Unity에 동적 조명을 적용한 Global Illumination 구현

구현 결과

• 저 영상에서 GI을 제외한 라이팅은 Directional Light 하나가 전부입니다.

• Directional Light가 향하는 방향으로 GI Diffuse가 동적으로 변하고 있습니다.

• Directional Light가 향하는 방향으로 GI Reflection 역시 동적으로 변하고 있습니다.

• 중간에 위치한 작은 구가 섹션을 이동할 때 마다 각 섹션에 맞는 GI 값을 적용받고 있습니다.

• 유니티 URP에서 커스텀 된 G-Buffer가 구워진 상태로 돌아가기 때문에 GI 연산이 타 GI 기술에 비해 상대적으로 매우 가볍습니다.

어쩌다 이걸 유니티에…?

어떻게 구현할지 구상하기

• GI 정보를 저장할 G-Buffer
• albedo 텍스처
• normal 텍스처

• 쉐이더
• G-Buffer 굽기용 (사전에 구워두며, 런타임에는 사용하지 않습니다)
• G-Buffer 라이팅 계산용 (Probe에서 계산)
• 계산된 GI 최종 렌더링용 (GI가 적용되는 모든 렌더링 객체에서 계산)

• 스크립트
• G-Buffer 굽기용 (사전에 구워두며, Editor에서 작동)
• G-Buffer 라이팅 계산용 (Probe에서 계산)
• 계산된 GI 최종 렌더링용 (주변 Probe를 파악하여 최종적으로 GI를 계산)

G-Buffer를 어떻게 사용할까?

G-Buffer 구현

• 6면의 FOV를 90도로 설정하여 정사각형으로 촬영한 후, 6개의 텍스처로 저장한다.

• Equirectangular 맵으로 저장한다.

• 텍스처 6개보다 1개를 유니폼으로 전달하는 것이 더 효율적이다.

• 런타임 중 큐브맵에서 Equirectangular 맵으로의 변환은 시간이 걸리지만, 사전에 구워두면 이 문제를 피할 수 있다.

// Albedo 텍스쳐 렌더링을 위한 Pass
Pass {
    Name "Albedo"
    
    [...] // 상세 내용 생략
    
    // -------------------------------------
    // Includes
    #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/UnlitInput.hlsl"
    #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/UnlitForwardPass.hlsl"
    ENDHLSL
}

// Normal 텍스쳐 렌더링을 위한 Pass
Pass {
    Name "Normal"
    
    [...] // 상세 내용 생략
    
    // -------------------------------------
    // Includes
    #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitInput.hlsl"
    #include "DeferredReflectionNormal.hlsl"
    ENDHLSL
}

[...] // 상세 내용 생략

// 기존 월드 노멀로 바꿔주는 코드
float3 normalWS = TransformTangentToWorld(
													normalTS,
													half3x3(input.tangentWS.xyz, bitangent.xyz, input.normalWS.xyz)
													);
													
normalWS = PackingNormal(NormalizeNormalPerPixel(normalWS));

// 노멀값을 패킹하는 함수
half3 PackingNormal(const half3 n) {
    return n * 0.5 + 0.5;
}

G-Buffer를 이용한 환경광 Relighting

[...] // 기존 PBR 픽셀 쉐이더가 진행 됨

half strength = 1.5; // 라이팅 가중치
half4 color = half4(0.); // 최종 렌더링 값

Light mainLight = GetMainLight();
float3 normal = tex2D(_NormalMap, input.localTexcoord) * 2. - 1.;
float3 n = normalize(normal); // 노멀값 추출 (월드 좌표의 노멀값이기 때문에 그대로 사용)
float diffuse = dot(n, mainLight.direction) * 0.5 + 0.5;
diffuse = ease_in_quad(diffuse); // Diffuse 계산
half3 albedo = brdfData.diffuse;
half3 bakedGI = SampleSH(n); // 기존 URP에서 사용하는 환경광 데이터

[...] // 기존 데이터에서 추가적인 보정을 진행

// 최종 환경광 값을 적용
color.rgb = (diffuse * mainLight.color * strength + bakedGI) * albedo;

return color;

Probe를 통해 오브젝트 렌더링

// 기존 노멀값을 equirectangular 좌표계로 변환하는 함수입니다
float2 NormalToUV(float3 normal) {
		// 유니티식 노멀값을 equirectangular 좌표계에 연동하기 위해 일부 데이터를 스왑
    normal = float3(normal.z, normal.y, -normal.x);
    // equirectangular 좌표로 변환
    float lon = atan2(normal.z, normal.x);
    float lat = acos(normal.y / length(normal));
    
    // equirectangular 좌표를 UV로 전환
    float u = (lon + 3.14159265359) / (2.0 * 3.14159265359);
    float v = 1. - lat / 3.14159265359; // v는 거꾸로 있어야 함
    
    return float2(u, v);
}

// 계산된 환경광을 들고오는 함수입니다.
half4 GetEnvColor(const half2 uv, const float lod) {
    return SAMPLE_TEXTURE2D_LOD(_Reflection, sampler_Reflection, uv, lod).rgba;
}

half2 diffuse_uv = NormalToUV(normalWS);
half3 r = float3(normalWS.x, normalWS.y, normalWS.z);
r = reflect(-inputData.viewDirectionWS, r);
half2 reflect_uv = NormalToUV(r);

...

half4 drDiffuse = GetEnvColor(diffuse_uv, 6);
half4 drReflection = GetEnvColor(reflect_uv, (1. - surfaceData.smoothness) * 7);
half NdotL = saturate(pow(dot(normalWS, -inputData.viewDirectionWS) * 0.5 + 0.5, 0.5 - surfaceData.metallic));
drReflection.rgb = pow(drReflection.rgb, 1) * (NdotL);
...

💡

참고로 제작 예제로 사용한 배경은 (회사 프로젝트는 공개할 수 없기 때문에) 제가 영상 CG제작을 위해 만들고 배치했던 레벨입니다. 관련 영상은 아래에서 확인하실 수 있습니다! 많관부!

성능 테스트?

웹 데모 체험하기

Unity WebGL Player | DeferredReflectionDemo

https://ounols.github.io/Deferred-Reflection-Demo

정리

• 기존 Unity의 Directional Light 하나만으로 동적 GI 효과를 구현했습니다.

• 실시간으로 변화하는 라이팅을 위해 Reflection Probe 대신 커스텀 솔루션을 개발했습니다.

• 쉐이더 코드를 수정하여 diffuse와 reflection을 계산하고 적용했습니다.

• 성능 테스트를 위해 WebGL 데모를 제작하여 다양한 플랫폼에서의 동작을 확인할 수 있게 했습니다.