PBR 렌더링: 언리얼 엔진에서 빛과 재질을 이해하는 기본

3D 모델링을 마친 뒤에도 결과물이 플라스틱처럼 보이거나, 조명이 어색하게 느껴지는 경우가 많다.
이때 문제는 모델링 자체보다 재질과 빛을 계산하는 방식에 있을 수 있다.

이번 포스트에서는 렌더링의 기본 개념부터 PBR, 직접광과 간접광, Ray Tracing과 Path Tracing의 차이, 그리고 재질 표현에 영향을 주는 Roughness·Metallic·Fresnel 개념까지 정리했다.

언리얼 엔진에서 씬을 만들기 시작하면 카메라와 조명을 먼저 다루게 되지만, 결국 화면의 설득력은 빛과 재질이 어떻게 반응하는지 이해하는 데서 나온다.

 

렌더링 & 렌더러

렌더링은 3D 공간 안에 배치된 모델, 재질, 조명, 카메라 정보를 계산해 2D 이미지나 영상으로 출력하는 과정이다.

우리가 언리얼 엔진 뷰포트에서 보는 화면도 실시간 렌더링 결과이며, Movie Render Queue로 출력하는 이미지나 영상도 렌더링 결과다.

반면 렌더러는 이 계산을 수행하는 시스템이다.
언리얼 엔진의 실시간 렌더링 기능, Path Tracer, Arnold, Redshift처럼 장면을 계산해 결과물을 만드는 도구나 엔진을 렌더러라고 볼 수 있다.

처음에는 렌더링과 렌더러를 같은 의미처럼 느끼기 쉽지만, 렌더링은 과정이고 렌더러는 그 과정을 수행하는 시스템이라는 차이가 있다.

 

PBR

PBR은 Physically Based Rendering, 즉 물리 기반 렌더링의 약자다.

다만 PBR은 특정 프로그램이나 특정 렌더러의 이름이 아니다.
현실의 빛이 표면에서 반사되고 흩어지는 방식을 기준으로 재질을 만들기 위한 워크플로우에 가깝다.

언리얼 엔진의 머티리얼에서는 Base Color, Roughness, Metallic, Specular 같은 값을 통해 재질을 구성한다.
이 값들은 조명 환경이 달라져도 재질이 일정한 성질을 유지하도록 돕는다.

실제로 재질 작업을 해보면 색상보다 Roughness 하나가 화면의 인상을 더 크게 바꾸는 경우가 많다.

 

직접광 & 간접광

직접광은 Directional Light, Point Light, Spot Light처럼 광원에서 표면으로 바로 닿는 빛이다.

반대로 간접광은 빛이 벽, 바닥, 천장 등에 한 번 이상 반사된 뒤 다른 표면에 도달하는 빛이다.
빨간 벽 옆의 흰 물체가 약간 붉게 보이는 Color Bleeding도 간접광의 영향이다.

직접광만 있는 씬은 물체의 형태를 빠르게 보여주기 좋지만, 공간이 평면적이거나 인위적으로 느껴질 수 있다.
반사광과 주변광이 더해져야 물체와 공간이 자연스럽게 연결된다.

빛을 하나 더 추가하기 전에, 현재 화면이 직접광 부족인지 간접광 부족인지부터 판단하는 습관이 중요하다.

 

Ray Tracing & Path Tracing

Ray Tracing은 광선의 경로를 추적하는 렌더링 기법이다.
그림자, 반사, 굴절, 간접광 같은 효과를 계산할 때 활용할 수 있다.

언리얼 엔진에서는 실시간 렌더링 환경에서 래스터라이징 기반 화면에 광선 추적 기능을 일부 결합해 반사나 그림자 표현을 보강할 수 있다.
게임이나 실시간 프리뷰처럼 빠른 반응이 필요한 환경에 적합하다.

Path Tracing은 빛이 여러 표면을 반사하고 굴절하는 경로를 반복해서 계산해 보다 물리적으로 정확한 결과를 만드는 방식이다.
고품질 정지 이미지나 시네마틱 출력에 강점이 있지만, 샘플이 누적될수록 시간이 필요하다.

Path Tracing은 화면이 예쁘게 보이는 기능이라기보다, 시간을 더 사용해서 빛의 상호작용을 더 정확하게 계산하는 방식이라고 이해하는 편이 좋다.

 

Roughness & Microfacet

현실의 표면은 완전히 매끈하지 않다.
사포, 아스팔트, 나무, 플라스틱, 금속에는 눈에 잘 보이지 않는 작은 요철이 존재한다.

PBR에서는 이런 작은 표면 구조를 Microfacet, 즉 미세면 개념으로 설명한다.

Roughness 값이 낮으면 표면이 매끈해 반사가 선명하게 보인다.
반대로 Roughness 값이 높으면 빛이 여러 방향으로 퍼지며 반사가 흐릿해지고 무광에 가까워진다.

• 거울, 물, 광택 있는 금속: 낮은 Roughness
• 종이, 콘크리트, 천, 사포: 높은 Roughness
• 오래된 금속, 지문 묻은 플라스틱: 영역별 Roughness 변화 필요

같은 재질도 표면 전체가 균일하면 오히려 인공적으로 보인다.
먼지, 마모, 손이 닿는 부분처럼 작은 변화가 들어가면 재질이 훨씬 설득력 있어진다.

 

Metallic & 금속 재질

Metallic은 재질이 금속인지 비금속인지를 구분하는 값이다.

일반적인 PBR 워크플로우에서는 비금속 재질을 0, 금속 재질을 1로 두는 것이 기본이다.
나무, 플라스틱, 고무, 피부, 천은 비금속에 가깝고, 철, 구리, 알루미늄, 금, 은은 금속에 해당한다.

중간값은 아무 재질에나 넣는 값이 아니다.
녹슨 철, 도장이 벗겨진 금속, 금속과 플라스틱이 섞인 표면처럼 실제로 재질이 섞여 있는 영역에 사용해야 자연스럽다.

금속처럼 보이게 만들기 위해 Metallic만 올리는 것보다, 주변 환경이 반사될 수 있도록 조명과 Roughness를 함께 조절하는 편이 더 중요하다.

 

Anisotropy & 이방성

Anisotropy는 반사가 한 방향으로 길게 늘어나는 성질이다.

브러시드 메탈, 엘리베이터 철문, CD, 헤어라인 금속, 머리카락처럼 표면 결이 일정한 방향을 가진 재질에서 자주 보인다.

일반적인 금속은 빛이 비교적 고르게 반사되지만, 이방성이 있는 금속은 결 방향을 따라 하이라이트가 길게 퍼진다.

금속 재질은 무조건 강하게 반짝이게 만드는 것보다, 표면 결의 방향과 Roughness 변화를 먼저 보는 편이 훨씬 현실적으로 느껴진다.

 

Fresnel 효과

Fresnel 효과는 표면을 정면에서 볼 때보다 비스듬한 각도에서 볼수록 반사가 강해지는 현상이다.

물 표면을 위에서 내려다볼 때보다 멀리서 비스듬히 바라볼 때 하늘이 더 강하게 비치는 이유도 Fresnel 효과와 관련이 있다.

컵의 테두리, 자동차 도장면의 가장자리, 유리창, 물체 외곽선이 유난히 반짝여 보이는 장면에서도 이 효과를 확인할 수 있다.

Fresnel은 단순히 광택을 늘리는 값이 아니라, 카메라 각도와 표면 반사의 관계를 보여주는 개념이다.

 

PBR 재질 작업 체크리스트

• 이 재질은 금속인가, 비금속인가?
• 표면은 매끈한가, 거친가?
• 손때나 먼지, 마모가 생길 만한 부분은 어디인가?
• 반사는 모든 방향으로 퍼지는가, 특정 방향으로 늘어나는가?
• 조명 환경이 바뀌어도 재질의 성질이 유지되는가?
• 카메라 가장자리에서 Fresnel 반사가 자연스럽게 보이는가?

PBR을 이해하면 재질을 "색칠하는 작업"이 아니라, 빛에 반응하는 표면을 설계하는 작업으로 보게 된다.

 

렌더링과 PBR을 이해하면 재질 작업이 단순히 표면을 꾸미는 일이 아니라, 빛과 표면의 관계를 설계하는 과정으로 보이기 시작한다.
처음에는 용어가 많아 복잡하게 느껴질 수 있지만, 실제로는 화면이 왜 어색한지 판단하는 기준을 하나씩 익혀가는 과정에 가깝다.
씬을 만들 때 조명과 재질이 따로 노는 느낌이 들었다면, 이번 개념들을 기준으로 다시 화면을 보면 훨씬 정리된 시선으로 작업할 수 있다.