3D 시뮬레이션 엔진 만들기 – Sky (4)

혹시나 했는데 역시나 작심삼일이다.
그래도 돌아왔으니 영 헛짓은 아니었나 보다.

하늘을 표현하는데 있어서 밤하늘을 빼놓을 수는 없다.
여기서 먼저 내가 이 하늘 시뮬레이터를 만들게 된 결정적인 계기가 된 Stellarium을 먼저 살펴보자.

우월한 Stellarium

이 녀석은 모든 별자리와 행성의 위치에 대한 정보를 가지고, 하늘에 일일이 뿌려준다. 게다가 별자리 프로그램 답지않게 낮에도 환상적인 TOD(Time of Day)까지 보여준다.
일출과 일몰을 보고 있노라면 감탄을 금할 길이 없다.
물론 부족한 실력으로 이 우월한 프로그램을 따라잡기에는 무리가 있다.
그저 흉내만 내자.

먼저 SkyDome을 2개로 만든다.
맨 외각의 하늘돔은 우주를 나타내는 별자리 텍스쳐를 쓴다.
그 다음 안쪽의 하늘돔은 앞서 만든 하늘 색을 표현하는 쉐이드를 쓰도록 한다.
이 하늘 색에는 어두워 지면 알파값을 낮춰서 별자리가 드러나도록 한다.
마지막으로 태양의 위치를 옮겨주면서 그에 따라 Scattering 정보를 바꾼다.

동영상을 찍었지만 업로드할 방법이 없어 스크린샷으로 대체한다. 향후에 괜찮은 방법을 찾아서 동영상도 올릴 수 있었으면 한다.

새벽이 오기전 밤하늘

여명 - 서쪽을 보고 있어서 해는 보이지 않음

새벽

정오

황혼에 가까워진 햇님

하늘이 붉어지기 시작

하늘과 땅이 모두 붉어지고 해가 커지면서 좌우로 찌그러짐

여명에 별빛이 천천히 드러나기 시작

다시 밤하늘

3D 시뮬레이션 엔진 만들기 – Sky (3)

어릴적에 태양을 똑바로 쳐다보면 어떻게 될까 궁금했던 적이 있다.

보통은 쳐다보면 눈이 부셔서 바로 눈을 돌리기 마련이지만, 그 궁금함 때문에 꾹 참고 몇초를 바라봤던 적이 있다.

그 궁금함은 이제 풀렸다.

결론적으로, 태양을 똑바로 보면 눈이 나빠진다. 흑.

지금에 와서는 안경을 벗으면 한치 앞만 명확히 보이는 상태다.

정말 한치 앞도 못본다는 속담이 나에게 현실이 될 줄이야!!!

어쨌든, 태양을 바로 바라보면 눈이 부시다.

실제로 눈부심 효과는 많은 구현 방법이 있다.

대표적인 것이 Lens Flare나 Glare 효과를 쓰는 것인데, 여기서는 빛 백터만을 이용해 간단히 구현했다.

	float nearCosTheta = 0.95;
	final_color = color+color*clamp(dot(vec3(0,0,-1),normalize(gl_LightSource[0].position.xyz))*max(0.0,dot(vec3(0,0,-1),normalize(gl_LightSource[0].position.xyz)))-nearCosTheta,0.0,1.0)*10.0*(1.0/(1.0-nearCosTheta));

눈이 바라보는 백터와 빛의 백터의 내적을 구하고, 다시 적정한 각도(nearCosTheta;지금은 약 18도 정도)를 뺀 다음에 곱하게 만들었다.

그 결과를 원래의 색에 더함으로써, 설정한 각도에서 부터 태양에 가까워질 수록 최대 11배까지 강한 빛이 들어오게 된다.

3D 시뮬레이션 엔진 만들기 – Sky (2)

Rayleigh 산란과 Mie 산란을 적용하는데 있어 어려움은 생각보다 많다.

산란 공식은 skydome의 크기, 빛의 위치와 색 등 많은 변수의 영향을 받는다.

그렇기 때문에 산란 공식을 적용하기 위해서는 현재 필요로 하는 환경에 따라 변수를 세팅해놓고, 시간에 맞춰서 산란의 강도만을 조절하는 것이 중요하다.

또한, 정오때 붉은 색을 전혀 볼 수 없는 경우와는 달리, 일출몰일 때 파란 하늘이 완전히 사라지는 것이 아니므로, 이 때는 Mie와 Rayleigh 산란을 적절히 섞어주는 것이 필요하다.

fragment shader에서 사용할 산란을 위한 기본 공식을 올린다. 다시 말하지만, 이 공식을 어떻게 적용하는가는 각자의 환경에 따라 다르다. 많은 테스트가 필요할 것이다.

const vec4 bR = vec4(6.95e-6, 1.18e-5, 2.44e-5,1.0);
const vec4 bM = vec4(4e-7, 6e-7, 2.4e-6,1.0);
const vec4 b = bR+bM;
const float g = 0.0;
const float PI = 3.141592654;

vec4 Fex(float s)
{
	return exp(b * -s);
}

float fR(float cosTheta)
{
	return 3.0/(16.0*PI)*(1.0+cosTheta*cosTheta);
}

float fHG(float cosTheta)
{
	float numerator = 1.0-g;
	float denominator = (4.0*PI*pow(1.0+g*g-2.0*g*cosTheta,1.5));
	return numerator*numerator/denominator;
}

vec4 bSC(float cosTheta)
{
	return bR*fR(cosTheta)+bM*fHG(cosTheta);
}

vec4 L0Fex(float s)
{
	return Esun_0*Fex(s);
}

vec4 Lin(float s, float cosTheta)
{
	return bSC(cosTheta)*Esun_0*(1.0-Fex(s))/b;
}

	vec4 extinction = L0Fex(dist);
	vec4 scattering = Lin(dist, dot(normalize(vec3(normal)),normalize(lightDir)));

3D 시뮬레이션 엔진 만들기 – Sky (1)

첫번째 목표는 하늘 시뮬레이터다.

뭐 거창한 것이 아니라, 단순히 시간(Time of day)에 따라 하늘 색과 태양이 변하게 하는 거다.

사실, Stellarium과 같은 프로그램은 하늘 색을 멋지게 바꿔준다. 하지만, 소스를 살펴봐도 도통 모르겠다.

디비고 파면 모를리야 없겠지만, 별자리 프로그램이라 애초에 코드 대부분이 별자리에 대한 것이고 좌표계 변환으로도 정신이 없다.

하여간 하늘만 따지자면 정말 멋진 프로그램이니 살펴본다고 손해볼 일은 없을 것이다.

어쨌든, 난 내 나름대로 하늘 시뮬레이터를 만들어 보겠다.

일단 필요한 것은 “Rayleigh 산란“과 “Mie 산란“이다.

자세한 이론적인 배경은 잘 모르겠지만, 대충 입자가 작을 때는 Rayleigh 산란을 쓰고, 입자가 크면 Mie 산란을 쓰는 것으로 알고 있다.

Rayleigh 산란을 쓰면 푸르스름한 경관이 만들어지고, Mie 산란을 쓰면 붉고 흰 경관이 만들어진다.

그러므로, 맑은 하늘은 Rayleigh 산란을, 일출몰에는 Mie 산란을 쓰면 되겠다.

Rayleigh 산란을 적용한 결과다. 멀리 있는 지형이 푸른색을 머금은 것을 볼 수 있다.

Mie 산란을 적용한 결과다.  멀리 있는 지형이 푸른색과 붉은 색을 함께 머금은 것을 볼 수 있다.

3D 시뮬레이션 엔진 만들기 – A New Hope

아마도 이번에 시작하는 일도 끝마치지 못하리라 생각한다.

자학은 안하고 싶지만, 내 성격에 절실함이 없이 무슨 일이든 끝맺음을 하기란 정말 어렵기 때문이다.

그래도 작심삼일도 꾸준히 해주는게 안하는 것보다는 좋다고 생각하므로, 기존의 글을 숨기고 다시 시도해본다.

이번에는 3D 시뮬레이션 엔진 만들기다. 게임 엔진이 아니다!

어떤 부분에서는 게임 엔진과 비슷하고 어떤 부분은 많이 다를 것이다.

• 하드웨어나 운영체제에 상관없이 사용할 수 있도록, DirectX기반이 아니라 OpenGL과 GLSL을 기반으로 한다.
• OpenGL중에서도 SceneGraph에 기반을 둔 OpenSceneGraph를 기초로 사용한다.
• 캐릭터의 움직임보다는 자연경관이나 건물을 위주로 다룬다.
• 재미난 효과보다는 자연적인 현상에 대해 다룬다.

이외에도 많은 부분에 대해서 언급해야겠지만, 일단 이 정도로 원칙을 정하도록 한다.