메시 디스턴스 필드

언리얼 엔진 4 (UE4) 는 디스턴스 필드 를 활용하여 게임의 스태틱 메시 액터에 대한 다이내믹 앰비언트 오클루전이나 섀도잉을 처리합니다. 그에 더해 액터의 메시 디스턴스 필드 표현은 GPU 파티클 콜리전과 같은 다른 피처나 심지어 머티리얼 에디터에서 다이내믹 플로 맵과 같은 것들을 만드는 데도 사용할 수 있습니다.

여기서는 UE4 에서의 메시 디스턴스 필드 작동 방식 및 게임에서 사용할 수 있는 방법 몇 가지를 알 수 있습니다.

작동 방식

스태틱 메시의 표면을 표현하기 위해 Signed Distance Field (부호화 디스턴스 필드, SDF) 를 사용합니다. 가장 가까운 표면까지의 거리를 볼륨 텍스처에 저장하는 식으로 작동합니다. 메시 외부에 있는 모든 점은 양수 거리로 간주하고 메시 안에 있는 점은 음수 거리를 저장합니다. 아래 예제에서는, 양수 거리를 트레이싱 및 저장하여 나중에 나무를 표현하는 데 사용하고 있습니다.

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SDF 를 유용하게 만드는 첫 번째 속성은, 근처 표면까지의 거리를 이미 알고있기 때문에 레이 트레이싱을 할 때 빈 공간을 안전하게 건너뛸 수 있다는 점입니다 (이를 구체(Sphere) 트레이싱이라고도 합니다). 그 덕에 교차를 더욱 간단히 알아낼 수 있습니다. 디스턴스 필드를 레이 트레이싱하면, 가시성 결과가 나오는데, 그렇다는 것은 광선이 메시에 교차하면, 라이트가 그림자에 그림자를 드리운다는 뜻입니다.

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SDF 를 유용하게 만드는 두 번째 속성은, 레이 트레이싱을 할 때, 오브젝트 차폐로 인해 광선이 통과한 가장 가까운 거리를 트래킹하는 것으로, 별도의 비용 없이 원뿔 교차 추정을 계산해낼 수 있다는 점입니다. 이 추정치를 통해 디스턴스 필드를 사용하는 스카이 오클루전이나 매우 부드러운 에어리어 섀도같은 것이 가능합니다. 이 속성은 디스턴스 필드 앰비언트 오클루전 같은 피처의 핵심적인 부분인데, 소수의 원뿔로 한 수신 지점의 전체 반구에 대한 부드러운 가시성 계산이 가능하기 때문입니다.

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라이팅에 디스턴스 필드를 사용하는 방법 관련 자세한 내용은 원문을 참고하세요.

씬 표현

생성하는 각 레벨은 배치한 액터의 모든 메시 디스턴스 필드로 구성됩니다. 메시 디스턴스 필드를 생성할 때, 결과를 볼륨 텍스처에 저장하는 트라이앵글 레이트레이싱을 사용하여 "오프라인" 생성합니다. 그때문에 디스턴스 필드는 실행시간에 생성할 수 없습니다. 이 메서드는 모든 방향의 부호화 디스턴스 필드 광선을 계산하여 가장 가까운 표면을 찾아 그 정보를 저장합니다.

뷰포트에서 표시 > 시각화 > Mesh Distance Fields (메시 디스턴스 필드)를 사용하여 씬을 표현하는 메시 디스턴스 필드 시각화를 볼 수 있습니다.

시각화 활성화 메뉴	메시 디스턴스 필드 시각화

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회색보다는 흰색에 가까운 영역이 보이면, 메시 표면의 교차를 찾아내는 데 몇 단계가 더 필요하다는 뜻입니다. 표면 지표각에 가까운 광선은 교차를 알아내는 데 단순한 메시보다 여러 단계가 더 필요했습니다.

퀄리티

메시 디스턴스 필드 표현의 퀄리티는 볼륨 텍스처 해상도로 제어합니다. 이는 스태틱 메시 에디터 의 빌드 세팅 중 Distance Field Resolution Scale (디스턴스 필드 스케일) 이라는 옵션으로 가능합니다.

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메시 디스턴스 필드 퀄리티는 크기가 비슷한 메시로 구성된 레벨에서 가장 좋은데, 커다란 메시는 오차가 발생하는 경향이 있기 때문입니다. 예를 들어 포트나이트 의 메시는 그리드에 맞는 형태이거나 레벨 일부에 배치된 소품이므로, 오차가 적은 최고의 결과를 냅니다. 랜드스케이프는 하이트 필드 로 별도 처리하며 디스턴스 필드 해상도에 영향받지 않습니다.

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메시 디스턴스 필드의 해상도는 중요한 특징을 살리기 충분할 만큼 조정해야 합니다. 메시 해상도를 높이면 메시 디스턴스 필드가 차지하는 메모리 양도 늘어납니다. 스태틱 메시 에디터의 뷰포트 좌상단에서 메시 디스턴스 필드 크기를 볼 수 있습니다.

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메시 디스턴스 필드를 생성할 때, 모서리 부분은 해상도에 따라 다듬습니다. 해상도를 높여 상쇄할 수 있는 부분이지만, 대부분의 경우 메시의 복잡도에 따라 문제가 되지는 않습니다. 하나의 메시가 가질 수 있는 볼륨 텍스처 최대 크기는 128x128x128 해상도로 8 메가바이트 입니다.

얇은 표면의 경우, 메시 안쪽은 음수 텍셀로만 표현할 수 있는데, 루트를 찾기 위해서는 필수입니다. 해상도를 높이면 여기서 큰 디테일을 정확히 잡아낼 수 있지만, 디스턴스 필드 앰비언트 오클루전 을 사용하여 표면이 제대로 표현되지 않을 경우만 그렇게 하는 것이 좋습니다. 표먼보다 먼 부분의 오클루전은 정확해서, 스카이 오클루전에는 거의 눈에 띄지 않습니다.

글로벌 디스턴스 필드

글로벌 디스턴스 필드는 레벨에서 카메라를 따라다니는 도중 부호화 디스턴스 필드 오클루전을 사용하는 저해상도 디스턴스 필드입니다. 오브젝트 단위로 메시 디스턴스 필드 캐시를 생성하여 카메라를 중심으로 한 소수의 볼륨 텍스처에 합성해 넣습니다. 이를 클립맵이라 합니다. 새롭게 보이는 영역 또는 씬 변경에 영향받은 부분만 업데이트가 필요하므로, 합성 비용은 많이 들지 않습니다.

오브젝트 디스턴스 필드의 저해상도라는 것은 모든 것에 사용할 수는 있지만, 스카이 오클루전에 대한 원뿔 트레이스를 계산할 때는 셰이딩이 일어나는 지점 근처에서 샘플링을 하는 반면 글로벌 디스턴스 필드는 샘플링을 더욱 멀리서 합니다.

뷰포트에서 표시 > 시각화 > Global Distance Field (글로벌 디스턴스 필드)로 시각화해 볼 수 있습니다.

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아래는 오브젝트 별 메시 디스턴스 필드 시각화와 글로벌 디스턴스 필드 시각화를 비교하여 카메라 시야와 거리에 따라 클립맵 속에 합쳐 넣은 것입니다.

자세한 정보는, 디스턴스 필드 앰비언트 오클루전 문서를 참고하세요.

폴리지

폴리지 애셋 역시 디스턴스 필드를 활용하여 다이내믹 오클루전을 표현하거나 심지어 캐스케이드 섀도 맵이 커버할 수 있는 거리 이상의 섀도잉도 가능합니다.

아래는 게임에서 폴리지 옵션을 사용할 때 최고의 퍼포먼스와 퀄리티를 내기 위해 고려해야하는 몇 가지 옵션입니다.

양면 디스턴스 필드

밀도가 높은 (나무같은) 메시에는 보통 잎이나 줄기에 있는 많은 구멍 표면을 위해 마스크 머티리얼로 구성된 표면이 있는데, 이는 입체 표면으로는 제대로 표현할 수 없습니다. 그런 이유로, 스태틱 메시 에디터 에서 빌드 세팅 중 Two-Sided Distance Field Generation (양면 디스턴스 필드 생성) 옵션이 있습니다. 이 옵션은 폴리지에 좋지만 광선 진행(ray march) 비용이 높아집니다.

이 예제에서, 왼쪽의 나무는 기본 불투명 메시 디스턴스 필드 표현을 사용하고 있습니다. 오른쪽의 것은 Two-Sided Distance Field Generation (양면 디스턴스 필드 생성) 옵션을 켠 것입니다. 양면 메시 디스턴스 필드가 회색이라기 보단 흰색에 가깝고 표면이 반투명인 것이 보일 것입니다. 즉 불투명한 것보다 볼륨 텍스처를 생성할 때 메시의 교차 부분을 찾기 위해 필요한 단계 수가 많으며 비용도 높아진다는 뜻입니다.

폴리지 툴 세팅

폴리지 툴 에서, 앰비언트 오클루전과 섀도잉에 대해 디스턴스 필드 라이팅 피처를 사용하고자 하는 폴리지 유형 각각을 켜줘야 합니다. 기본적으로 이 세팅은 꺼져있는데, (그래스 같은) 일부 폴리지 애셋은 인스턴스 수가 수천 수만에 달해 타일 컬링 버퍼에 오버플로를 발생시킬 것이기 때문입니다. 그러면 보기 안좋은 부작용이 생깁니다. 그러므로 꼭 필요한 폴리지 애셋에 대해서만 Affect Distance Field Lighting (디스턴스 필드 라이팅에 영향) 옵션을 켜야 합니다.

디스턴스 필드 활성화

프로젝트에 메시 디스턴스 필드를 켜는 방법은, 편집 > 프로젝트 세팅 에서 Rendering (렌더링) 섹션으로 갑니다.

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Lighting (라이팅) 카테고리 아래, Generate Mesh Distance Fields (메시 디스턴스 필드 생성) 옆 박스를 체크합니다.

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이 옵션을 켜면, 프로젝트를 재시작하라는 창이 뜹니다.

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다음 번 프로젝트가 로드될 때, 우하단 구석에 메시 디스턴스 필드가 생성중이라는 팝업 창이 뜹니다.

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완료되면, 뷰포트에서 표시 > 시각화 > Mesh Distance Fields (메시 디스턴스 필드)를 클릭하여 메시 디스턴스 필드를 시각화해 볼 수 있습니다. 다음과 같은 화면일 것입니다.

이 레벨 전체는 볼륨 텍스처에 저장된 인스턴스드 디스턴스 필드로 표현되었습니다.

메모리 사용량 및 최적화

• r.AOListMeshDistanceFields 는 메모리 크기별로 정렬하여 출력 로그에 메시 디스턴스 필드 메모리를 덤핑합니다. 콘텐츠 최적화에 좋습니다.

• 프로젝트 세팅 > Rendering (렌더링) 에서 다음 옵션을 켭니다:

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* Compress Mesh Distance Fields (메시 디스턴스 필드 압축)을 켜면 디스턴스 필드 볼륨 텍스처를 메모리에 압축 저장합니다. 메모리 사용량이 줄지만, 레벨 스트리밍을 사용하는 경우 이 레벨을 스트림 인 할 때 버벅임이 발생할 것입니다.

* Eight Bit Mesh Distance Fields (8비트 메시 디스턴스 필드)를 켜면 디스턴스 필드 볼륨 텍스처를 기본 16비트 부동 소수점이 아닌 8비트 고정 소수점 포맷으로 저장합니다. 기존에 비해 메모리 사용량이 절반으로 줄지만 크거나 얇은 메시에 부작용이 생길 수 있습니다.

• 글로벌 디스턴스 필드는 대부분 모빌리티가 스태틱 또는 스테이셔너리로 설정된 스태틱 프리미티브를 캐시에 담습니다. 글로벌 디스턴스 필드 전체는 거의 스태틱 캐시에서 상속받으므로, 무버블 프리미티브를 변경하면 근처의 다른 무버블 프리미티브만 글로벌 디스턴스 필드에 다시 합성해 넣으면 됩니다.

한계

디스턴스 필드 기법의 한계점:

• 피처 레벨 5 (DX-11 이상) 플랫폼만 지원합니다.

• 스태틱 메시에서만 그림자를 드리웁니다. 스켈레탈 메시의 경우, 간접광 영역에는 캡슐 섀도 를, 디스턴스 필드 앰비언트 오클루전(DFAO)과 부드러운 직접 그림자를 함께 사용하면 됩니다.

• World Position Offset 또는 디스플레이스먼트를 통해 메시를 변형(deform)하는 머티리얼은 셀프 섀도잉 부작용이 생길 수 있습니다. 디스턴스 필드 표현은 오프라인 생성되고 이러한 변형에 대해 알지 못하기 때문입니다.

현재 구현에서는 한계가 있지만 앞으로 개선의 여지가 있는 부분:

• 비균등 스케일을 제대로 처리하지 못합니다 (미러링은 괜찮습니다). 메시의 스케일을 두 배 정도 늘리는 것은 보통 눈에 띄지 않습니다.

• 스태틱 메시, 인스턴스드 스태틱 메시, 폴리지, 랜드스케이프 (하이트필드) 만 지원합니다. 폴리지는 폴리지 툴 세팅에서 Affect Distance Field Lighting (디스턴스 필드 라이팅에 영향) 옵션이 켜져있어야 합니다.

하드웨어 한계:

• 인텔 카드에서는 모든 메시 디스턴스 필드 피처가 꺼져있습니다. 커다란 아틀라스 할당을 위한 RHICreateTexture3D 호출 시 HD 4000 이 멈추기 때문입니다.

레퍼런스

• Quilez,Inigo. "Raymarching Distance Fields." N.p, 2008

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