야하는 과정이 바로 이것이죠.

 

우리가 어떤 오브젝트를 보고 색을 느낀다는 것은 결국 그 오브젝트의 표면에서 반사되는 빛을 눈이

 감지하는 것입니다. 예를 들어 우리가 빨간 사과를 보면서 저 사과 참 빨갛다라고 느끼는 것은 사과의 

표면이 다른 색은 흡수하고 빨간색 빛만 반사해 내기 때문입니다. 즉, 조명의 방향과 표면의 특성 등 

여러 가지 요인에 따른 빛의 작용을 계산한다면 각 픽셀에서 보이는 오브젝트 표면의 색상을 결정할 

수 있을 것입니다. 그리고 이렇게 오브젝트 표면에서 일어나는 빛의 작용을 수학적으로 재현하는 

방법(공식)이 바로 Illumination Model입니다. 특별히 앞에 Local이라는 단어를 붙인 이유는 빛의 

작용을 계산함에 있어 Local Illumination Model이란 오브젝트 표면의 색상을 결정할 때 우리가 

관심을 갖는 특정 표면과 이 표면을 직접 비추는 광원만을 고려하기 때문입니다. 물론 실제 세계에서는 

굴절처럼 주위 환경과의 상호 작용을 통해 얻어지는 것들도 있습니다. 이런 것들은 뒤에 나올 

Global Illumination Model을 통해서 구현하게 되므로 뒤에서 다시 언급하기로 하겠습니다.

 

일단 Local Illumination Model을 이해하기 위해서는 먼저 물체 표면에서 이루어지는 빛의 반사 

작용에 대해 알아야 합니다. 빛의 반사에는 크게 2가지 종류가 있는데 하나는 빛이 입사한 방향과 

상관없이 임의의 방향으로 빛이 흩어져 버리는 난반사(Diffuse Reflection)이고 또 하나는 일정한 

방향으로 빛이 반사되어 나가는 정반사(Specular Reflection)입니다. 결국 난반사에 의해 반사되는 

색상이 바로 여러분들이 보게 되는 물체의 색상이며 정반사에 의해 생기는 것이 하이라이트입니다. 

이상적인 경우 정반사(Specular Reflection) 되는 빛은 Normal을 기준으로 입사된 각도 그대로 반사

됩니다(입사각 = 반사각). 특별히 이런 경우를 일컬어 거울 반사(Mirror Reflection)라고 부르기도 하지요. 

하지만 이런 경우는 예외적인 경우이고 이 세상에 존재하는 대부분의 오브젝트들은 거울 반사(Mirror 

Reflection) 방향을 중심으로 빛이 분산되기 시작해서 거울 반사(Mirror Reflection) 방향에서 멀어질수록 

빛의 세기가 점점 줄어다가 결국 자연스럽게 난반사(Diffuse Reflection)되는 빛의 세기로 바뀌게 됩니다. 

따라서 광원, 표면, 시점간의 관계를 고려해서 난반사 및 정반사되는 빛의 세기(Intensity)을 계산하면 

물체 표면의 색상이 구해지고 이것이 바로 Local Illumination Model인 것입니다. (RGB각 채널별로 

빛의 세기를 계산한 다음 종합하면 색이 되는 거죠.)

 

[그림 4] 물체 표면에서의 빛의 반사

 

가장 대표적이고 기본적인 Local Illumination Model은 1975년 Phong에 의해 개발되었습니다. Phong은 

난반사의 계산을 위해서는 Lambert의 코사인 법칙을 이용하고 정반사의 계산을 위해서는 cosⁿα을 곱하는 

방법을 이용했습니다. α는 반사 벡터 R과 시점 벡터 V사이의 각도로서 이 방법을 사용하면 반사 벡터 R과 

시점 벡터 V가 일치하는 지점을 최대 값으로 해서 두 벡터 사이의 각도가 벌어질수록 정반사의 세기가 

점점 줄어들게 됩니다. n은 사용자가 임의로 지정하는 숫자로서 하이라이트의 크기를 조절하는 역할을 

합니다. MAX의 Glossiness 값(R2.5의 Shininess 값)이 바로 여기에 해당됩니다. 결국 이 방법은 실제 

표면에서 일어나는 물리적인 현상을 기초로 한 방법이 아니라 실험적이며 경험적인 접근 방법입니다. 

따라서 이 방법을 사용해서 얻어진 결과는 실제 상황과 다소 차이가 날 수 밖에 없다는 원죄(?)를 갖고 

있기는 하지만 상대적으로 계산량이 적고 구현이 간단하며 최종적으로 얻어지는 결과물이 상당히 '그럴 

듯 하게 보이기' 때문에 이 방법은 지금까지도 기본적인 Illumination Model로서 가장 널리 애용되고 

있습니다.

 

- Physically Based Local Illumination Model

 

그러나 언제나 그렇듯이 사람들은 좀 더 정확한 결과를 원했고 이를 위해 좀 더 물리적으로 올바른 

Illumination Model들을 개발하게 되는데 이와 같은 방법들이 바로 Physically Based Illumination 

Model들입니다. Blinn을 비롯한 Cook-Torrence, Anisotropic Model 등이 이에 해당되는데 거의 

대부분의 Physically Based Illumination Model들은 올바른 하이라이트를 얻기 위해 정반사 특성의 

계산에만 이와 같은 방법을 적용할 뿐 난반사 특성은 Phong에서 사용했던 Lambert의 코사인 법칙을 

그대로 사용합니다. 하지만 최근에는 Oren-Nayer 모델같이 난반사(Diffuse Reflection) 특성을 계산

하기 위한 Physically Based Illumination Model도 개발되고 있습니다.

 

[그림 5] Phong & Blinn

　

Blinn Model은 최초의 Physically Based Illumination Model로서 정반사 특성을 계산함에 있어 Phong이 

사용했던 cosⁿα 대신에 응용물리학자인 Torrence와 Sparrow에 의해 개발된 Torrence-Sparrow Model 

사용합니다. 이론적으로 복잡한 얘기를 다 하기에는 지면이 부족하고 Blinn 모델이 Phong 모델과 비교해서 

갖게 되는 실질적인 차이점은 Specular를 계산할 때 조명의 입사각에 따라 Specular 특성이 바뀌느냐 안 

바뀌느냐에 있습니다. 즉 Phong 모델에서는 입사각과 관계없이 항상 반사각 방향으로 정반사율(Specular

Reflectance)이 높게 나오지만 실제 세계에서는 빛이 비스듬하게 입사할 경우(입사각이 클 경우) 반사각보다 

더 비스듬한 방향으로 정반사율(Specular Reflectance)이 높게 나오게 됩니다. 이런 현상을 일컬어 정반사율

(Specular Reflectance)이 높은 부분(peak)과 반사각이 일치하지 않고 떨어져 있다고 해서 off-specular peak

라고 부르는데 정오에 태양이 지면에서 거의 수직해 있을 때는 하이라이트가 별로 발생하지 않던 아스팔트 

표면이 석양 무렵 태양 빛이 지면에 비스듬하게 입사할 때에는 훨씬 반짝여 보이는 것이 바로 이 현상 때문입니다. 

Blinn 모델은 이 현상을 제대로 표현할 수 있는 것이죠. 같은 이유에서 조명이 뒤에서 비춰지는 경우(Backlight)

에도 Blinn 모델의 특성이 두드러지게 나타납니다.

 

 

이 밖에도 금속 질감을 효과적으로 재현하기 위한 Cook-Torrence Illumination Model이나 매끈하게 연마된 

금속이나 머리카락 등에서 볼 수 있는 방향성을 갖는 하이라이트 재현을 위한 Anisotropic Illumination Model 

등이 많이 사용되는 Physically Based Illumination Model들 입니다. 마지막으로 Oren-Nayer 모델의 경우 

특이하게 난반사 특성의 계산을 위해 Physically Based Illumination Model을 사용하는 경우로서. 이 Model을 

사용하면 백묵이나 복숭아처럼 미세하게 거친 표면을 효과적으로 재현할 수 있습니다.

 

- Global Illumination Model

 

여기 까지 설명한 방법들을 종합해서 만들어진 Renderer가 바로 소위 Scanline Renderer라고 부르는 Renderer

입니다. Z-Buffer와 Scanline Algorithm을 이용해서 보여지는 부분을 검출하고 Local Illumination Model을 

적용해서 픽셀의 색을 결정하는 방법입니다. 사실 이 정도만 해도 웬만한 것들은 다 표현할 수 있을 뿐만 아니라 

렌더링 속도도 매우 경제적이기 때문에 그 동안 많은 사랑을 받아 왔습니다. 그런데 앞에서도 잠깐 언급했지만 

Local Illumination Model은 빛의 작용을 계산함에 있어 리가 관심을 갖는 특정 표면과 이 표면을 직접 비추는 

광원만을 고려하기 때문에 이 방법만 가지고는 오브젝트간의 반사나, 굴절, 그림자 등과 같이 다른 오브젝트에 

의해 반사되거나 다른 오브젝트를 투과, 굴절해서 오브젝트 표면에 영향을 미치는 빛에 의한 결과들을 재현할 

수 없다는 문제가 있었습니다. 그리하여 개발된 것이 바로 Local Illumination Model의 반대인 Global 

llumination Model입니다.

 

이 방법은 렌더링 과정에서 오브젝트 상호간의 관계도 모두 고려하기 때문에 오브젝트들 간의 상호 반사

(Interreflection), 굴절, 그림자 효과 등을 재현할 수 있어 훨씬 사실적인 이미지를 생성할 수 있습니다. Ray 

Tracing과 Radiosity가 가장 대표적인 예죠. 다만 좋은 결과를 얻으려니 그 만큼 많은 요인들을 고려해야 

하고 그러다 보니 엄청난 렌더링 시간이 걸린다는 치명적인 단점을 가지고 있지요. 따라서 불과 얼마 전까지만 

해도 실제 업무에서 이 기법을 적용한다는 것은 매우 힘든 일이었습니다. 다행히 최근에는 하드웨어 환경이 

워낙 빨리 좋아지는 데다가 속도 개선을 위한 많은 방법들이 개발되어 활용이 점점 늘고 있습니다.

단, 한가지 알아 두셔야 할 것은 Global Illumination Model인 Ray Tracing이나 Radiosity가 분명 훌륭한 방법

이기는 하지만 이 방법들이 실제 하는 일에 비해 사용자들에게 너무 과대 포장되어 알려지는 경향이 있다는 

점입니다. 어떤 사람들은 Ray Tracing이 아니면 렌더링도 아니라고 하는 사람들도 있고 Radiosity야 말고 환상 

그 자체라고 말하는 사람들도 있습니다. 물론 그럴 수도 있지만 Global Illumination Model에 의한 결과가 Local

 Illumination Model에 의한 결과와 크게 차이나지 않는 경우도 많고 얻을 수 있는 결과에 비해 지나치게 많은 

계산 시간을 필요로 해서 실무에서는 사용하지 못하는 경우도 많다는 점 기억해 두시길 바랍니다.

 

- Recursive Ray Tracing

 

1980년 Turner Whitted는 "An Improved Illumination Model for Shaded Display"라는 논문을 통해 눈에서부터 

각 픽셀을 향해 광선(Ray)을 방출한 다음 이 광선(Ray)의 굴절, 반사등을 계산해서 광선(Ray)이 시작되었던 

조명에 이를 때까지의 경로를 역추적해(Trace) 나가고 이 과정을 통해 각 픽셀의 색상을 결정하는 혁신적인 

렌더링 방법을 발표했으니 이 것이 바로 그 유명한 Ray Tracing입니다. 특히 광선(Ray)을 추적하는 과정에서 

반사와 굴절이 되풀이(Recursion)해서 일어난다고 해서 Recursive Ray Tracing이라고 부르는데 처음 개발된 

Ray Tracing이라는 뜻에서 Classic Ray Tracing이라고 부르기도 하고 Whitted가 개발 했다고 해서 Whitted 

Ray Tracing이라고 부르기도 합니다.

 

[그림 6] Recursive Ray Tracing

 

예제 그림은 이 방법에 의해 렌더링된 전형적인 예를 보여주고 있는데 눈에서 각 픽셀을 향해 방출된 광선은 ○오브젝트 

표면에 반사나 굴절이 설정되어 있을 경우 계속해서 새로운 광선(Ray)을 방출해 나가다가(초록색 광선) ○광원과 만나

거나(빨간색 광선) ○거울 반사(Mirror Reflection)가 전혀 없는 표면을 만나거나(보라색 광선) ○아무런 오브젝트와 

만나지 못하거나(파란색 광선) ○정해진 최대 반복 횟수에 도달하면 추적을 멈추고 그 동안 거쳐온 표면의 세기(Intensity) 

값을 모두 모아 픽셀의 세기(Intensity)값을 구하게 되고 ○여기에 각 과정마다 Light Ray를 이용 그림자의 생성 여부를 

결정하는 작업(노란색 광선)을 추가해서 최종 결과를 얻게 되는 것입니다.

 

이때 한가지 꼭 알고 있어야 할 중요한 사실은 Ray Tracing에서 고려하는 것은 오직 각 오브젝트간에 일어나는 거울 

반사(Mirror Reflection) 즉 완전 정반사(Perfect Specular Reflection) 특성뿐이라는 점입니다. Ray Tracing에서도 

난반사 특성이라던가 불완전한 정반사(Imperfect Specular Reflection) 특성을 계산할 때에는 기존의 Local Illumination 

Model을 그대로 사용합니다. 결국 이 말이 뭘 의미하겠습니까? 거울 반사(Mirror Reflection) 특성이 없는 일반적인 

오브젝트를 렌더링할 때에는 Ray Tracing 렌더러나 Local Illumination Model만을 사용하는 Scanline 렌더러나 

결과에 별 차이가 없을 수밖에 없다는 말입니다. 이 시점에서 문득 생각하는 것이 있지 않으십니까? 네. 그렇습니다. 

Ray Tracing 렌더러로 만들어진 예제들은 한결같이 모두 금속구나 유리잔들이었죠. 바로 이런 근본적인 한계가 있었기 

때문에 Ray Tracing의 장점을 100% 보여줄 수 있는 특수한 경우인 금속구나 유리잔만을 예제로 보여주었던 것입니다.

 

- Distributed Ray Tracing

 

[그림 7] Distributed Ray Tracing에 의한 Motion Blur (c)Pixar

Recursive Ray Tracing이 거울 반사나 굴절, 그림자 등을 매우 사실적으로 표현해 주었음에도 불구하고 부족한 것이 

있었으니 그것은 Classic Ray Tracing에 의해 얻어지는 결과물들이 모두 지나치게 깨끗하고 완벽하다는 점이었습니다. 

실제 공간에서는 아무리 반짝반짝하게 닦아 놓은 금속구라 하더라도 그 표면에 반사되는 주위 환경은 약간 흐릿하게 

보이지만 Recursive Ray Tracing에서는 광선(Ray)들이 반사될 때 완벽하게 100% 반사되어 아주 이상적인 거울같은 

또렷한 반사가 얻어지기 때문에 이와 같은 Super Realistic한 결과가 '너무나 사실적이라 오히려 사실적이지 않았었기 

때문입니다, 사람들이 보통 컴퓨터에서 만들어진 이미지를 보고 차갑다라고 말하는 것도 이와 같은 과도한 완벽함 

때문인데 Distributed Ray Tracing 바로 이와 같은 문제들을 해결해 줍니다. 사실 지금 사용되는 대다수의 Ray 

Tracing Renderer들은 이 방법을 기반으로 하고 있습니다.

 

이 방법의 핵심은 한 줄로 이루어진 가느다란 광선(Ray) 개념 대신 여러 광선(Ray)을 골고루 뿌리는(distribute) 

개념을 사용한다는 점입니다. 즉, 눈에서 출발한 광선이 반사나 굴절되는 과정에서 하나의 광선만을 방출하는 것이 

아니라 여러개의 광선을 무작위로 방출하는 것입니다. 예를들어 Reflected Ray를 방출하는 과정에서 하나의 광선

(Ray) 대신 여러 광선(Ray)을 방출하고 그 결과를 종합해서 표면의 반사를 계산하면 부드럽게 뭉개지는 반사(Blurry 

Reflection)를 표현하는 것입니다. 뿐만 아니라 가상의 렌즈를 설정하고 이 방법을 적용하면 피사계 심도

(Depth of Field) 효과를 얻을 수도 있고 Light Ray(Shadow Ray)에 적용하면 부드러운 그림자를 만들 수 있고 

시간의 흐름에 적용하면 Motion Blur 효과를 만들 수도 있습니다