[그래픽스] PBR(Physically Based Rendering) : 빛의 물리 기반 렌더링의 이해

 

0. 블린-퐁(Blinn-Phong)의 한계

 
Blinn-Phong 셰이딩 이전에도 BRDF 와 같은 빛이 어떻게 반사하는지에 대한 이론은 존재했었다..
 
하지만, 그 당시는 그래픽 카드는 실시간으로 이론을 적용하기는 성능 부족했었고 
경험적 셰이딩 모델 (Blinn-Phong 계열)은 근사화된 알고리즘으로 실시간으로 적합했기 때문에, 경험적 셰이딩 모델이 주로 사용되었었다.

• 하지만 Blinn-Phong은 물리 법칙 기반이 아니라, 아티스트/개발자가 보기 좋게 만든 근사 모델이다.
• 반사율, 프레넬, 금속/비금속 구분, 에너지 보존 등 핵심 물리 특성이 없어서, 툴이나 엔진마다 재질 표현이 달라 재질 호환성이 거의 불가능한 단점이 있다

반면 PBR은 빛과 물질의 물리적 상호작용을 기반으로 해서, 일관된 재질 표현과 현실감 있는 조명을 구현할 수 있다.
 
 
 

0-1. PBR (Physically Based Rendering) 이란?

PBR은 현실 세계의 빛(Light)과 재질(Material)의 상호작용을 기반으로, 사실적인 그래픽을 만드는 렌더링 방식

 
기존의 Blinn-Phong이나 Lambert 같은 경험적(heuristic) 셰이딩 모델이 “보기에 그럴싸하게” 빛을 계산했다면,
PBR은 빛의 물리적 법칙을 최대한 반영해 계산한다.
 
즉, 조명(Light)rhk 재질(Material) 사이의 관계를 실제 물리 기반으로 정의해서, 다양한 환경에서 일관된 결과를 얻는 것을 목표로 한다. 
 
 
 

1. 빛의 본질 : 파동+입자 

( 빛은 파동이자 입자이다. )
 

1-1. 빛의 파동 특성

빛은 전자기파(Electromagnetic Wave)로, 전기장(E)과 자기장(B)이 서로를 만들어내며 파동처럼 퍼져나간다. 

 
파동 특성으로 인해,
빛은 간섭(Interference), 회절(Diffraction), 반사(Reflection), 굴절(Refraction), 편광(Polarization), 산란(Scattering) 등.. 다양한 현상을 보인다. 
 
 

1-2. 빛의 입자 특성 

빛은 광자(photon)라는 에너지를 가진 최소 단위로 행동한다
광자는 물질과 상호작용하며 원자에 에너지를 전달한다. 

 
물질 종류(금속, 비금속)에 따라 광자의 에너지 반응이 달라진다.
이것은 PBR에서 금속성과 비금속의 차이를 설명하는 핵심..! 
 
 
 
 

2. 가시광선과 색

빛은 다양한 파장을 가진 전자기파이며, 사람 눈에 보이는 영역을 가시광선이라고 한다. 

• 여러 파장이 합쳐져 혼합된 색을 만들며, 디스플레이 장치는 가시광선 영역만 방출한다.
• 눈으로 들어온 빛은 일부 흡수되고, 일부는 반사/투과되어 시신경과 상호작용 → 우리가 색을 인식

즉, 색상은 빛-물질 상호작용의 결과이다. 
 
 
 

3. 반사와 굴절

3-1. 정반사(Specular) / 난반사(Diffuse)

반사란, 빛이 투과하지 않은 완전히 반사된 빛을 의미한다.

• 정반사(Specular Reflection): 표면이 매끄러울 때 빛이 한 방향으로 반사 (입사각=반사각)
• 난반사(Diffuse Reflection): 표면이 거칠면 빛이 여러 방향으로 퍼짐 (여러 방향의 반사각)

(참고) 빛이 투과하지 않은 완전히 반사된 빛.
즉, 표면 아래 들어갔다가 산란되어 나온 것과는 다름. (Diffuse ≠ Surface Scattering)

 
 
 

3-2. 굴절 : 스넬의 법칙과 IOR(굴절율) 

빛이 다른 매질로 이동하면 굴절율에 따라 속도와 방향이 변한다.

• 굴절율이 존재하는 투명-반투명 PBR 이라면 구현할 특성으로 
• 실제 각도를 구하려면 스넬의 법칙을 사용한다.

 

3-2-1. 스넬의 법칙

빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 굴절되는 각도를 계산하는 법칙

 

빛이 매질 1에서 매질 2로 들어갈 때, 입사각과 굴절각 사이에는 다음 관계가 있다. 

• n1 ,n2 : 각 매질의 굴절율
• θ1 : 입사각 (법선과 입사광 사이의 각도)
• θ2 : 굴절각 (법선과 굴절광 사이의 각도)

즉, 입사각과 굴절각, 매질의 굴절률이 서로 연관되어 있다는 뜻..! 
 
굴절율은 다음과 같다. 

c : 진공에서의 빛의 속도 , v : 매질에서의 빛의 속도

즉, 굴절율 IOR = c / v

 
 
 

4. 프레넬 현상

(프레넬 방정식 어려우므로,, 추후 근사식 활용할 예정. 일단 프레넬 현상이 무엇인지만 알고 넘어가자)

빛의 입사각에 따라 반사율이 달라지는 현상 

 
즉, 입사광과 표면 법선(normal) 사이의 각도(즉, 입사각)가 클수록

• 반사광(Reflectance)은 커지고 
• 굴절광(Transmittance, 투과광)은 작아진다 

입사광과 법선의 각도가 작을수록  (빛이 표면에 거의 수직으로 들어오는 상황)

• 반사광은 작아지고 
• 굴절광은 커진다 

(즉, 빛과 표면의 각도, 재질 특성에 따라 반사량이 달라진다는 것이 핵심.) 
 
 
 

5. 금속 / 비금속의 에너지 반응 

( 지금까지 위 내용들은 빛의 파동적 특성과 관련된 이야기 였다면, 지금부터는 빛의 입자적 특성과 관련 있는 내용. )
 

• 광자(Photon) : 빛의 작은 알갱이, 에너지 덩어리
• 전자(Electron) : 원자 안에서 돌아다니는 작은 입자, 전기 신호나 빛과 반응 가능

광자가 전자와 만나면 에너지가 전달되는데, 이때 일어나는 반응이 바로 "광자-전자 반응"이다.
 

5-1. 비금속

5-1-1. 비금속의 광자-전자 상호작용

• 비금속 전자는 대부분 원자에 묶여 있는 전자 (결합 전자)
• 광자가 전자에 부딪히면:
  1. 일부 에너지를 흡수 → 전자가 잠시 높은 에너지 상태로 이동
  2. 다시 원래 자리로 돌아오면서 → 흡수 되지 않은 에너지를 전자가 다시 방출

흡수된 빛 → 열 등으로 변환, 눈에 보이지 않음

방출된 빛 → 내부 산란 + 표면에서 반사되어 외부로 나옴 => 우리가 보는 색상 

 

즉, 비금속의 색은 “흡수되지 않은 빛의 스펙트럼”에 의해 결정됨
 

예시로 빨간 사과는 초록(G),파랑(B) 빛을 흡수하고 빨강 빛(R)을 산란/반사 하기 때문에,
빨갛게 보이는 것. 

 
 

5-1-2. 비금속: 내부 투과 + 산란 (+ 흡수)

1. 입사광의 약 4%만 표면에서 바로 반사 (극 일부만 반사)
2. 나머지 빛은 내부로 들어가 굴절 + 산란 + 흡수
3. 최종적으로 눈에 들어오는 빛 = 반사광 + 산란광
4. 흡수된 에너지는 열로 변환됨 

즉, 비금속은 빛 대부분이 내부로 스며들고, 색상은 흡수되지 않은 빛으로 결정됨. → 부드러운 색상과 질감 표현 가능.
 

참고로, PBR에서 말하는 diffuse가 바로 이 과정을 의미. 

 
 
 

5-2. 금속

5-2-1. 금속의 광자-전자 상호작용

금속은 비금속과 전자 상태가 완전히 다름.

• 금속은 자유전자(Free Electron)가 매우 많음
  • 원자에 묶여 있지 않고 금속 전체를 자유롭게 떠다님

• 광자가 금속 표면에 오면: 
  • 자유전자들이 광자의 에너지를 거의 즉시 받아들임
  • 이 에너지는 빛으로 다시 반사되거나
  • 흡수되어 열로 변환 (눈에 보이지X)

 
 

5-2-2. 금속: 표면 반사 (+ 흡수)

 
금속은 PBR에서 다음 특성을 가짐:
 
1. 내부 diffuse 없음

• 비금속과 달리 금속 내부로 빛이 깊게 들어가지 않음 (금속은 자유전자가 많아서)
• 따라서 diffuse = 0

 

2. 반사가 매우 강함 

• 자유전자가 광자의 에너지를 받아 다시 빛으로 반사
• 거칠기가 낮을수록 → 표면 반사가 깨끗한 거울처럼 보임
• 거칠기가 높을수록 → 난반사처럼 흐려짐

 

3. 금속의 고유 색(Metallic Color)의 물리적 원리 

금속은 특정 파장대를 강하게 흡수하고,
흡수되지 않은 파장대는 자유전자 반응에 의해 강하게 반사된다.

 

즉, 흡수되지 않고 살아남은 파장들 → 금속 고유 색상을 이룸

(이 반사파의 스펙트럼 특성이 금속의 색을 결정하는 것)

 

(예시) 
금 → 파란 빛 흡수 → 노란/붉은 빛 반사
구리 → 초록/파랑 흡수 → 붉은색 반사
철/알루미늄 → 특정 파장 거의 흡수하지 않음 → 회백색 반사

 
 

즉, 금속은 거의 전부가 반사 이고, 비금속은 거의 전부가 diffuse 이다. 

 
 

5-3. 에너지 보존 관점

5-3-1. 블린-퐁과 에너지 보존

• Blinn-Phong은 경험적 모델이라 에너지 보존 법칙을 따르지 않는다.
  • 즉, 계산된 반사광 + 산란광의 총량이 실제 입사광보다 많아질 수도 있음
  • 현실 물리와 맞지 않지만, 성능과 직관적 표현에 초점을 둔 것. 

5-3-2. PBR과 에너지 보존

• PBR은 현실 물리 기반이기 때문에 에너지 보존 법칙을 준수한다. (당연한 이야기)
  • 입사광의 총 에너지는 반사 + 투과 + 흡수 + 산란으로 분배되며, 초과하지 않음
  • 금속/비금속, 거칠기, 프레넬 효과 등을 적용해 실제 물리적 반응에 가까운 결과를 만들어낸다.

즉, 빛의 입자적 특성을 고려한 PBR에서는 “입사광 = 분배된 반사+투과+흡수 에너지” (즉, 에너지 보존) 을
항상 유지하도록 모델링한다.

 
 
길게 이야기 했지만, 정리하자면 간단하다.

항목	비금속	금속
전자	결합 전자 → 대부분 움직이지 못함	자유 전자 → 표면에서 즉시 반사
빛 반사	표면에서 약간만 반사	대부분 반사
내부 투과	가능 → 산란, 흡수	거의 없음
색상 결정	흡수되지 않은 빛	반사된 빛
에너지 변환	일부 → 열	일부 → 열

 
 
 
 

6. 금속/비금속 반사율 표

물질	종류	반사율	특징
은 (Silver)	금속	0.95 이상	매우 높은 반사율을 가짐. 금속 표면은 빛을 효율적으로 반사.
알루미늄 (Aluminum)	금속	0.8 - 0.9	빛을 잘 반사하며, 광택이 있음. 매우 부드러운 표면에서 효율적인 반사 발생.
금 (Gold)	금속	0.85 - 0.88	특유의 황금빛 광택을 가지며, 적색 파장대에서 더 강한 반사를 보임.
철 (Iron)	금속	0.5 - 0.7	상대적으로 낮은 반사율을 보이며, 표면이 거칠면 반사율이 더욱 낮아짐.
검은 천 (Black Cloth)	비금속	0.03 - 0.05	매우 낮은 반사율을 가지며, 대부분의 빛을 흡수함.
유리 (Glass)	비금속	0.04 - 0.08	빛을 일부 반사하고, 대부분 투과됨. 표면 거칠기에 따라 반사율이 달라짐.
플라스틱 (Plastic)	비금속	0.1 - 0.4	표면에 따라 달라지며, 주로 투명하거나 반투명한 물질. 반사율이 낮고 빛을 많이 투과.
물 (Water)	비금속	0.02 - 0.03	매우 낮은 반사율을 가짐. 주로 투명하며 빛을 흡수하는 경향이 있음.

 
 
 
 

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1. 빛의 파동적 특성

• 가시광선과 색: 파장 차이에 따른 색 구분, 간섭/회절 등 파동적 현상
• 반사와 굴절: 파동의 속도 변화와 스넬 법칙, 표면에서 방향 변화
• 프레넬 현상: 입사각에 따라 반사/투과 비율이 달라지는 현상, 파동의 연속성 기반

즉, 이 세 가지는 모두 빛이 파동으로서 물질과 상호작용하는 방식을 설명
 
 
2. 빛의 입자적 특성

• 금속/비금속의 에너지 반응:
  • 광자 단위로 물질과 에너지를 주고받음
  • 반사, 흡수(열), 산란, 투과 등 실제 에너지 분배
  • PBR에서 강조하는 에너지 보존과 직결

즉, 금속/비금속 반응은 빛이 입자로서 물질과 상호작용하는 현상을 다루는 부분