Normal Map

작성 : 카이젤블루

먼저 노멀맵은 최근에, 게임 쪽에서 실시간 처리를 목적으로 나온 기술이고요.
현재는 ZBrush를 위시한 Sculpture 모델링 기법의 대중화를 앞당겨 준 기술이라고 할 수 있겠습니다.

노멀맵을 이해하기 위해서는 그 이전에 나와있던 것들을 일단 들여다 볼 필요가 있는데요.
이미 많이들 알고 계실 범프(Bump) 맵과 디스플레이스먼트(Displacement) 맵이 있었습니다.

이 세가지 기술들은 모두, 조금이라도 적은, 또는 한정된 폴리곤 자원으로, 보다 사실적인 디테일을 표현하기 위해서 맵핑 기법으로 폴리곤 오브젝트의 위상에 변화를 주는 것인데요.

범프맵은 거의 대부분 그레이 스케일이나 흑백의 단순 계조 맵으로, 굴곡이 없는 표면(Face)에 복잡한 형상이나 무늬의 굴곡이 있는 것처럼 보이게끔 만들어줍니다. 실제 오브젝트에는 아무런 변화를 주지 않고, 맵핑으로 눈속임을 하는 것이죠.

그래서 실제로 모델링을 해주기에는 까다로운 조밀한 무늬나 복잡한 그림 형상, 또는 중심 시선에서 벗어나 있지만, 디테일이 그래도 필요한 부분들에 적절하게 쓰여왔습니다.

그러나, 이렇게 편리할 것만 같은 범프맵도 치명적인 약점이 있습니다.
범프맵의 수직 벡터 방향이라고 해야 하나요?
그 각도에서 많이 벗어나는 카메라 앵글에 범프맵이 쓰인 부분이 명확하게 잡힌다면...
그 어색함이 여지없이 드러나게 됩니다. Paper Craft 인형들처럼, 그림(맵)을 발라 붙여놓은 것처럼, 그대로 드러나게 되죠.
요컨데, 굴곡처럼 보이던 것이 사실은 평면이었다는 눈속임이 들통나게 되는 것이죠.
게다가 범프맵은 사실은 맵핑이기때문에, 씬의 라이트 값에 영향을 받지 않습니다.
사실상 디퓨즈(Diffuse) 맵과 다를 바가 없다고 봐도 되는 것이죠.
(물론 범프맵 자체는 디퓨즈 맵에 영향을 줍니다. 그래야 오브젝트의 위상에 변화가 있는 것처럼 보이니까요. 실제 범프맵의 원리입니다.)

이 범프맵의 약점을 대체하기 위해 나온 것이, 디스플레이스먼트 맵입니다.
이 맵핑의 가장 큰 특징은 뭐냐면, 바로 실제 오브젝트의 위상 변화에 영향을 준다는 것이죠.
앞서 나온 범프맵은 어떠했습니까?
실제 오브젝트에는 전혀 영향을 주지 않기 때문에 약간의 예외적인 상황이 발생하더라도, 바로 표시가 나버립니다.
하지만, 디스플레이스먼트 맵은 말씀드린 것처럼 실제 오브젝트의 위상 자체에 변화를 주기 때문에,
카메라 앵글이건, 씬의 라이트 영향이건 모두 실제적으로 작용을 합니다.
실제로 모델링이 그대로 이루어진 것과 거의 차이가 없죠.



그러나, 여기서 또 새로운 문제점에 직면하게 됩니다.
디스플레이스먼트 맵은 바로 그 실제 오브젝트의 위상에 작용한다는 장점이 오히려 독이 되어버립니다.
시스템 리소스, 즉 자원을 너무 많이 소비한다는 것이죠.
물론 실제로 모델링이 이루어진 것과는 차이가 존재하지만, 그 차이는 미미한 수준이라고 할까요?
크게 효율을 못 보는 방법이 되어버린 것입니다.

이 다음에 등장한 기술이라는 것이 바로 노멀맵입니다.
이 기술은 앞서 언급한 두가지 맵핑 기법을 적절하게 혼합하여 나온 발상이라고 볼 수 있겠습니다.

3D에서 노멀(Normal)이라는 것은 오브젝트의 표면, 즉 Face 의 방향이라고 이해하시면 됩니다.
(더 하위 단위인 Edge 나, NURBS 의 Curve 도 노멀 방향이 존재합니다만, 여기서는 참고만 하시기 바랍니다.)

노멀맵이라는 것은, 바로 이 면(Face)의 벡터 방향을 맵핑 정보값으로 입력받음으로써, 오브젝트의 위상 변형을 주는 기법입니다.
범프나, 디스플레이스먼트 맵은 대부분 단일 채널의 Gray Scale, 즉 회색 계조맵을 사용하여, 디스플레이스먼트 맵의 경우, 맵의 해상도와 Depth 값으로만 입력을 받죠.
반면, 노멀맵은 맵의 해상도와 함께, RGB, 3개 채널로 Curvature 와 Tangent 값, 즉 곡면을 해석하여 해당 오브젝트의 위상에 변형을 가해줍니다.



다시 말해서, 맵핑의 대상이 되는 Base Mesh 오브젝트를 기준으로, 맵의 해상도로 Dot Matrix 를 펼쳐서, Red, Green, BLue, 3개 채널로 3D Coordinate Axis 의 X, Y, Z 와 흡사하게, 입력을 받는 것입니다.

이 기술의 대중화로 인해서, 그동안 대두됐던 문제점들은 일거에 해결됨과 동시에, 게임과 같은 한정된 폴리곤 자원에서도 상당히 놀라운 디테일 묘사와 표현 능력이 가능해졌습니다.

id 소프트웨어의 Doom 3 와 Epic Games 의 Gears of War 는 가장 대표적인 작품들입니다.


Doom 3 - id 소프트웨어



Gears of War - Epic Games

그리고 이 기술 덕분에 Sculpture 모델링 방식이 대중화 되었고, ZBrush 라는 놀라운 도구도 등장하게 되었다고 할 수 있습니다.