Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
Graphics: 19. Unity로 실습하는 Shader (10) - 빌보드 구현 [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 26100
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 (10) - 빌보드 구현

지난번에 만든 shader에 이어서 살펴보겠습니다.

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

위의 작업에 따라 Unity 세계에 배치한 나무 한 그루가 있을 때 카메라를 움직여 나무가 위치한 곳의 옆으로 이동해 보겠습니다. 이를 위해 Unity에서 화살표 키를 이용해 카메라를 움직일 수 있도록 다음과 같은 작업을 해둡니다.

C# - Unity에서 캐릭터가 바라보는 방향을 기준으로 카메라의 위치 이동 및 회전하는 방법
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11632

따라서, 카메라를 적절하게 나무 옆으로 이동해 바라보면,

billboard_0.png

나무가 얇은 판 위에 그려진 것에 불과하기 때문에 다음과 같이 보이게 됩니다.

billboard_1.png

이럴 때, 만약 Plane 3D 객체를 카메라 방향으로 회전시켜주면 어떨까요?

billboard_2.png

그럼, 사용자가 y-축을 기준으로 x-z 평면에서 카메라를 이리저리 돌리며 봐도 다음과 같이 나무로 볼 수 있게 됩니다.

billboard_3.png

바로 이렇게 구현한 객체를 "빌보드(billboard)"라고 합니다.




그럼, 이 빌보드를 shader로 구현해 볼까요? ^^

어차피, x-z 평면에서 돌아다니는 거라면 y-축에 대해 카메라와 물체가 이루는 각을 구하고 그만큼 회전을 시켜주면 됩니다. 3차원 상에서의 두 점이 이루는 각은 이미 다음의 글에서 아크탄젠트를 이용해 구하는 방법을 설명했습니다.

3D 공간에서 두 점이 이루는 각도 구하기
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11636

그리고 shader 내에서 World Matrix를 구하는 것도 설명했으니,

Unity - shader의 World matrix(unity_ObjectToWorld)를 수작업으로 구성
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11633

Unity - World matrix(unity_ObjectToWorld)로부터 TRS(이동/회전/크기) 행렬로 복원하는 방법
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11637

Unity - World matrix(unity_ObjectToWorld)로부터 Position, Rotation, Scale 값을 복원하는 방법
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11640

이것을 이용하면 다음과 같이 shader 코드를 작성할 수 있습니다.

v2f vert(appdata v)
{
    v2f o;

    float4x4 scaleMatrix; // Scale 행렬

    vector sx = vector(unity_ObjectToWorld._m00, unity_ObjectToWorld._m10, unity_ObjectToWorld._m20, 0);
    vector sy = vector(unity_ObjectToWorld._m01, unity_ObjectToWorld._m11, unity_ObjectToWorld._m21, 0);
    vector sz = vector(unity_ObjectToWorld._m02, unity_ObjectToWorld._m12, unity_ObjectToWorld._m22, 0);

    float scaleX = length(sx);
    float scaleY = length(sy);
    float scaleZ = length(sz);

    scaleMatrix[0] = float4(scaleX, 0, 0, 0);
    scaleMatrix[1] = float4(0, scaleY, 0, 0);
    scaleMatrix[2] = float4(0, 0, scaleZ, 0);
    scaleMatrix[3] = float4(0, 0, 0, 1);

    float4 pos = v.vertex;

    float4 worldPos = float4(mul(unity_ObjectToWorld, float4(0, 0, 0, 1)).xyz, 0);
    float4 cameraPos = float4(_WorldSpaceCameraPos.xyz, 0);

    vector cameraDir = cameraPos - worldPos;

    float xAngle = atan2(cameraDir.z, cameraDir.y);
    float yAngle = atan2(cameraDir.z, cameraDir.x);
    float zAngle = atan2(cameraDir.x, cameraDir.y);

    xAngle = -radians(90);
    yAngle = -(radians(90) + yAngle);
    zAngle = 0;

    float4x4 rotationMatrix = GetRotationMatrix(xAngle, yAngle, 0);

    float4x4 moveMatrix;
    moveMatrix[0] = float4(1, 0, 0, unity_ObjectToWorld._m03);
    moveMatrix[1] = float4(0, 1, 0, unity_ObjectToWorld._m13);
    moveMatrix[2] = float4(0, 0, 1, unity_ObjectToWorld._m23);
    moveMatrix[3] = float4(0, 0, 0, 1);

    float4x4 transformMatrix = mul(mul(moveMatrix, rotationMatrix), scaleMatrix);

    pos = mul(transformMatrix, pos);

    o.pos = mul(UNITY_MATRIX_VP, pos);
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);

    return o;
}

지난 글과 달라진 점은, rotationMatrix를 Unity 에디터의 Transform에서 설정한 값을 쓰지 않고 직접 설정했다는 점입니다.

float4 pos = v.vertex;

float4 worldPos = float4(mul(unity_ObjectToWorld, float4(0, 0, 0, 1)).xyz, 0);
float4 cameraPos = float4(_WorldSpaceCameraPos.xyz, 0);

vector cameraDir = cameraPos - worldPos;

float xAngle = atan2(cameraDir.z, cameraDir.y);
float yAngle = atan2(cameraDir.z, cameraDir.x);
float zAngle = atan2(cameraDir.x, cameraDir.y);

xAngle = -radians(90);
yAngle = -(radians(90) + yAngle);
zAngle = 0;

float4x4 rotationMatrix = GetRotationMatrix(xAngle, yAngle, 0);

왜냐하면, 보통 빌보드로 사용될 mesh는 Plane 객체이기 때문이고 이 객체는 생성 시 x-z 평면 상에 누워있기 때문입니다. 따라서, 이 Plane 객체를 세우기 위해 xAngle은 무조건 -90도를 설정했습니다.

xAngle = -radians(90);

y-축의 변화는 카메라와 물체가 이루는 각에 따라 달라지므로 두 점 간의 각도를 구하고 이에 따라 반응하도록 yAngle을 설정합니다.

yAngle = -(radians(90) + yAngle);

마지막으로 z-축은 빌보드가 어차피 3차원 이미지를 렌더링하는 용도는 아니므로 x-z 평면 상에서만 잘 동작하면 되기 때문에 0으로 설정합니다.

(첨부 파일은 빌보드 구현 shader 전체 코드입니다.)




shader뿐만 아니라 C# 스크립트로도 빌보드를 구현할 수 있습니다. 나무 객체에 스크립트를 얹고 카메라가 있는 방향으로 회전을 시켜주면 되는데, 다음의 글은 이에 대해 설명하고 있습니다.

유니티3D, 게임 오브젝트를 특정 대상을 바라보게 하기
; http://legacy.tistory.com/81

처음부터 만들어 볼까요? ^^

우선, Plane 3D 객체를 놓고 texture를 보여줄 수 있는 shader를 얹으면 지난 글에 설명한 것처럼 바닥에 누워있는 평면이 생깁니다. 어차피 스크립트를 통해 회전시킬 것이기 때문에 이번에는 지난번처럼 material의 Texture 설정이나 x-축을 기준으로 한 회전을 미리 해둘 필요가 없습니다. 그다음 아래의 스크립트를 적용하면,

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class rotatePlane : MonoBehaviour
{
    public Transform Camera;

    void Start()
    {
    }

    void Update()
    {
        if (Camera != null)
        {
            this.transform.LookAt(Camera);
        }
    }
}

여전히 누워 있는 상태는 변함이 없지만 이번에는 지난 글과는 다르게 누워 있는 나무의 방향이 반대입니다.

[그림: 좌측 - LookAt 적용 후, 우측 - LookAt 적용 전]
billboard_4.png

이 때문에 나무를 세우기 위해서 전에는 -90도를 했지만, 이번에는 +90도를 하면 됩니다.

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class rotatePlane : MonoBehaviour
{
    public Transform Camera;

    void Start()
    {
    }

    void Update()
    {
        if (Camera != null)
        {
            this.transform.LookAt(Camera);
            this.transform.Rotate(Vector3.right * 90);
        }
    }
}

이렇게 하고 실행하면 마치 달이 지구를 바라보듯이 해당 물체는 카메라의 움직임에 따라 언제나 보이는 위치로 회전을 하게 됩니다. 위의 방법에서는 z-축을 기반으로 xy 평면 상에서 카메라를 움직여도 나무가 서 있는 효과가 납니다. 하지만 그렇다고 해서 이것이 2차원 평면이 가진 빌보드의 제약을 해결한 것은 아닙니다. 일례로, y-축으로 카메라를 이동해 하늘에서 바닥을 내려다본다고 했을 때 나무가 도로와 수직으로 서 있는 모습이 아닌, 도로와 평행으로 깔려 있는 모습으로 렌더링되기 때문입니다. 게다가, y-축의 정점을 지나는 경우 나무가 거꾸로 회전하는 변화도 거슬립니다. 결국, 빌보드는 모든 3차원 공간에서의 카메라 이동 용으로는 부적합하다는 것을 인정해야 합니다.




검색해 보면, 빌보드를 색다른 방식으로 구현한 shader 소스 코드를 찾을 수 있습니다.

kaiware007/billboard.shader 
; https://gist.github.com/kaiware007/8ebad2d28638ff83b6b74970a4f70c9a

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

    // billboard mesh towards camera
    float3 vpos = mul((float3x3)unity_ObjectToWorld, v.vertex.xyz);

    float4 worldCoord = float4(unity_ObjectToWorld._m03, unity_ObjectToWorld._m13, unity_ObjectToWorld._m23, 1);
    float4 viewPos = mul(UNITY_MATRIX_V, worldCoord) + float4(vpos, 0);
    float4 outPos = mul(UNITY_MATRIX_P, viewPos);

    o.pos = outPos;

    UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
    return o;
}

분석해 보면 이렇습니다. 아래의 연산을 통해 Unity Editor의 Inspector 창에 설정된 Rotation, Scale 관련한 행렬을 분리해,

float3x3 rsMatrix = (float3x3)unity_ObjectToWorld;

현재 vertex의 xyz 값을 곱하면서 위치 이동 없이 회전과 크기만 변한 상태의 vertex 위치를 구해둡니다.

float3 vpos = mul(rsMatrix, v.vertex.xyz);

그다음 unity_ObjectToWorld로부터 Position 좌표를 가져오고 있지만,

float4 worldCoord = float4(unity_ObjectToWorld._m03, unity_ObjectToWorld._m13, unity_ObjectToWorld._m23, 1);

사실 위의 코드는 다음과 같이 풀어서 이해할 수 있습니다.

float4x4 worldMatrix;
worldMatrix[0] = float4(1, 0, 0, unity_ObjectToWorld._m03);
worldMatrix[1] = float4(0, 1, 0, unity_ObjectToWorld._m13);
worldMatrix[2] = float4(0, 0, 1, unity_ObjectToWorld._m23);
worldMatrix[3] = float4(0, 0, 0, 1);

float4 objectCenterPosition = float4(0, 0, 0, 1);           // 모델의 중심 값을 기준으로,
float4 worldCoord = mul(worldMatrix, objectCenterPosition); // 위치 이동한 좌표를 구하고,

즉, 모델의 중심 좌표에 대해 World 좌표계에 이동한 위치를 구한 것입니다. 이렇게 위치 이동한 것을 카메라 좌표계 기준으로 옮겨 준 다음,

float4 viewCenterPos = mul(UNITY_MATRIX_V, worldCoord);

카메라 좌표계에서의 중심점을 기준으로 회전/크기 변경된 vertex의 위치를 오프셋 연산합니다.

float4 viewPos = viewCenterPos + float4(vpos, 0);

따라서, 원래 Unity Editor의 Scene 화면에서 보이는 모습 그대로 카메라의 이동에 관계없이 그대로 보이게 되는 것입니다. 마지막으로 2차원 화면에 투영해 주는 것으로 끝!

float4 outPos = mul(UNITY_MATRIX_P, viewPos);

따라서 이 방법은 카메라의 좌표에 따라 회전하지 않기 때문에 스크립트로 LookAt + Rotate한 것과 비교해 다른 동작을 합니다. 아래의 화면을 보면,

billboard_5.png

좌측의 나무는 shader에서 한 것으로 카메라 위치가 바뀌어도 한결같이 정면을 바라보며 있습니다. 하지만 우측의 나무는 LookAt + Rotate한 것이기 때문에 회전을 하게 되고 나무의 밑동을 보면 방향을 틀은 것을 볼 수 있습니다. 실제로 2개의 방식을 혼용하면 이질적으로 동작하므로 하나로 통일하는 것이 좋습니다.




참고로, shader의 내장 변수 중 UNITY_MATRIX_IT_MV의 구성이 재미있습니다.

Built-in shader variables
; https://docs.unity3d.com/Manual/SL-UnityShaderVariables.html

UNITY_MATRIX_IT_MV - Inverse transpose of model * view matrix.

이 행렬로부터 카메라의 Up 벡터와 카메라의 시선이 향하는 방향 벡터를 다음과 같이 구할 수 있습니다.

Camera Up vector in vertex shader.
; https://forum.unity.com/threads/camera-up-vector-in-vertex-shader.144635/

float3 upvec = UNITY_MATRIX_IT_MV[1].xyz;
float3 viewDir = UNITY_MATRIX_IT_MV[2].xyz;




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

[연관 글]






[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 8/3/2018]

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
 



2024-07-30 08시45분
빌보드(Billboard)를 만들어 봅시다 1부. 변환 행렬의 비밀
; https://chulin28ho.tistory.com/863

빌보드(Billboard)를 만들어 봅시다 2부. 이제 진짜 만들어 봅시다
; https://chulin28ho.tistory.com/864

빌보드(Billboard)를 만들어 봅시다 3부. 마무리해 봅시다 / HLSL버전
; https://chulin28ho.tistory.com/865
정성태

... 121  122  123  124  125  126  127  128  129  130  131  [132]  133  134  135  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
1756정성태9/23/201427486기타: 48. NVidia 제품의 과다한 디스크 사용 [2]
1755정성태9/22/201434280오류 유형: 241. Unity Web Player를 설치해도 여전히 설치하라는 화면이 나오는 경우 [4]
1754정성태9/22/201424641VC++: 80. 내 컴퓨터에서 C++ AMP 코드가 실행이 될까요? [1]
1753정성태9/22/201420610오류 유형: 240. Lync로 세미나 참여 시 소리만 들리지 않는 경우 [1]
1752정성태9/21/201441071Windows: 100. 윈도우 8 - RDP 연결을 이용해 VNC처럼 사용자 로그온 화면을 공유하는 방법 [5]
1751정성태9/20/201438943.NET Framework: 464. 프로세스 간 통신 시 소켓 필요 없이 간단하게 Pipe를 열어 통신하는 방법 [1]파일 다운로드1
1750정성태9/20/201423832.NET Framework: 463. PInvoke 호출을 이용한 비동기 파일 작업파일 다운로드1
1749정성태9/20/201423732.NET Framework: 462. 커널 객체를 위한 null DACL 생성 방법파일 다운로드1
1748정성태9/19/201425384개발 환경 구성: 238. [Synergy] 여러 컴퓨터에서 키보드, 마우스 공유
1747정성태9/19/201428472오류 유형: 239. psexec 실행 오류 - The system cannot find the file specified.
1746정성태9/18/201426105.NET Framework: 461. .NET EXE 파일을 닷넷 프레임워크 버전에 상관없이 실행할 수 있을까요? - 두 번째 이야기 [6]파일 다운로드1
1745정성태9/17/201423035개발 환경 구성: 237. 리눅스 Integration Services 버전 업그레이드 하는 방법 [1]
1744정성태9/17/201431062.NET Framework: 460. GetTickCount / GetTickCount64와 0x7FFE0000 주솟값 [4]파일 다운로드1
1743정성태9/16/201420985오류 유형: 238. 설치 오류 - Failed to get size of pseudo bundle
1742정성태8/27/201426971개발 환경 구성: 236. Hyper-V에 설치한 리눅스 VM의 VHD 크기 늘리는 방법 [2]
1741정성태8/26/201421334.NET Framework: 459. GetModuleHandleEx로 알아보는 .NET 메서드의 DLL 모듈 관계파일 다운로드1
1740정성태8/25/201432508.NET Framework: 458. 닷넷 GC가 순환 참조를 해제할 수 있을까요? [2]파일 다운로드1
1739정성태8/24/201426538.NET Framework: 457. 교착상태(Dead-lock) 해결 방법 - Lock Leveling [2]파일 다운로드1
1738정성태8/23/201422047.NET Framework: 456. C# - CAS를 이용한 Lock 래퍼 클래스파일 다운로드1
1737정성태8/20/201419765VS.NET IDE: 93. Visual Studio 2013 동기화 문제
1736정성태8/19/201425576VC++: 79. [부연] CAS Lock 알고리즘은 과연 빠른가? [2]파일 다운로드1
1735정성태8/19/201418199.NET Framework: 455. 닷넷 사용자 정의 예외 클래스의 최소 구현 코드 - 두 번째 이야기
1734정성태8/13/201419860오류 유형: 237. Windows Media Player cannot access the file. The file might be in use, you might not have access to the computer where the file is stored, or your proxy settings might not be correct.
1733정성태8/13/201426362.NET Framework: 454. EmptyWorkingSet Win32 API를 사용하는 C# 예제파일 다운로드1
1732정성태8/13/201434476Windows: 99. INetCache 폴더가 다르게 보이는 이유
1731정성태8/11/201427081개발 환경 구성: 235. 점(.)으로 시작하는 파일명을 탐색기에서 만드는 방법
... 121  122  123  124  125  126  127  128  129  130  131  [132]  133  134  135  ...