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언리얼 서밋 2016 프로젝트 A1의 구형 월드 라이팅 기술
- 1. UNREAL SUMMIT 2016 프로젝트 A1의 구형 월드 라이팅 기술 기 현 우 리드 그래픽스 프로그래머
- 2. UNREAL SUMMIT 2016 A1 • 넥슨의 새로운 IP의 게임 프로젝트 – 타겟: PC 플랫폼 / AAA급 그래픽을 목표로 – 장르: MOBA / 스페이스 오페라 – 엔진: UE4 + @@@ – 아직 개발 중 / 변경 가능성 있음 • 지난 NDC 2016에서 처음으로 개발 소식 공개
- 3. UNREAL SUMMIT 2016 A1 • 지난 NDC 2016에서는 캐릭터 렌더링 기술 발표 • 이번 발표에는 월드 라이팅 기술 발표 – 발표에 사용된 월드는 개발 테스트 용 – 실제 게임 월드 아님!
- 4. UNREAL SUMMIT 2016 A1의 월드 • 구(球)형 행성 • 실시간 낮/밤 변화 • 부분적인 환경 요소 파괴 – 나무, 건물 등 • 부분적인 지형 변형 – 크레이터 등
- 5. UNREAL SUMMIT 2016 A1의 라이팅 요구 사항 • 구형 좌표계 • 경도에 따라 다른 시간 • 시간에 따른 변화 • 다이나믹 – 움직이는 태양 – 환경 파괴와 지형 변형 – 기타…
- 6. UNREAL SUMMIT 2016 우리의 접근 방법 • 가능한 “fully dynamic” 라이팅 사용 – 섀도우 맵, SSAO, SSR, SSIS Screen Space Inner Shadows 등 • 일부 전처리와 리라이팅 – 글로벌 일루미네이션, 스카이 라이팅 및 리플렉션 인바이런먼트의 시간 변화
- 7. UNREAL SUMMIT 2016 구형이라서 달라지는 점 1 • 하늘 방향이 구 표면 상의 위치에 따라 달라짐 – 일반적인 월드: (0, 0, 1) – 구형 월드: normalize(WorldPosition) • (0, 0, 0)이 월드 중심이라는 가정 • 편의상 ‘행성 노멀’이라고 부르자
- 8. UNREAL SUMMIT 2016 구형이라서 달라지는 점 2 • 구 표면 상의 위치에 따라 시각이 달라짐 – GMT라고 보면 됨 – 기준 시각(GMT+0)으로부터 태양 방향과 행성 노멀 간의 각도에 따라 결정 float ComputeGMTFromWorldPosition(float3 WorldPosition) { float Longitude = atan2(WorldPosition.y, WorldPosition.x) / PI * 0.5f + 0.5f; // [0, 1] float NormalizedGMT = frac(Frame.NormalizedDayTime – Longitude); // East to West return abs(NormalizedGMT); } * 노트: Frame.NormalizedDayTime = 태양을 사용한 기준 시각 (GMT+0) = [0. 1)
- 9. UNREAL SUMMIT 2016 발표 목차 • 디렉셔널 라이트 • 글로벌 일루미네이션 • 스카이 라이트 • 리플렉션 인바이런먼트
- 10. UNREAL SUMMIT 2016 디렉셔널 라이트 Directional Light
- 11. UNREAL SUMMIT 2016 디렉셔널 라이트 • 2개를 대칭 배치 – 태양과 달 • 모두 무버블 속성 사용 – 다이나믹 씬을 지원해야 하기 때문 – 다이렉트 라이팅을 실시간 계산 • 디퍼드 라이팅: 불투명 머티리얼 • 포워드+ 라이팅: 반투명 머티리얼
- 12. UNREAL SUMMIT 2016 2개의 디렉셔널 라이트 • 태양: – 게임의 주된 광원 • 달: – 어두운 밤 지역을 밝힘 – 다이렉트 스페큘러 표현을 위함 (스카이/GI만으로는 아쉬움)
- 13. UNREAL SUMMIT 2016 2개의 디렉셔널 라이트 • 문제점: – 디렉셔널 라이트는 원래 화면 전체에 영향을 주도록 구현 – 잘못된 결과 • 예: 낮 지역에 달 빛 • 느린 성능 (2배) • 해결책: – 라이트 기준으로 행성 뒷면을 컬링 – 경계에서는 부드럽게 감쇠
- 14. UNREAL SUMMIT 2016 시간 변화 라이팅 • 픽셀마다 다른 시간: 특히 줌아웃 뷰 – 라이트 컴포넌트의 컬러로 조절 불가 • 셰이더에서 미리 만든 텍스처로 라이트 컬러 조절 • GI, 스카이 라이트, 리플렉션 인바이런먼트는 각각 다른 방식을 사용 – 뒷부분에 자세히
- 15. UNREAL SUMMIT 2016 태양의 그림자 • 그림자는 게임 플레이에서 현재 시간을 인지하기 위한 요소 중 하나 • 지난 NDC 2016에서 언급 – 기본적으로 UE4 방식을 그대로 사용 • CSM + PCF – 개량된 PCSS를 혼합 • 시각에 따른 부드러운 그림자 표현을 위함: 0, 1 케스케이드 전용 • 섀도우 노멀 오프셋: 큰 블러 커널에 의한 피터 패닝 방지 • 템포럴 리프로젝션: 느린 공전에 의한 플리커링 방지
- 16. UNREAL SUMMIT 2016 타이트한 그림자 바운드 • 성능과 품질 모두를 위해 – CSM은 기본적으로 설정한 최대 거리까지로 바운드를 생성 • 거의 월드 전체를 커버할 수준으로 큼 • 타이트한 그림자 바운드 설정 – 가정: 화면에서 많이 멀어서 안 보이는 오브젝트는 그림자에도 영향을 주지 않는다 – 행성 뒷면 컬링 + 행성 뷰 프러스텀 컬링 바운드보다 좀 더 크게 • 행성 뷰 프러스텀 컬링은 카메라 위치와 각도에 따라 자동 계산 – 1.5배 이상 개선
- 17. UNREAL SUMMIT 2016 행성 뷰 프러스텀 컬링 • 카메라에서 행성 중심까지의 거리로 Far Plane을 제한 – 행성 뒷면은 안 보인다는 전제 • 카메라가 행성 표면에 가까워질수록 Far Plane을 짧게 – 행성 중심에서 측면 Plane까지의 거리와 행성 반지름 간의 비례식
- 18. UNREAL SUMMIT 2016 최적화 전 행성 뒷면 컬링 행성 뒷면 컬링 + 뷰 프러스텀 컬링
- 19. UNREAL SUMMIT 2016 글로벌 일루미네이션 Global Illumination
- 20. UNREAL SUMMIT 2016 가능한 솔루션 (UE4) • 라이트맵 (X) – 정적, 높은 메모리 • LPV (X) – 느림, 낮은 품질 • DFGI (X) – 느림, 스켈레탈 메시 미지원, 지형 변형 미지원 • 간접광 캐시 – 가능성이 있음!
- 21. UNREAL SUMMIT 2016 UE4 간접광 캐시 Indirect Lighting Cache; ILC • SH 이래디언스 볼륨 Spherical Harmonics Irradiance Volume • 프리미티브(UE4에서의 드로우 단위)마다 캐싱 – 5x5 볼륨 -> 글로벌 볼륨 텍스처 아틀라스에 저장 – 무버블 컴포넌트용 / 위치 이동 시 업데이트 • “볼륨 ILC를 모든 타입의 프리미티브에 적용해볼까?” – 스태틱 컴포넌트, 지형 등을 포함
- 22. UNREAL SUMMIT 2016 볼륨 ILC의 결함 • 인접 프리미티브와 라이팅 불연속성 seam • 프리미티브의 크기가 크면 밀도 부족 – 월드에 균등 거리로 샘플링하면 완화 – 너무 많은 메모리 소모 및 캐시 업데이트 느림 • 높은 CPU 비용 – 각 프리미티브 단위의 연산 – 라이팅 변경 또는 프리미티브 이동 시 업데이트 필요 • 우리 게임에는 부적합
- 23. UNREAL SUMMIT 2016 새로운 방식의 필요 • SH 이래디언스 볼륨 컨셉은 유지 • 더 효율적인 자료 구조 – 낭비 없는 메모리 공간과 빠른 어드레싱 • 심리스 – 분할된 지형 컴포넌트끼리, 연속 배치된 스태틱 메시 , 캐릭터와 배경 사이 등 • 빠른 업데이트 (or 업데이트 없는 방식) – 다수의 액터가 동시에 움직일 때 – 크기가 큰 액터: 배경 오브젝트나 지형
- 24. UNREAL SUMMIT 2016 새로운 방식의 필요 • 시간 변화 라이팅 기능의 필요
- 25. UNREAL SUMMIT 2016 다른 게임 사례 • 파 크라이 3 & 4 • 어쌔신 크리드 4 • 퀀텀 브레이크 • 더 디비전 • …
- 26. UNREAL SUMMIT 2016 디퍼드 큐빅 이래디언스 캐싱 Deferred Cubic Irradiance Caching • ‘디퍼드’: – 포스트 프로세싱 방식: 오버 드로우 방지 – 빠른 개발 이터레이션: 빠른 셰이더 리컴파일 – 단, 반투명은 여전히 포워드 렌더링(베이스 패스) 사용 • ‘큐빅’: – 큐브맵에 캐싱: GPU에서 구를 사상하기에 좋은 자료 구조 – 액터가 아닌 월드 공간 상에 캐시를 저장: 심리스 효과 – 빠른 어드레싱: 큐브 좌표 = 행성 노멀 = normalize(WorldPosition)
- 29. UNREAL SUMMIT 2016 시간 변화 라이팅 처리 • 하루 종일 라이트 – 모든 시간에 영향을 주는 라이트 • 시간 변화 라이트 – 특정 시간대에만 영향을 주는 라이트 – 하루를 12단계로: 0, 2, 4, …, 20, 22시 • 12개의 SH 이래디언스 볼륨 – GMT에 가까운 2개의 캐시에서 라이팅 보간 – 런타임 캐시 업데이트는 없음!
- 30. UNREAL SUMMIT 2016 처리 과정 개요 • 오프라인 – 이래디언스 캐시 배치 – 포톤 이미션 – 이래디언스와 오클루전 계산 • 런타임 – 큐브맵 캐싱 – SH 라이팅
- 31. UNREAL SUMMIT 2016 오프라인: 이래디언스 캐시 배치 • 큐브맵 텍셀 – N x N x 6 – XY 평면 약 50 cm 간격 – Z는 레이 캐스팅으로 지표면을 검출
- 32. UNREAL SUMMIT 2016 오프라인: 이래디언스 캐시 배치 • 캐시마다 고정 높이 – 지형 표면에 약간 띄워서 배치 – 현재 게임 설정 상 월드에 복층 구조나 실내가 없음 – 캐릭터 키가 크거나 공중에 떠 있는 경우에 잘못된 계산 • 멀티플 레이어? – 높이에 따른 변화를 주기 위한 대안 – 아직 계획 없음: 성능과 메모리 문제
- 33. UNREAL SUMMIT 2016 오프라인: 포톤 이미션 • 라이트매스: 포톤 매핑 사용 • 발사한 포톤에 시간 변화 라이트 인덱스를 추가로 저장 • 나머진 변화 없음 class FIrradiancePhotonData { protected: FVector4 PositionAndDirectContribution; FVector4 SurfaceNormalAndIrradiance; int32 TimeOfDayLightIndex; };
- 34. UNREAL SUMMIT 2016 오프라인: 이래디언스 및 오클루전 계산 • 12개의 SH 이래디언스 볼륨 – 포지션, 벤트노멀 및 스카이 오클루전은 공유 – 이래디언스만 다름 • 시간별 이래디언스 계산 – 인다이렉트 포톤 파이널 개더링 • 하루 종일 라이트: 항상 포함 • 시간 변화 라이트: 현재 계산하는 시간에 해당하는 라이트에서 발산된 포톤만 필터링 • 글로벌 스카이 오클루전과 벤트 노멀 계산
- 36. UNREAL SUMMIT 2016 런타임: 큐브맵 캐싱 • 로딩 시 1번만 수행 • CPU 이래디언스 캐시 -> GPU 큐브맵 – half4 텍스처 큐브 어레이 • 2nd Order SH: 3장의 텍스처에 인코딩 (RGB) • 12단계 시간 * 3장 = 36개의 엘리먼트 • 기타: – 벤트 노멀과 스카이 오클루전: 1장 – 이래디언스 평균 색과 디렉셔널 섀도잉: 12장 – 리플렉션 인바이런먼트에 사용
- 37. UNREAL SUMMIT 2016 런타임: SH 라이팅 • 매 프레임 수행 • 텍스처 어드레싱 – 좌표: 행성 노멀 = normalize(WorldPosition) – 어레이 인덱스: 시각 당 3회 (RGB) = 시간 변화 라이트 인덱스 + 12 * {0|1|2} • SH2 디퓨즈 라이팅 – 가까운 2개의 시간에서 라이팅 보간 • 총 6회의 텍스처 큐브 어레이 읽기
- 38. UNREAL SUMMIT 2016 런타임: SH 라이팅
- 39. UNREAL SUMMIT 2016 퍼포먼스 • 라이트 빌드 – 씬에 따라 다름 – 라이트맵보다는 훨씬 빠르지만, 12번의 파이널 개더링의 부담 • 렌더링 – 씬과 무관하게 거의 동일한 비용 • 약 0.4 ms: GTX970 1080p 기준 / 반투명 제외 • 안정된 비주얼 – 심이나 플리커링이 없음 – 캐릭터와 배경에 일관된 룩
- 40. UNREAL SUMMIT 2016 스카이 라이트 Sky Light
- 41. UNREAL SUMMIT 2016 구형 월드 좌표계로 변환 • 구형에선 하늘 벡터가 달라짐 – (0, 0, 1) 아님 – 행성 노멀 = normalize(WorldPosition) • 행성 노멀을 (0, 0, 1) 하늘로 로테이션 – 비싼 ALU float3 TransformVectorToLandsphereSpace(float3 InVector, float3 WorldPosition) { float3 PlanetNormal = normalize(WorldPosition); float3 SkyUp = float3(0, 0, 1); float3 RotationAxis = normalize(cross(PlanetNormal, SkyUp)); float RotationAngle = acos(dot(SkyUp, PlanetNormal)); float3x3 Rotator = RotationMatrixAxisAngle(RotationAxis, RotationAngle); return mul(Rotator, InVector); }
- 42. UNREAL SUMMIT 2016 시간 변화 라이팅 • 아티스트가 손으로 만든 여러 장의 스카이 큐브맵 사용 • 역시 12 단계 • 보간된 라이팅
- 43. UNREAL SUMMIT 2016 스카이 오클루전과 벤트 노멀 • 무버블 스카이 라이트를 쓰되 섀도우 표현 위함 – RGB: 벤트 노멀 – A: 스카이 오클루전 – 시간 변화 없음: R8G8B8A8 1장 • 디퓨즈 라이팅 – 더 넓고 약하게: sqrt • 스페큘러 라이팅 – 더 좁고 강하게: Square Sky Occlusion + Bent Normal
- 44. UNREAL SUMMIT 2016 그림자 안의 그림자 • GI와 스카이 라이팅에 사용 • 태양의 그림자 영역 안에 캐릭터가 있을 때의 룩을 개선하기 위함 – 캡슐 섀도우와 비슷한 목적 • SSR 스타일의 레이 마칭 – 씬 뎁스 기반 트레이싱 – SSAO에 비해 방향성이 있는 그림자 – 전처리나 애셋 세팅 불필요 – NDC 2016 발표 참고
- 45. UNREAL SUMMIT 2016 리플렉션 인바이런먼트 Reflection Environment
- 46. UNREAL SUMMIT 2016 리플렉션 캡쳐 프로브의 배치 • 구 표면 상에 자동으로 균일하게 배치 – 골든 스파이럴 • 수동으로 필요한 곳에 더 배치
- 47. UNREAL SUMMIT 2016 시간 변화 라이팅 • 모든 시간대를 미리 캡쳐 및 필터링하기보다는 리라이팅 – 라이팅 없이 장면을 캡쳐 – 런타임에 꼼수로 리라이팅 • 리라이팅 – 지오메트릭 프로퍼티 • 리라이팅 포지션 = 월드 포지션 + (리플렉션 방향 * 캡쳐 범위 * 스페큘러 오클루전) • 리라이팅 노멀 = normailze(리라이팅 포지션) – 다이렉트 라이팅: 태양과 SH2 디퓨즈 스카이 라이팅 – 인다이렉트 라이팅: 디퍼드 큐빅 이래디언스 캐싱 • RGB: 이래디언스 = GI의 평균 컬러 • A: 디렉셔널 섀도잉 = 다이렉트 라이팅 섀도우 테스트
- 49. UNREAL SUMMIT 2016 볼류메트릭 라이팅 • GI 평균 컬러(이래디언스)는 볼류메트릭 라이팅에도 적용 • 레이 마칭 중에 반영 (고옵) or 마지막에 반영 (저옵)
- 50. UNREAL SUMMIT 2016 요약 • A1은 구형 월드 – 부분적으로 다이나믹 – 시간 변화 라이팅 • 라이팅 요소별 다른 처리 – 디퍼드 큐빅 이래디언스 캐싱 – 리라이팅
- 51. UNREAL SUMMIT 2016 향후 작업 • GI 품질 개선 및 활용 – 2nd Order SH -> 3th Order SH – 레이어드 큐브맵 사용 • GI와 스카이 오클루전에 높이에 따른 변화 반영 – 볼류메트릭 라이팅에 반영
- 52. UNREAL SUMMIT 2016 향후 작업 • 환경 파괴와 변형을 반영 – 여러 버전의 이래디언스 캐시 • 파괴된 버전에 대해 미리 라이트 빌드 • 런타임에 존 단위로 업데이트 • 퀀텀 브레이크와 유사 – 지형 변형을 GI에 반영하지 못하는 한계 • SSGI? – 리플렉션 캡쳐는 부분적으로 리캡쳐
- 53. UNREAL SUMMIT 2016 감사합니다 WE ARE HIRING!