게임 속 현실 같은 조명의 비밀 IBL 동작 원리 알아보기

게임 그래픽을 공부하다 보면 IBL이라는 용어를 자주 접하게 됩니다. 처음에는 이 개념이 조금 낯설고 어렵게 느껴질 수 있습니다. 하지만 원리를 하나씩 뜯어보면 정말 흥미로운 기술입니다. IBL은 조명 계산 하나로 끝나는 것이 아닙니다.

오히려 여러 역할이 나뉜 상태로 움직이는 기술이라고 봐야 합니다. 크게 세 가지 파트가 서로 협력하며 화면을 만듭니다. 표면에 부드럽게 스며드는 빛과 반짝이는 반사를 따로 처리하죠.

IBL을 구성하는 세 가지 요소

그리고 이 둘을 현실적인 방식으로 섞어주는 계산표가 있습니다. 이런 방식 덕분에 재질 표현이 아주 훌륭해집니다. 예쁜 반사만 만드는 것이 아닙니다. 재질이 가진 성격을 설득력 있게 보여줍니다.

자, 그럼 각 요소가 어떤 역할을 하는지 살펴볼까요? 가장 먼저 Diffuse IBL에 대해 이야기해 보겠습니다. 이것은 표면에서 사방으로 흩어지는 빛을 담당합니다.

은은하게 퍼지는 빛의 마법 Diffuse IBL

난반사라는 용어를 들어보셨을 겁니다. 빛이 표면에 닿은 뒤 한 방향으로 튀지 않는 현상입니다. 여러 방향으로 부드럽게 흩어지는 것을 말하죠. 거울처럼 반짝이지 않는 벽이나 천을 떠올리면 이해가 쉽습니다.

이때 이레디언스 맵(Irradiance Map)이라는 것을 사용합니다. 이것은 환경 맵을 아주 뿌옇게 흐린 이미지라고 보시면 됩니다. 주변 환경의 전체적인 색과 밝기만 남긴 상태입니다. 날카로운 디테일은 모두 제거된 빛의 지도인 셈이죠.

공간의 분위기를 만드는 간접광

덕분에 물체는 특정 방향에서 강한 빛을 받지 않아도 됩니다. 대신 공간 전체의 분위기를 은은하게 받아들이게 되죠. 다크 소울 같은 게임의 어두운 성 내부를 한번 떠올려보세요.

횃불이 직접 닿지 않는 벽도 완전히 까맣지는 않습니다. 주변 돌벽의 색을 머금은 채 어둡게 보입니다. 이런 느낌이 바로 Diffuse IBL이 만들어내는 간접광 효과입니다.

반사를 담당하는 Specular IBL

다음은 표면의 거울 반사 성분을 담당하는 Specular IBL입니다. 빛이 닿았을 때 비교적 일정한 방향으로 반사되는 현상입니다. 금속이나 물, 유리 같은 재질이 대표적이죠. 여기서 러프니스(Roughness)라는 개념을 알아야 합니다.

이는 표면이 얼마나 거친지를 나타내는 값입니다. 표면이 매끈할수록 반사는 선명하고 또렷해집니다. 반대로 거칠수록 반사가 흐릿하고 퍼져 보이죠. 프로그래머는 이 차이를 표현하기 위해 특별한 맵을 씁니다.

거칠기에 따라 달라지는 반사 표현

바로 프리필터드 환경 맵(Prefiltered Environment Map)입니다. 환경 맵을 여러 단계로 미리 흐려 둔 이미지 묶음이라 생각하면 됩니다. 표면이 매끈하면 선명한 맵을 사용합니다. 거칠면 더 많이 블러 처리된 맵을 가져다 씁니다.

고스트 오브 쓰시마에서 햇빛 아래의 칼날을 보면 이해가 빠릅니다. 날이 잘 선 부분은 하늘과 풍경이 또렷이 비칩니다. 반면 사용감이 있는 부분은 반사가 흐릿하게 퍼지죠. 이런 미묘한 차이가 Specular IBL의 힘입니다.

현실적인 빛의 조합 BRDF 룩업 테이블

마지막으로 등장하는 것이 BRDF 룩업 테이블(BRDF Lookup Table)입니다. BRDF는 빛이 표면에 닿았을 때 반사되는 방식을 수학적으로 정의한 모델입니다. 여기에는 프레넬 효과 같은 복잡한 요소들이 들어갑니다. 시선 각도에 따라 반사 강도가 달라지는 현상이죠.

이 계산을 매 순간 새로 하면 성능에 부담이 큽니다. 그래서 PBR에서는 이 결과를 미리 표로 만들어 둡니다. 화면에서는 이 표를 참조해 빠르게 계산을 마칩니다. 덕분에 반사의 세기와 변화가 매우 자연스럽습니다.