The structure of light shaders for interactive local illumination

RenderMan은 현재 5가지 방식의 shading을 지원하는데, 이는 다들 알고 있는 surface shading, light shading, displacement shading, volume shading, 그리고 imager shading로 (예전에는 transform shading이 하나 더 있었다고 함) 그 중 개인적으로 가장 간단한 구조를 가지고 있다고 생각하는 local illumination에서의 Light Shading 구조에 대해 오늘 얘기를 해 볼까 한다. shading script coding 하기 나름이라고 반문 할 수도 있겠지만 내가 말하는 부분은 local illumination models and lights 관계에서 light shader의 기본적인 역할이 생각보다 간단하다는 것이다. 이에 반해 light shader에서 보낸 정보를 받아 반사해야 하는 surface shading에서의 illuminance loops 역할이 상대적으로 복잡해 진다고 말 할 수 있겠다.

RenderMan같은 Reyes algorithm renderers뿐만 아니라 Ray-tracing기반의 renderers를 포함 거의 모든 renderers에서 light shader와 surface shader의 이런 interactive illumination관계의 기본적인 구조는 쓰인 언어만 다를뿐 거의 같다고 자신 있게 말 할 수 있겠다. 물론 단순히 수학적으로 트릭 시킨 BRDF 관계가 아닌 Ray-tracing 기반의 ray traveling 방식의 illumination 계산이 필요로 할시에는 다소 복잡해지겠지만 오늘은 거기까지 가지는 않기에 이부분은 무시하고 가 보기로 하겠다.(RenderMan에서는 이 ray-tracing관련의 functions도 Op-codes로 단순화 시켜 버렸지만....)

Local illumination models and lights 관계에서 흔이들 쉽게 오해 하는 부분이 light emitters에서 빛 입자, 즉 photon을 발산하는 시뮬레이션을 하여 surface에 반사해 color값을 알아 내는 것으로 알고 있는데 사실 같은 이치를 수학적 트릭으로 계산해 거의 같은 결과를 얻어 내는 것이지 그렇다고 ray-tracing처럼 ray samples를 쏴 물리적인 reflection 시뮬레이션 같은 것을 하는것은 절대 아니다.

그럼, 다 아는 얘기겠지만 실제 local illumination에서 models and lights 계산 원리를 대강 살펴 보면
1. light emitter origin에서는 point light emitter의(point emitting light source로만 국한시켜 보면: area emitting light source는 오늘은 접어 놓겠다.) position 값과 light color 값만 가지고,
2. camera view frame에서 결정된 계산 해야 할 object의 surface 위의 한점인 P에서 계산된 normal vector N과,
( light distance 값과 light ray의 angle 값은 쉽게 light origin point와 surface point P를 그냥 연결시킨 vector에서 쉽게 얻을수 있겠다.)
3. 최종 ,그 두 light vector L과 surface normal vector N의 angles만 가지고 거의 대부분의 local illumination 계산이 이루어지게 된다고 볼 수 있겠다. 물론 specualer reflection에 가까울 수록 camera vector I와의 계산이 필요 하게 되겠지만...

BRDF(bidrectional reflection distribution function)중에 diffuse() reflection function만 보면 그 둘의 각도, 즉 light vector and surface normal vector의 cosine 값에(단위 벡터의 내적, lambert's law) 최종 light에서 보내준 color와 surface shader의 color을 multiply 하는 과정을 illuminance loops시켜 계산 하겠고, specular reflection function을 보면 하나 더 camera 단위 vector I가 추가되어 해당 point P에서 surface normal을 중심으로 light vector가 incoming light vector(입사각)과 outgoing reflected light vector(반사각)가 같은 앵글을 그릴때 그 반사각에 camera vector I가 가까을수록 highlight가 강해지게 계산해 내 광원에 대한 specualr 효과를 표현 하게 되겠다.

정리하면 simple light shader가 output으로 surface shader에 건내 주는 것은 light emitter의 position값과 light intensity가 multiply된 최종 light color 값만 줄 뿐이다. 이 outputs를 토대로 surface shader에서 반사값을 수학적 fake로 계산해 light ray를 쏜 것 같은 시뮬레이션을 연출 하게 되는 것이다. (이거 말로만 하려니 더 복잡! shading code를 보는게 더 쉬울 것 같기도...... 나중에 RSL에 대해 얘기할때 자세히 얘기하기로 하고....)

그럼 light shader가 복잡해 지는 이유는 Lighting의 cinematic control을 위한 shaping과 Distance fallofff functions이 추가 되어 있기 때문이라고 보면 된다.(Shadowing과 관련된 추가적인 부분들은 나중에 따로 얘기하기로 하고, 우선 통과!)

여기서 shaping이란 light coordinate space에서 X,Y plane 위에서만 놀아나는 2D functions을 써 shaping을 제어하여 마치 projection 같은 (Z축에 변화를 주지 않기에 ,배트맨 라이트 같은 효과라고나 할까?) 효과를 주는 것을 말 한다. spot light의 penumbra 효과가 가장 대표적인 예로 spot light cone 중심에서 형성된 원의 경계를 smooth function으로 제어하는 가장 단순한 방법이고 다른 예를 들면 star-shaped function 쓴다거나 혹은 pattern generating functions과 같이 써 별무리 같은 shaping을 적용해 procedual cookies or slides 효과를 연출 한다든지 더나가 u-ber light shader에서 쓰이는 super ellipse function을 써 cinematic 연출을 위해 사각과 원의 shaping을 자유로이 넘나들수도 있게 할 수도 있겠다.

X,Y plane에 대한 제어로 shaping을 했다면 이번엔 light coordinate space의 Z축을 기준으로 제어하는 Distance falloff 부분이 있겠는데 distance falloff는 Z축으로 camera origin으로부터 거리에 따라 제어 하는 부분으로 shadping 보다 훨씬 간단한 function으로 제어 할 수가 있겠다. 우리가 흔히 쓰는 빛의 거리에 따른 물리적인 기본 성질인 '거리 2제곱의 반비례'가 여기에 쓰이게 되는데 나름 원한다면 다른 여러 math curve functions을 여기에 써서 간단하게 적용 할 수도 있겠다. 참고로 우리가 Maya spot light에서 흔히 쓰는 효과 또한 Z축으로 near/far clipping을 smooth function로 각 경계면을 제어 하면 간단히 표현 할 수도 있겠다.

그럼, light coordinate space기준으로 X,Y,Z 축 전부로 3D space내에서 control이 가능 하지 않겠냐고 물어 올 수도 있겠는데 물론 가능하다. 주로 volumetric shader와 연결된 light shader에 turbulence 같은 noise-based function을 이 3D space로 흘려 보내 흐르는 안개속을 비추는 헤드라이트 같은 효과를 줄 때 사용 할 수 있겠고 더 나가 제 3의 local coordinate system을 이용해 그 좌표계 origin으로 부터 정의된 X,Y,Z 축 영역을 light coordinate space로 전환해 계산하면 결과적으로 3D world space 내에서 light intensity 변수를 local coordsys로 volumetric control이 가능해 질 수 있겠다. 눈치가 빠르다면 cinematic lighting의 꽃인 shadow blockers 얘기인지 알아챘으리라 본다. 사실 엄연히 따지면 depth map을 사용하는 shadowing 또한 여기에 속한다고 말 할 수 있겠다. 제어하는 메터리얼이 수학적 functions이 아닌(사실 이것도 가능, 예: projected shadow blockers) X,Y,Z space에 대한 정보를 이미지화 시킨, 즉 shadow camera 좌표계로 map의 가로세로가 X,Y축이 되고 pixel의 luminance value가 Z축의 depth value가 되는 엄연한 3D space 내의 light intensity 변수에 대한 projected volumetric control 인 것이다. 물론 전에도 얘기 했듯이 shadowing 계산을 위한 z-depth 대조 작업을 위해 real rendering camera 좌표계와 일치 시켜야 한다. 

위의 두 부분, shaping과 distance falloff을 빼서 light shader를 쨔면 자연 스럽게 정말 간단한 simple point Light shader가 되겠다. 여담이지만 poing light는 촛불과 같이 부드럽운 효과를 위해 쓴다는 얘기를 종종 듣게 되는데 불행하게도 그런 감성적인 차이는 우리 기분일 뿐이지 기술적으로 spot light와 아무런 차이를 주지 않는다. 그냥 한정된 지역의 shaping이 필요하거나 낭비 없는 shadowing을 쓰기 위해서 point light 대신 spot light를 쓰는 것 뿐이다.

그럼 Distance (Directional) Light는? 하고 질문이 생길 수도 있겠는데, distance light는 더더욱 간단하여 light의 position 값이 필요 없이 하나로 통일된 parallel ray angle 값만으로 surface normal vector와 계산된다고 볼 수 있다. positional data가 있기는 하지만 이건 그냥 shadow camera 용으로 쓰기 위한 것일뿐 illumination계산에 아무런 영향을 주지 않는다. 이런 이유로 distance light 또한, point light shader처럼 정말 간단하게 쨔여 진다. shaping control도 distance fall off control이 아예 필요 없기 때문이다. 구지 원한다면 위에서 언급 했듯이 제 3의 local coordsys를 이용해 3D space 특정 범위 내에서 volumatric shaping을 할 수 있는 shadow blocker 기능을 쨔 넣을 수도 있겠지만....

마지막으로 light attributes 중에 있는 non-diffuse, non-specular 기능에 대해 설명하자면 이것 또한 surface shader의 diffuse(), specular() functions 내에서 coding되어 illuminance loops시 light shader에서 전해준 그 파라미터의 값만 전달 받어, 즉 light shader에서 surface shader를 제어하는 Message passing 메카니즘을 구현해 계산하는 것이다. 이 Message passing은 renderman의 아주 강력한 기능 중의 하나로 서로 다른 종류의 shader들간에 variables를 교류 시킬수 있는 메카니즘이다.

공개된 light shaders 중 아직까지도 가장 확장된 cinematic flexibility를 가지고 있는 U-ber light shader를 예를 들면, A4 3,4 페이지가 넘는 스크립트로 아주 복잡하지만 사실 분석해 보면 각 부분의 functions이 복잡한 것이지 위의 기본 골격은 그대로 유지한다는 것을 알 수가 있을 것이다.

아무리 복잡한 shader라도 기본 구조를 이해한 상태로 분석해 본다면 더이상 복잡해 보이지 않는 다는 것이다. 이는 light shading에만 국한 된게 아니라고 본다. 이로써 light shading이 다른 종류의 shading들보다 훨씬 간단한 기본구조를 지녔다고 말하는 이유를 이해 했으리라 믿는다. (더 복잡하게 만든건 아닌지....음)