Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
Graphics: 6. Unity로 실습하는 Shader (4) - 퐁 셰이딩(phong shading) [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 21909
글쓴 사람
정성태 (techsharer at outlook.com)
홈페이지
첨부 파일
 
(연관된 글이 1개 있습니다.)
(시리즈 글이 13개 있습니다.)
Graphics: 2. Unity로 실습하는 Shader
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11607

Graphics: 3. Unity로 실습하는 Shader (1) - 컬러 반전 및 상하/좌우 뒤집기
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11608

Graphics: 4. Unity로 실습하는 Shader (2) - 고로 셰이딩(gouraud shading) + 퐁 모델(Phong model)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11609

Graphics: 5. Unity로 실습하는 Shader (3) - 고로 셰이딩(gouraud shading) + 퐁 모델(Phong model) + Texture
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11610

Graphics: 6. Unity로 실습하는 Shader (4) - 퐁 셰이딩(phong shading)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11611

Graphics: 7. Unity로 실습하는 Shader (5) - Flat Shading
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11613

Graphics: 8. Unity Shader - Texture의 UV 좌표에 대응하는 Pixel 좌표
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11614

Graphics: 9. Unity Shader - 전역 변수의 초기화
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11616

Graphics: 10. Unity로 실습하는 Shader (6) - Mosaic Shading
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11619

Graphics: 11. Unity로 실습하는 Shader (7) - Blur (평균값, 가우스, 중간값) 필터
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11620

Graphics: 12. Unity로 실습하는 Shader (8) - 다중 패스(Multi-Pass Shader)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11628

Graphics: 13. Unity로 실습하는 Shader (9) - 투명 배경이 있는 텍스처 입히기
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11631

Graphics: 19. Unity로 실습하는 Shader (10) - 빌보드 구현
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11641




Unity로 실습하는 Shader (4) - 퐁 셰이딩(phong shading)

게임 프로그래머가 아니라서, ^^; 용어가 너무 혼란스럽군요.

'Phong reflection(퐁 반사)' 과 'Phong shading(퐁 쉐이딩)'
; http://puppystep.tistory.com/10 [멍뭉이 발자국]

Phong shading
; https://en.wikipedia.org/wiki/Phong_shading

Phong reflection model
; https://en.wikipedia.org/wiki/Phong_reflection_model

위의 글을 보면, "Ambient" + "Diffuse" + "Specular" 연산을 조합한 것이 "Phone Reflection model(Phong illumination or Phong lighting)"이라고 합니다. 그리고 저것이 pixel shader에서 행해지면 "Phong shading"이라고.

그러니까, 지난번에 작성한 고로 셰이딩이,

Unity로 실습하는 Shader (2) - 고로 셰이딩(gouraud shading) + 퐁 모델(Phong model)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11609

Unity로 실습하는 Shader (3) - 고로 셰이딩(gouraud shading) + 퐁 모델(Phong model) + Texture
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11610

정점(vertex) 단위에서 "Ambient" + "Diffuse" + "Specular" 연산을 조합하긴 했지만 "Phong shading"은 아니고, "퐁 모델"을 따른 것입니다. 그리고, 이번 글에서 설명할 shader는 "고로 셰이딩"에서 했던 로직과 동일하지만 그것을 pixel shader에서 할 것이므로 "Phong shader"가 됩니다. (맞나요? ^^;)




이번에는 지난번에서 다룬 고로 셰이딩과 동일한 로직을 Pixel 단위에서 수행하도록 바꿀 것입니다. 자, 그럼 단계별로 구현해 볼까요? ^^ 우선 기본 shader 코드는 다음에서 시작하겠습니다.

Shader "My/phongShader"
{
    Properties
    {
        _Color("Main Color", Color) = (1.0, 0.0, 0.0, 1.0)
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            float4 _Color;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = _Color;
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

실행해 보면,

phong_light_1.png

좌측부터, 위의 shader로 출력했기 때문에 현재 흰색으로만 나오고, 중간은 정점 단위의 gouraud shader, 우측은 unity의 Default-Material입니다.




계산하는 코드의 위치가 기존 VS(vertex shader)에서 PS(pixel shader)로 넘겨주는 것이니까, normal 정보를 받고 빛의 방향 벡터(lightDir)와, Camera가 향하는 벡터(viewDir) 등을 VS에서 계산하고 출력으로 PS 측에 넘겨 줍니다.

struct appdata
{
    float4 vertex : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
};

struct v2f
{
    float4 vertex : SV_POSITION;
    float3 worldNormal : TEXCOORD0;
    float3 viewDir : TEXCOORD1;
    float3 lightDir : TEXCOORD2;
};

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

    o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

    float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0);
    o.lightDir = lightDir;
    o.viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - o.worldNormal);

    return o;
}

이후, 계산은 pixel shader에서 합니다. 우선, 확산광 먼저 걸어보겠습니다.

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // 확산광
    float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
    float3 lightDir = i.lightDir;
    float3 diffuseReflection = 1.0 * _LightColor0.rgb * saturate(dot(worldNormal, lightDir));

    fixed4 col = _Color * float4(diffuseReflection, 1.0);
    return col;
}

phong_light_2.png

반사광도 추가해 보고,
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // 확산광
    float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
    float3 lightDir = i.lightDir;
    float3 diffuseReflection = 1.0 * _LightColor0.rgb * saturate(dot(worldNormal, lightDir));

    // 반사광
    float3 reflectedDir = reflect(-lightDir, worldNormal);
    float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - worldNormal);
    float reflectIntensity = saturate(dot(reflectedDir, viewDir));

    float n = 4.0;
    reflectIntensity = pow(reflectIntensity, n);
    float3 specularReflection = 1.0 * _LightColor0 * reflectIntensity;

    fixed4 col = _Color * float4(diffuseReflection, 1.0) + float4(specularReflection, 1.0);
    return col;
}

phong_light_3.png

마지막으로 Phong Model 방식의 주변광을 추가합니다.

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // 주변광
    float4 ambientReflection = 1.0 * UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT;

    // 확산광
    float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
    float3 lightDir = i.lightDir;
    float3 diffuseReflection = 1.0 * _LightColor0.rgb * saturate(dot(worldNormal, lightDir));

    // 반사광
    float3 reflectedDir = reflect(-lightDir, worldNormal);
    float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - worldNormal);
    float reflectIntensity = saturate(dot(reflectedDir, viewDir));

    float n = 4.0;
    reflectIntensity = pow(reflectIntensity, n);
    float3 specularReflection = 1.0 * _LightColor0 * reflectIntensity;

    fixed4 col = _Color * float4(ambientReflection + diffuseReflection, 1.0) + float4(specularReflection, 1.0);
	return col;
}

phong_light_4.png

중간 것이 지난번에 만든 Vertex에서 계산한 gouraud shader라고 했는데, 맨 왼쪽의 현재 shader의 출력 결과와 비교해 보면 확실히 명암 경계가 더 부드러운 것을 볼 수 있습니다.

아래는 위에서 실습한 shader의 전체 소스 코드입니다.

Shader "My/phongShader"
{
    Properties
    {
        _Color("Main Color", Color) = (1.0, 0.0, 0.0, 1.0)
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags{ "LightMode" = "ForwardBase" }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            float4 _Color;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD0;
                float3 viewDir : TEXCOORD1;
                float3 lightDir : TEXCOORD2;
            };

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0);
                o.lightDir = lightDir;
                o.viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - o.worldNormal);

                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 주변광
                float4 ambientReflection = 1.0 * UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT;

                // 확산광
                float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                float3 lightDir = i.lightDir;
                float3 diffuseReflection = 1.0 * _LightColor0.rgb * saturate(dot(worldNormal, lightDir));

                // 반사광
                float3 reflectedDir = reflect(-lightDir, worldNormal);
                float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - worldNormal);
                float reflectIntensity = saturate(dot(reflectedDir, viewDir));

                float n = 4.0;
                reflectIntensity = pow(reflectIntensity, n);
                float3 specularReflection = 1.0 * _LightColor0 * reflectIntensity;

                fixed4 col = _Color * float4(ambientReflection + diffuseReflection, 1.0) + float4(specularReflection, 1.0);
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

그렇다면 texture를 적용해 보면 어떨까요? 아래는 위의 소스 코드에서 texture를 입력받아 처리하는 코드가 추가된 것입니다.


Shader "My/phongTextureShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex("Texture", 2D) = "white" {}
        _Ka("Ambient Reflectance", Float) = 1.0
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags{ "LightMode" = "ForwardBase" }

            CGPROGRAM
    #pragma vertex vert
    #pragma fragment frag

    #include "UnityCG.cginc"
    #include "Lighting.cginc"

            uniform float _Ka;
            sampler2D _MainTex;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float3 worldNormal : TEXCOORD1;
                float3 viewDir : TEXCOORD2;
                float3 lightDir : TEXCOORD3;
            };

            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;

                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0);
                o.lightDir = lightDir;
                o.viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - o.worldNormal);

                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                // 주변광
                float4 ambientReflection = 1.0 * UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT;

                // 확산광
                float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                float3 lightDir = i.lightDir;
                float3 diffuseReflection = 1.0 * _LightColor0.rgb * saturate(dot(worldNormal, lightDir));

                // 반사광
                float3 reflectedDir = reflect(-lightDir, worldNormal);
                float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - worldNormal);
                float reflectIntensity = saturate(dot(reflectedDir, viewDir));

                float n = 4.0;
                reflectIntensity = pow(reflectIntensity, n);
                float3 specularReflection = 1.0 * _LightColor0 * reflectIntensity;

                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv); 
                col = col * float4(ambientReflection + diffuseReflection, 1.0) + float4(specularReflection, 1.0);
                return col;
            }

            ENDCG
        }
    }
}

그리고 다음의 그림이 좌측부터 phong shader, vertex 단위의 gouraud shader, texture만 씌운 shader입니다.

phong_light_6.png

texture만 씌운 shader가 약간 밋밋한 정도이고 나머지 2개는 기본 texture 색상이 너무 부각되다 보니 texture가 없을 때와는 달리 특별한 차이가 나지 않습니다.




재미있는 것이 하나 있는데요, pixel shader(frag)에서 넘겨받은 i.worldNormal이 vertex shader 측에서 이미 정규화를 시켰는데도 불구하고 다시 normalize로 정규화를 시켜 주고 있습니다. 이것 때문에 제법 애를 먹었는데요, 만약 이것을 해주지 않으면 출력이 약간... 설명은 좀 그렇고 ^^ 아래의 그림을 보시면 됩니다.

phong_light_5.png

좌측 하단에 하얀색 점이 나오는 거 보이시죠? 저게 다음과 같이 vertex shader에서 넘어온 값을 그대로 사용하면 발생하는 현상입니다.

float3 worldNormal = i.worldNormal;

검색해 보니 아래의 글에 그 해답이 있었습니다.

[포프의 쉐이더 입문강좌] 04. 기초적인 조명쉐이더 Part 3
; https://kblog.popekim.com/2012/01/04-part-3.html

위의 내용을 보면, vertex shader의 출력 데이터가 pixel shader에 전달될 때 보간을 거친다는 것입니다. 사실, 이 때문에 vertex shader에서 빛을 계산하는 코드를 모두 담는 gouraud shader와 이번 글의 shader가 차이점이 나는 것입니다. 그런데, "[포프의 쉐이더 입문강좌] 04. 기초적인 조명쉐이더 Part 3" 글에 보면, vertex shader에서 단위 벡터로 만들었던 것들조차도 보간기를 거치는 동안 그 값이 흐트러질 수 있으므로 다시 정규화를 해야 한다고 나옵니다.

실제로 정규화를 해주면,

float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);

하얀색 점이 더 이상 나타나질 않습니다.




[이 글에 대해서 여러분들과 의견을 공유하고 싶습니다. 틀리거나 미흡한 부분 또는 의문 사항이 있으시면 언제든 댓글 남겨주십시오.]

[연관 글]






[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 7/10/2021]

Creative Commons License
이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 코리아 저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 라이센스에 따라 이용하실 수 있습니다.
by SeongTae Jeong, mailto:techsharer at outlook.com

비밀번호

댓글 작성자
 




... 121  122  123  124  125  126  127  128  [129]  130  131  132  133  134  135  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
1866정성태2/20/201519887오류 유형: 270. "aspnet_regiis -i" 실행 시 0x00000006 오류 해결 방법
1865정성태2/20/201521146.NET Framework: 499. 특정 닷넷 프레임워크 버전 이후부터 제공되는 타입을 사용해야 한다면?
1864정성태2/18/201526096.NET Framework: 498. C#으로 간단하게 만들어 본 ASCII Art 프로그램 [2]파일 다운로드1
1862정성태2/18/201530189.NET Framework: 497. .NET Garbage Collection에 대한 정리 [6]
1861정성태2/18/201525336.NET Framework: 496. 마우스 커서가 놓인 지점의 문자열 얻는 방법 [1]파일 다운로드1
1860정성태2/18/201525288.NET Framework: 495. CorElementType의 요소 값 설명파일 다운로드1
1859정성태2/17/201525745Windows: 106. 컴퓨터를 재부팅하면 절전(Power Saver) 전원 모드로 돌아가는 경우
1858정성태2/16/201535619Windows: 105. 자동으로 로그아웃/잠김 화면 상태로 전환된다면? [2]
1857정성태2/16/201523751.NET Framework: 494. 값(struct) 형식의 제네릭(Generic) 타입이 박싱되는 경우의 메타데이터 토큰 값파일 다운로드1
1856정성태2/15/201522564.NET Framework: 493. TypeRef 메타테이블에 등록되는 타입의 조건파일 다운로드1
1855정성태2/10/201521992개발 환경 구성: 256. WebDAV Redirector - Sysinternals 폴더 연결 시 "The network path was not found" 오류 해결 방법
1854정성태2/10/201522918Windows: 104. 폴더는 삭제할 수 없지만, 그 하위 폴더/파일은 생성/삭제/변경하는 보안 설정
1853정성태2/6/201553419웹: 29. 여신금융협회 웹 사이트의 "Netscape 6.0은 지원하지 않습니다." 오류 메시지 [5]
1852정성태2/5/201523922.NET Framework: 492. .NET CLR Memory 성능 카운터의 의미파일 다운로드1
1851정성태2/5/201524609VC++: 88. 하룻밤의 꿈 - 인텔 하스웰의 TSX Instruction 지원 [2]
1850정성태2/4/201545521Windows: 103. 작업 관리자에서의 "Commit size"가 가리키는 메모리의 의미 [4]
1849정성태2/4/201525054기타: 51. DropBox의 CPU 100% 현상 [1]파일 다운로드1
1848정성태2/4/201520675.NET Framework: 491. 닷넷 Generic 타입의 메타 데이터 토큰 값 알아내는 방법 [2]
1847정성태2/3/201524038기타: 50. C# - 윈도우에서 dropbox 동기화 폴더 경로 및 종료하는 방법
1846정성태2/2/201533202Windows: 102. 제어판의 프로그램 추가/삭제 항목을 수동으로 실행하고 싶다면? [1]
1845정성태1/26/201534322Windows: 101. 제어판의 "Windows 자격 증명 관리(Manage your credentials)"를 금지시키는 방법
1844정성태1/26/201531922오류 유형: 269. USB 메모리의 용량이 비정상적으로 보여진다면? [7]
1843정성태1/24/201523083VC++: 87. 무시할 수 없는 Visual C++ 런타임 함수 성능
1842정성태1/23/201546153개발 환경 구성: 255. 노트북 키보드에 없는 BREAK 키를 다른 키로 대체하는 방법
1841정성태1/21/201520544오류 유형: 268. Win32 핸들 관련 CLR4 보안 오류 사례
1840정성태1/8/201528918오류 유형: 267. Visual Studio - CodeLens 사용 시 CPU 100% 현상
... 121  122  123  124  125  126  127  128  [129]  130  131  132  133  134  135  ...