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WebGL 환경맵 (반사)

이 글은 WebGL 관련 시리즈의 일부입니다. 첫 글은 기초로 시작했는데요. 이 글은 큐브맵에 관한 글에서 이어집니다. 또한 조명에 대한 글에서 다룬 개념을 사용합니다. 아직 읽지 않으셨다면 해당 글을 먼저 읽어주세요.

환경맵은 그리는 객체의 환경을 나타내는데요. 야외 장면을 그리는 경우 야외를 표현합니다. 무대의 사람을 그린다면 장소를 표현하게 됩니다. 우주 장면을 그리면 별이 될 겁니다. 장소의 한 지점에서 환경을 보여주는 6개의 이미지가 있다면 큐브맵으로 환경맵을 구현할 수 있습니다.

다음은 캘리포니아 마운틴 뷰에 있는 컴퓨터 역사 박물관 로비의 환경맵입니다.

이전 글의 코드를 기반으로 생성한 이미지 대신에 이미지 6개를 불러옵시다.

// 텍스처 생성
var texture = gl.createTexture();
gl.bindTexture(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, texture);

const faceInfos = [
  {
    target: gl.TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X, 
    url: 'resources/images/computer-history-museum/pos-x.jpg',
  },
  {
    target: gl.TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_X, 
    url: 'resources/images/computer-history-museum/neg-x.jpg',
  },
  {
    target: gl.TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_Y, 
    url: 'resources/images/computer-history-museum/pos-y.jpg',
  },
  {
    target: gl.TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_Y, 
    url: 'resources/images/computer-history-museum/neg-y.jpg',
  },
  {
    target: gl.TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_Z, 
    url: 'resources/images/computer-history-museum/pos-z.jpg',
  },
  {
    target: gl.TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_Z, 
    url: 'resources/images/computer-history-museum/neg-z.jpg',
  },
];
faceInfos.forEach((faceInfo) => {
  const {target, url} = faceInfo;

  // 캔버스를 큐브맵의 면에 업로드
  const level = 0;
  const internalFormat = gl.RGBA;
  const width = 512;
  const height = 512;
  const format = gl.RGBA;
  const type = gl.UNSIGNED_BYTE;

  // 즉시 렌더링될 수 있도록 각 면을 설정
  gl.texImage2D(target, level, internalFormat, width, height, 0, format, type, null);

  // 비동기적으로 이미지 로드
  const image = new Image();
  image.src = url;
  image.addEventListener('load', function() {
    // 이제 이미지를 불러왔고 이를 텍스처에 업로드
    gl.bindTexture(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, texture);
    gl.texImage2D(target, level, internalFormat, format, type, image);
    gl.generateMipmap(gl.TEXTURE_CUBE_MAP);
  });
});
gl.generateMipmap(gl.TEXTURE_CUBE_MAP);
gl.texParameteri(gl.TEXTURE_CUBE_MAP, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR_MIPMAP_LINEAR);

모든 면에 대해 texImage2Dnull을 전달하여 512x512의 비어있는 이미지로 초기화합니다. 큐브맵은 6개의 면을 가져야 하며, 6개의 면은 모두 동일한 크기의 사각형이여야 합니다. 텍스처가 아니라면 렌더링되지 않을 겁니다. 하지만 우리는 이미지 6개를 로딩하고 있습니다. 즉시 렌더링을 시작하고 싶으므로 6개의 면을 모두 할당한 다음 이미지 로딩을 시작합니다. 각 이미지가 로드되면 알맞은 면으로 업로드한 다음 밉맵을 다시 생성합니다. 다시 말해 즉시 렌더링할 수 있고, 이미지가 다운로드되면 큐브맵의 면이 한 번에 하나씩 이미지로 채워지며, 6개가 모두 로드되지 않아도 렌더링할 수 있습니다.

하지만 이미지를 로딩하는 것만으로는 부족합니다. 조명처럼 약간의 수식이 필요합니다.

이 경우 눈/카메라에서 객체의 표면까지의 벡터가 주어지면, 그려지는 각 프래그먼트가 해당 표면에서 반사되는 방향을 알고 싶습니다. 그러면 해당 방향을 사용하여 큐브맵의 색상을 가져올 수 있습니다.

반사에 대한 공식은 다음과 같습니다.

reflectionDir = eyeToSurfaceDir – 
    2 ∗ dot(surfaceNormal, eyeToSurfaceDir) ∗ surfaceNormal

조명에 대한 글을 떠올려보면 두 벡터의 스칼라곱은 두 벡터 사이 각도의 코사인을 반환합니다. 벡터를 추가하면 새로운 벡터가 생기므로 평평한 표면을 수직으로 보는 눈을 예제를 들어봅시다.

위의 공식을 시각화해봅시다. 먼저 정확히 반대 방향을 가리키는 두 벡터의 스칼라곱은 -1이므로 다음과 같이 시각적으로 나타낼 수 있습니다.

이 스칼라곱을 eyeToSurfaceDir과 반사 공식의 법선에 연결하면 이렇게 됩니다.

-2를 -1로 곱하면 +2가 됩니다.

따라서 벡터를 연결하여 더하면 반사된 벡터가 됩니다.

위에서 하나는 눈에서 완전히 반대되고, 다른 하나는 반사가 눈 쪽을 곧장 향하는 2개의 벡터를 볼 수 있습니다. 원래 다이어그램으로 돌아가보면 예상한 것과 정확히 일치합니다.

표면을 오른쪽으로 45도 회전시켜 보겠습니다.

135도 떨어진 두 벡터의 스칼라곱은 -0.707입니다.

그리고 공식에 전부 연결합니다.

다시 두 음수를 곱하면 양수가 되지만 이제 벡터는 30% 더 짧아집니다.

그리고 벡터를 더하면 반사된 벡터가 됩니다.

원래 다이어그램에 다시 넣어보면 잘 맞는 것 같습니다.

반사된 방향을 이용하여 큐브맵을 보고 물체의 표면을 채색합니다.

다음은 표면의 회전을 설정하고 방정식의 다양한 부분을 볼 수 있는 다이어그램입니다. 또한 반사 벡터가 큐브맵의 다른 면을 가리켜서 표면 색상에 영향을 주는 것도 볼 수 있습니다.

이제 반사가 어떻게 작동하는지 알고, 큐브맵에서 값을 찾기 위해 사용할 수 있으므로, 셰이더를 변경해봅시다.

먼저 정점 셰이더에서 정점의 월드 위치와 월드를 향하는 법선을 계산하고 이를 프래그먼트 셰이더에 베링으로 전달할 겁니다. 이는 스포트라이트에 대한 글에서 했던 것과 유사합니다.

attribute vec4 a_position;
attribute vec3 a_normal;

uniform mat4 u_projection;
uniform mat4 u_view;
uniform mat4 u_world;

varying vec3 v_worldPosition;
varying vec3 v_worldNormal;

void main() {
  // 위치에 행렬 곱하기
  gl_Position = u_projection * u_view * u_world * a_position;

  // 뷰 위치를 프래그먼트 셰이더로 보내기
  v_worldPosition = (u_world * a_position).xyz;

  // 법선의 방향을 정하고 프래그먼트 셰이더로 전달
  v_worldNormal = mat3(u_world) * a_normal;
}

그런 다음 프래그먼트 셰이더에서 worldNormal이 정점 사이의 표면을 가로질러 보간되므로 정규화합니다. 카메라의 월드 위치를 전달하고 표면의 월드 위치에서 이를 빼면 eyeToSurfaceDir이 됩니다.

마지막으로 위에서 살펴본 공식을 구현하는 GLSL 내장 함수 reflect를 사용합니다. 그리고 결과를 이용하여 큐브맵에서 색상을 가져옵니다.

precision highp float;

// 정점 셰이더에서 전달됩니다.
varying vec3 v_worldPosition;
varying vec3 v_worldNormal;

// 텍스처
uniform samplerCube u_texture;

// 카메라의 위치
uniform vec3 u_worldCameraPosition;

void main() {
  vec3 worldNormal = normalize(v_worldNormal);
  vec3 eyeToSurfaceDir = normalize(v_worldPosition - u_worldCameraPosition);
  vec3 direction = reflect(eyeToSurfaceDir,worldNormal);

  gl_FragColor = textureCube(u_texture, direction);
}

또한 이 예제를 위해 실제 법선이 필요한데요. 실제 법선으로 큐브의 면이 평평하게 보이도록 합니다. 이전 예제에서 큐브맵의 작동을 보기 위해 큐브의 위치를 수정했지만, 이 경우에는 조명에 대한 글에서 다룬 것처럼 큐브에 대한 실제 법선이 필요합니다.

초기화할 때

// 법선을 넣을 버퍼 생성
var normalBuffer = gl.createBuffer();
// ARRAY_BUFFER에 바인딩 (ARRAY_BUFFER = normalBuffer)
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, normalBuffer);
// 법선 데이터를 버퍼에 넣기
setNormals(gl);

렌더링할 때

// 법선 버퍼 바인딩
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, normalBuffer);

// normalBuffer(ARRAY_BUFFER)에서 데이터 가져오는 방법을 속성에 지시
var size = 3;          // 반복마다 3개의 컴포넌트
var type = gl.FLOAT;   // 데이터는 32비트 부동 소수점 값
var normalize = false; // 데이터 정규화 (0-255에서 0-1로 전환)
var stride = 0;        // 0 = 다음 위치를 가져오기 위해 반복마다 size * sizeof(type) 만큼 앞으로 이동
var offset = 0;        // 버퍼의 처음부터 시작
gl.vertexAttribPointer(normalLocation, size, type, normalize, stride, offset);

물론 초기화할 때 유니폼 위치를 찾아야 합니다.

var projectionLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_projection");
var viewLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_view");
var worldLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_world");
var textureLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_texture");
var worldCameraPositionLocation = gl.getUniformLocation(program, "u_worldCameraPosition");

그리고 렌더링할 때 이들을 설정합니다.

// 투영 행렬 계산
var aspect = gl.canvas.clientWidth / gl.canvas.clientHeight;
var projectionMatrix = m4.perspective(fieldOfViewRadians, aspect, 1, 2000);
gl.uniformMatrix4fv(projectionLocation, false, projectionMatrix);

var cameraPosition = [0, 0, 2];
var target = [0, 0, 0];
var up = [0, 1, 0];
// lookAt을 사용하여 카메라 행렬 계산
var cameraMatrix = m4.lookAt(cameraPosition, target, up);

// 카메라 행렬로 뷰 행렬 만들기
var viewMatrix = m4.inverse(cameraMatrix);

var worldMatrix = m4.xRotation(modelXRotationRadians);
worldMatrix = m4.yRotate(worldMatrix, modelYRotationRadians);

// 유니폼 설정
gl.uniformMatrix4fv(projectionLocation, false, projectionMatrix);
gl.uniformMatrix4fv(viewLocation, false, viewMatrix);
gl.uniformMatrix4fv(worldLocation, false, worldMatrix);
gl.uniform3fv(worldCameraPositionLocation, cameraPosition);

// u_texture에 텍스처 유닛 0을 사용하도록 셰이더에 지시
gl.uniform1i(textureLocation, 0);

다음은 스카이박스에 큐브맵을 사용하는 방법을 보여드리겠습니다.

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