언리얼 엔진 Substrate 기반의 한국 전통 자개 재질 실시간 렌더링 기법 연구

1-1 연구 배경 및 필요성

최근 디지털 콘텐츠 산업은 게임, 가상현실, 증강현실, 메타버스 등 다양한 분야에서 급격한 성장을 이루고 있으며, 이에 따라 사용자들은 더욱 현실감 있고 몰입도 높은 시각적 경험을 요구하고 있다[1],[2]. 이러한 요구에 부응하여 실시간 렌더링 기술은 눈부신 발전을 거듭하고 있으나, 자연계에 존재하는 일부 복잡한 광학적 특성을 지닌 재질의 표현은 여전히 도전적인 과제로 남아있다. 특히, 한국 전통 공예의 중요한 소재 중 하나인 자개, 또는 나전칠기에 사용되는 진주층의 시각적 특성을 디지털 환경, 특히 실시간 렌더링 환경에서 정확하게 재현하는 것은 매우 어려운 문제로 인식되어 왔다[3].

한국의 나전칠기는 그 자체로 높은 문화적 가치를 지니며, 이를 디지털 형태로 정확하게 보존하고 현대적으로 활용하는 것은 문화유산의 대중화 및 교육적 활용 측면에서 매우 중요하다. 최근 디지털 문화유산 분야에서는 3D 스캐닝, 가상 박물관, 인터랙티브 전시 등 첨단 기술을 활용하여 문화유산을 보다 효과적으로 전달하려는 노력이 활발히 이루어지고 있다[4],[5]. 이러한 콘텐츠의 시각적 완성도를 높이기 위해서는 소재 자체의 사실적인 표현이 필수적이다.

이러한 배경에서, 에픽게임즈의 언리얼 엔진 5에서 실험적으로 도입된 Substrate 머티리얼 시스템은 기존의 고정된 셰이딩 모델에서 벗어나, 물리적 원리에 기반한 양방향 산란 분포 함수(BSDF; bidirectional scattering distribution function) 슬래브(slab)들을 조합하여 재질을 더욱 유연하고 정교하게 정의할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다. Substrate는 다층 구조 재질의 표현, 얇은 막 간섭 효과 시뮬레이션, 그리고 보다 세밀한 물리적 파라미터 제어를 지원하여 자개와 같이 광학적으로 복잡한 재질의 실시간 렌더링에 적합할 것으로 기대된다. 따라서 본 연구는 최신 렌더링 프레임워크인 언리얼 엔진 5의 Substrate 시스템을 활용하여, 기존 PBR 방식으로는 재현이 어려웠던 한국 전통 자개의 복합적 광학 특성을 실시간으로 사실적으로 구현하는 방법론을 체계적으로 설계하고 그 실효성을 검증하고자 한다. 이는 새로운 렌더링 알고리즘의 개발이 아닌, 첨단 기술을 특정 문화유산 소재에 적용하고 그 과정을 구체화하여 실질적인 디지털 재현의 기틀을 마련하는 데 기여점을 갖는다.

1-2 연구 목적 및 방법

구체적으로, 본 연구는 먼저 자개의 다층 나노구조 및 구성 성분인 아라고나이트와 콘키올린의 물리적 특성이 자개의 주요 광학적 현상인 이광 효과, 얇은 막 간섭, 표면 질감 등에 미치는 영향을 문헌 연구를 통해 심층적으로 분석한다. 이를 기반으로, 분석된 광학적 특성을 Substrate 머티리얼 시스템에서 제공하는 BSDF 슬래브, 레이어링 기능, 얇은 막 간섭 관련 노드 및 파라미터들을 활용하여 효과적으로 모델링할 수 있는 방법을 설계하고 구현하고자 한다.

구현된 디지털 자개 재질의 시각적 정확성은 실제 자개 유물과 고해상도 사진 자료와의 정성적인 비교 분석을 통해 평가한다. 아울러, 개발된 자개 재질의 실시간 렌더링 성능을 특정 하드웨어 환경에서 초당 프레임 수(FPS; frames per second), 셰이더 복잡도 등을 기준으로 정량적으로 측정하여 실시간 콘텐츠 제작 환경에서의 실용성을 검증하고자 한다.

마지막으로, 본 연구에서 개발한 자개 렌더링 기법이 디지털 문화유산 콘텐츠, 가상 박물관, 교육용 애플리케이션, 게임, VR/AR 등 다양한 분야에 효과적으로 활용될 수 있는 구체적이고 현실적인 방안들을 제시하여 연구 결과의 실질적인 활용성을 높이고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 연구는 문헌 연구, 재질 모델링 및 구현, 시각적 평가, 성능 평가, 그리고 활용 방안 제시라는 다섯 가지 단계를 거쳐 진행된다. 첫째, 문헌 연구 단계에서는 자개의 물리적 구조와 광학적 특성, 실시간 렌더링 환경에서의 고급 재질 표현 기법, 언리얼 엔진 Substrate 시스템의 구조와 기능에 대한 선행 연구와 기술적 자료를 분석하여 연구의 이론적 기반을 다진다. 둘째, 재질 모델링 및 구현 단계에서는 문헌 연구에서 도출된 자개의 물리적 파라미터를 기반으로 Substrate 머티리얼 에디터를 활용하여 BSDF 슬래브와 얇은 막 간섭 효과를 설계하고 구현한다. 셋째, 시각적 평가 단계에서는 실제 자개 샘플과의 비교를 바탕으로 전문가 그룹이 리커트 척도를 사용하여 시각적 사실성을 평가하는 정성 평가를 진행한다. 넷째, 성능 평가 단계에서는 구현된 자개 재질의 실시간 렌더링 성능을 구체적인 하드웨어 환경에서의 프레임 수, 프레임당 소요 시간, 셰이더 연산 복잡도를 중심으로 정량적으로 평가하여 실시간 콘텐츠 제작에 적합한 성능 수준을 검증한다. 마지막으로, 활용 방안 제시 단계에서는 본 연구 결과물을 실제 디지털 콘텐츠 제작 환경에 적용할 수 있는 구체적인 사례와 방안을 제시하여 연구의 실제적 기여를 명확히 하고자 한다.

Table 1.

Key optical and structural characteristics of nacre

2-1 한국 전통 자개의 특성 및 광학적 원리

한국 전통 공예에서 중요한 위치를 차지하는 자개는 전복, 소라, 진주조개 등 패각류의 안쪽 면에서 채취한 진주층을 얇게 가공하여 다양한 문양으로 오려내고 목기나 칠기 표면에 박아 장식하는 기법, 또는 그 재료 자체를 일컫는다. 자개는 그 자체로 영롱한 빛깔과 신비로운 광택을 지녀 예로부터 귀하게 여겨졌으며, 특히 나전칠기는 한국을 대표하는 전통 공예품으로 인정받고 있다.

자개는 본질적으로 생체 광물 복합재료로, 주성분은 탄산칼슘(CaCO3)의 결정 형태 중 하나인 아라고나이트와 소량의 유기물인 콘키올린 단백질이다[6]. 이들은 마치 벽돌과 모르타르처럼 아라고나이트 판상 결정이 층층이 쌓이고 그 사이를 얇은 콘키올린 유기물 막이 결합하는 구조를 이룬다[6],[7].

자개의 가장 두드러진 광학적 특징인 이광 효과, 즉 보는 각도에 따라 무지갯빛으로 색이 변하는 현상은 주로 이러한 다층 구조에서 발생하는 얇은 막 간섭 때문이다[7],[8]. 빛이 자개 표면에 입사하면 각 아라고나이트 층과 콘키올린 층의 경계면에서 부분적으로 반사되고 굴절되는데, 이 다중 반사된 빛들이 서로 간섭하여 특정 파장의 빛은 보강되고 다른 파장의 빛은 상쇄된다. 이때 보강 및 상쇄 조건은 빛의 파장, 입사각, 그리고 각 층의 두께 및 굴절률에 따라 달라지므로, 관찰 각도나 광원의 위치가 변하면 다른 색상이 두드러지게 나타나는 것이다[8],[9]. 특히 아라고나이트와 콘키올린 층의 두께가 가시광선 파장 약 400 nm~700 nm과 유사한 수준이기 때문에 이러한 간섭 효과가 현저하게 나타난다[6].

각 구성 물질의 굴절률 또한 중요한 요소이다. 아라고나이트는 이축성 결정으로 세 주축에 따라 굴절률이 다르다. 예를 들어 각 축을 a, b, c로 하는 파장 589 nm에서,

과 같이 굴절률이 나타나지만, 렌더링 모델에서는 보통 이를 등방성으로 가정하고 평균 굴절률 약 1.63을 사용한다. 콘키올린의 굴절률은 약 1.3~1.53 범위로 보고되며, 모델에서는 1.43과 같은 중간값을 사용한다. 이 두 물질 간의 굴절률 차이는 내부 반사를 유도하여 간섭 효과를 강화한다.

자개의 표면에는 미세한 요철이나 성장선 등이 존재할 수 있으며, 이는 빛의 난반사를 유발하여 재질의 전반적인 광택과 질감에 영향을 미친다. 또한, 아라고나이트 결정의 특정 배열 방향은 거시적으로 이방성(Anisotropy) 반사 특성을 나타낼 수 있다[10]. 이러한 복합적인 광학적 특성을 디지털 환경에서 정확하게 표현하기 위해서는 재질 내부의 다층 구조와 빛의 파동성을 효과적으로 모델링하는 다층 BSDF 모델이 필수적이다.

실제 자개의 구조는 완벽하게 균일하지 않고, 층의 두께나 간격에 미세한 불규칙성이 존재할 수 있다. 이러한 불규칙성은 색상의 미묘한 변화나 패턴을 만들어내기도 한다[11]. 그러나 실시간 렌더링을 위한 PBR 모델에서는 이러한 복잡성을 어느 정도 단순화하고, 문헌 연구를 통해 알려진 평균적이고 대표적인 물리적 파라미터들을 사용하여 재질의 주요 시각적 특징을 재현하는 것을 목표로 한다. 콘키올린 층은 단순히 아라고나이트 층을 분리하는 역할뿐만 아니라, 아라고나이트보다 낮은 굴절률을 가짐으로써 빛이 각 경계면에서 효과적으로 반사 및 굴절되도록 하여 얇은 막 간섭 효과를 극대화하는 데 중요한 역할을 한다[6]. 이러한 다층 구조 내에서의 빛의 복잡한 상호작용은 후술할 언리얼 엔진 Substrate 시스템과 같은 다층 BSDF 처리 능력을 갖춘 렌더링 기술의 필요성을 의미한다.

2-2 실시간 렌더링 및 Substrate 머티리얼 시스템 개요

실시간 렌더링은 컴퓨터 그래픽스 분야에서 사용자와의 즉각적인 상호작용을 목표로 초당 수십 프레임, 일반적으로 30 FPS 이상의 이미지를 생성하는 기술을 의미한다. 이는 특히 게임, 가상현실, 증강현실, 시뮬레이션 등 인터랙티브 콘텐츠 제작에 핵심적인 역할을 한다. 실시간 환경에서는 제한된 연산 자원 내에서 최대한의 시각적 품질을 달성해야 하므로, 복잡한 광학 현상을 정확하게 시뮬레이션하는 데에는 많은 제약이 따른다.

이러한 제약 속에서도 높은 수준의 사실감을 구현하기 위해 현대 실시간 렌더링에서는 PBR 패러다임이 표준으로 자리 잡았다. PBR은 빛과 재질의 상호작용을 물리 법칙에 근거하여 모델링함으로써, 다양한 조명 환경에서도 일관되고 예측 가능한 재질 외관을 표현하는 것을 목표로 한다. PBR의 핵심 원리에는 미세면 이론, 에너지 보존 법칙, 그리고 물리 기반의 BSDF 또는 양방향 반사 분포 함수(BRDF; bidirectional reflectance distribution function) 사용 등이 포함된다[12]. 그러나 Cook-Torrance 모델과 같은 표준적인 PBR 모델은 자개와 같이 얇은 막 간섭이나 복잡한 내부 산란과 같은 파장 의존적인 광학 효과를 표현하는 데에는 한계가 있다[13]. 대부분의 실시간 PBR 시스템은 RGB 색상 채널을 기반으로 연산을 수행하며, 전체 스펙트럼 정보를 직접 다루기 어렵기 때문에 구조색과 같은 현상을 정확히 시뮬레이션하기 어렵다.

이러한 배경에서 언리얼 엔진 5는 Substrate라는 새로운 머티리얼 체계를 실험적 기능으로 도입하였다. Substrate는 기존의 Default Lit, Clear Coat 등과 같은 고정된 셰이딩 모델을 대체하여, 더욱 표현력 있고 모듈화된 방식으로 재질을 저작할 수 있도록 설계되었다. 이는 사용자가 물리적 원리에 기반한 BSDF 슬래브들을 그래프 형태로 조합하여 복잡한 재질을 구성할 수 있게 하는 패러다임의 전환을 의미한다. 자개와 같이 기존 모델로 표현하기 어려웠던 재질에 대해 Substrate는 새로운 가능성을 제공한다.

Substrate에서 재질은 물질의 슬래브라는 개념으로 구성된다[14]. 각 슬래브는 물리적 단위로 정의된 파라미터를 갖는 원칙적 BSDF 표현이며, 이는 재질의 표면과 매질 특성을 모두 기술한다. 표면 특성은 주로 거칠기(Roughness), 법선(Normal), 확산 알베도(Diffuse Albedo), 그리고 수직 입사각에서의 반사율(F0​) 및 접선 입사각에서의 반사율(F90​)과 같은 값으로 정의된다. 매질 특성은 주로 평균 자유 경로(MFP; mean free path) 입력을 통해 빛의 산란, 투과, 흡수를 제어한다. 이러한 원칙적 BSDF 접근 방식은 금속, 유리, 피부와 같이 다양한 유형의 재질을 보다 정확하게 혼합하고 레이어링할 수 있게 하며, 특히 자개의 물리적 구조에서 파생되는 광학적 특성을 모델링하는 데 유리하다.

Substrate는 다층 구조 재질의 표현을 간소화하고, 얇은 막 간섭 효과와 같은 특수 효과를 위한 SubstrateThinFilm과 같은 헬퍼 노드를 제공하며, 여러 레이어 간의 에너지 보존을 보다 정확하게 처리할 수 있다. 또한, 원칙적 표현 덕분에 플랫폼의 성능에 따라 재질의 시각적 품질과 성능 간의 균형을 조절하며 단순화될 수 있다는 장점도 있다[14]. 본 연구에서는 이러한 Substrate의 특징들이 자개의 복잡한 광학 현상을 실시간으로 구현하는 데 어떻게 기여할 수 있는지를 탐구한다. Substrate는 아직 실험적인 기능이므로 향후 변경될 가능성이 있으며, 이는 연구 진행 및 결과 해석에 있어 고려해야 할 사항이다.

3-1 다층 구조 재현을 위한 BSDF 슬래브 설계

자개의 독특한 광학적 특성은 앞서 2-1절에서 설명한 바와 같이 아라고나이트와 콘키올린 층이 교대로 쌓인 복잡한 다층 나노구조에서 비롯된다. 이를 실시간 렌더링 환경에서 직접적으로 수백, 수천 개의 물리적 레이어로 시뮬레이션하는 것은 현재의 기술 수준과 성능 제약 하에서는 현실적으로 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 Substrate의 물질의 슬래브 개념을 활용하여 자개의 다층 구조를 효과적으로 추상화하고, 그 핵심적인 시각적 특징을 재현할 수 있는 BSDF 슬래브 모델을 설계하였다.

주된 접근 방식은 자개의 전체적인 광학적 거동을 나타내는 단일 또는 최소한의 Substrate 슬래브 BSDF를 사용하는 것이다. 이는 각 물리적 층을 개별 슬래브로 매핑하는 대신, 여러 층의 상호작용 결과를 효과적으로 나타내는 하나의 통합된 재질 모델을 구축하는 것을 의미한다. 이 유효 매질 접근법은 실시간 성능을 유지하면서도 자개의 주요 시각적 특성을 포착하는 것을 목표로 한다.

본 연구에서 제안하는 자개 재질의 기본 구조는 하나의 주된 Substrate 슬래브 BSDF를 중심으로 구성된다. 이 슬래브의 파라미터들은 2-1절에서 논의된 아라고나이트와 콘키올린의 알려진 물리적 속성으로부터 유도되거나, 시각적 비교를 통해 조정된다.

주요 슬래브 파라미터 설정은 다음과 같다.

• Diffuse Albedo: 자개는 주로 반투명하며 간섭색이 두드러지므로, 확산 알베도 값은 낮게 설정한다. 색상은 옅은 크림색 또는 회색조와 같은 기본 바탕색을 사용한다. Substrate 슬래브 BSDF의 해당 입력 단자를 사용한다.

• F0 및 F90: 이 값들은 자개 표면의 프레넬 반사 특성을 결정한다. 자개는 비금속 재질이므로, F0 값은 일반적으로 0.02에서 0.08 사이의 낮은 값을 가진다. 이는 자개 표면의 유효 굴절률로부터 계산될 수 있다. F90 값은 일반적으로 1.0에 가깝게 설정되어 지표각 (grazing angle)에서의 반사율 증가를 표현한다. Substrate 슬래브 BSDF는 F0와 F90을 직접 입력받거나, 내부적으로 계산하는 방식을 제공하여 이러한 제어를 용이하게 한다. 얇은 막 간섭 효과는 이 F0, F90 값을 동적으로 변조함으로써 구현된다.

• Roughness: 표면의 미세 거칠기를 제어하여 반사의 선명도를 조절한다. 실제 자개는 매우 매끄럽게 연마되기도 하지만, 약간의 표면 질감을 가질 수도 있다. 따라서 텍스처 맵을 사용하여 표면의 미세한 불균일성을 표현할 수 있다. Substrate는 단일 슬래브 내에서 두 개의 다른 거칠기 값을 갖는 이중 스페큘러 로브를 지원할 수 있어, 보다 복잡한 표면 반사 특성 표현에 활용한다.

• Anisotropy: 일부 자개 표면은 가공 방향이나 내부 결정 구조에 따라 방향성을 가진 광택을 나타낸다. 필요한 경우 이방성 파라미터를 조절하여 이러한 효과를 추가한다.

• 표면하산란(SSS; subsurface scattering) MFP 및 확산 투과 색상: 자개의 반투명성과 내부에서 발생하는 빛의 산란은 재질의 깊이감과 부드러운 광택을 표현한다. MFP는 빛이 재질 내부로 얼마나 깊이 침투하여 산란되는지를 제어하며, 확산 투과 색상은 내부를 통과한 빛의 색상을 결정한다. 자개의 경우 MFP는 상대적으로 짧고, 투과 색상은 진주빛 흰색이나 미세한 색조를 띈다. Substrate의 Transmittance To Mean Free Path 헬퍼 노드를 사용하여 투과율로부터 MFP 값을 변환할 수 있다.

얇은 막 간섭 효과와 같은 특정 광학 현상은 이 기본 슬래브의 속성을 변조하거나, 경우에 따라 Substrate 연산자를 사용한 레이어링과 같은 별도의 기능적 레이어로 추가하여 표현한다. 그러나 본 연구에서는 주로 단일 슬래브의 파라미터, 특히 F0, F90을 얇은 막 간섭 효과의 계산 결과로 동적으로 변경하는 방식을 통해 다층 구조의 핵심 효과를 효율적으로 통합하고자 하였다. 이 접근 방식은 F0, F90, MFP 등 Substrate가 제공하는 물리 기반 파라미터와 헬퍼 노드의 장점을 적극적으로 활용하여, 과거 PBR 시스템에서는 구현하기 어려웠던 복잡한 광학 현상을 실시간으로 표현하는 것을 목표로 한다. 2-1절에서 언급된 자개의 물리적 데이터는 이러한 Substrate 슬래브 파라미터를 설정하고 조정하는 데 중요한 기초 자료로 활용된다.

Fig. 1.

Substrate slab BSDF node setup

3-2 얇은 막 간섭 효과 구현 방법

자개의 가장 현저한 시각적 특징인 이광 효과, 즉 보는 각도에 따라 색상이 무지갯빛으로 변하는 현상은 주로 그 다층 구조에 의한 얇은 막 간섭 때문이다[15]. 언리얼 엔진 Substrate 머티리얼 시스템은 이러한 얇은 막 간섭 효과를 시뮬레이션하기 위한 기능을 제공하며, 본 연구에서는 이를 적극적으로 활용하여 자개의 핵심적인 광학적 특성을 구현하였다.

Substrate는 SubstrateThinFilm이라는 헬퍼 노드 또는 유사한 메커니즘을 통해 얇은 막 간섭 효과를 지원하는 것으로 파악된다. 이 기능은 일반적으로 필름의 두께, 필름의 굴절률, 그리고 기저 재질의 굴절률 또는 기저 재질의 F0 값을 입력으로 받아, 시야각에 따른 반사율과 색상 변화를 계산한다. 계산된 결과는 주로 F0 및 F90 값의 변조 형태로 나타나며, 이는 다시 주 BSDF 슬래브의 해당 입력으로 연결되어 최종적인 스페큘러 반사에 영향을 미치게 된다.

본 연구에서의 얇은 막 간섭 효과 구현 과정은 다음과 같다.

1) 파라미터 설정: SubstrateThinFilm 헬퍼 노드의 입력 파라미터를 자개의 물리적 특성에 맞게 설정한다.

• 필름 두께: 자개 내부의 아라고나이트 층 중 주로 간섭을 일으키는 유효 두께 값을 사용한다. 이는 2-1절에서 논의된 아라고나이트 판상 결정의 두께 범위를 참고하여 설정하며, 자개의 법선 텍스처를 활용하여 미세 조정한다. 얇은 막 간섭 효과는 필름 두께에 매우 민감하게 반응하므로, 이 값의 변화는 렌더링된 간섭색의 변화로 직접 이어진다.

• 필름 굴절률: 아라고나이트의 평균 굴절률, 약 1.6~1.63의 값을 사용한다[8].

• 기저 재질 굴절률 또는 F0: 필름 아래층, 즉 콘키올린 층 또는 그 아래 아라고나이트 층들의 집합적인 유효 굴절률을 고려하여 설정하거나, 기저 재질의 F0 값을 직접 입력한다.

2) 간섭 효과 계산 및 적용: 설정된 파라미터를 바탕으로 Substrate의 얇은 막 간섭 모델은 빛의 파장과 시야각에 따라 보강 간섭과 상쇄 간섭이 일어나는 패턴을 계산한다. 이를 통해 시점에 따라 변화하는 다채로운 색상, 즉 이광 효과가 시뮬레이션된다. 이 계산 결과는 3-1절에서 설계된 주 BSDF 슬래브의 F0과 F90과 같은 스페큘러 반사율 입력에 연결되어, 최종적으로 자개 표면의 반짝이는 간섭색을 만들어낸다.

실시간 렌더링 환경에서의 얇은 막 간섭 효과는 완전한 스펙트럼 렌더링을 수행하기보다는 분석적 모델이나 사전 계산된 근사치를 사용하는 경우가 많다. Substrate의 얇은 막 간섭 기능 역시 이러한 실시간 효율성을 고려한 방식으로 구현되었을 가능성이 높다. 그런데도, 이러한 접근 방식만으로 자개의 핵심적인 시각적 특징인 각도에 따른 색상 변화를 충분히 설득력 있게 재현할 수 있다.

본 연구에서는 Substrate의 얇은 막 간섭 기능을 활용함으로써, 기존 PBR 시스템에서는 표현하기 어려웠던 자개의 생생하고 다채로운 색상 변화를 실시간으로 구현할 수 있었다. BSDF 슬래브 설계는 실제 자개가 나타내는 시각적 특성을 보다 정확하게 시뮬레이션하는 데 중요한 단계이다. 학술적으로도 얇은 막 간섭 렌더링에 관한 다양한 연구가 있으며[16],[17], substrate의 구현은 이러한 이론적 배경을 실시간 환경에 적용한 결과로 볼 수 있다.

Fig. 2.

Thin-film interference node setup

3-3 표면 미세 거칠기 및 난반사 표현

자개의 최종적인 시각적 질감은 나노미터 스케일의 얇은 막 간섭 효과뿐만 아니라, 마이크로미터 및 그 이상의 스케일에서의 표면 특성에 의해서도 크게 영향을 받는다. 여기에는 표면의 미세한 거칠기로 인한 스페큘러 반사의 퍼짐 정도와, 표면 자체의 고유한 색상을 나타내는 난반사, 그리고 더 큰 규모의 요철을 표현하는 노멀 매핑 등이 포함된다. 본 연구에서는 Substrate 슬래브 BSDF의 관련 파라미터들을 활용하여 이러한 표면 특성들을 효과적으로 구현하였다.

Fig. 3.

Example of representing the iridescent layer using thin-film interference

• 표면 미세 거칠기: 자개 표면의 광택 및 스페큘러 하이라이트의 선명도는 주로 Substrate 슬래브 BSDF의 Roughness 입력에 의해 제어된다. 이 파라미터는 미세면 이론에 기반하여 표면의 미세면들이 얼마나 정렬되어 있는지를 나타내며 값이 낮을수록, 즉 매끄러울수록 거울과 같은 선명한 반사를 생성한다. 반대로 값이 높을수록, 즉 표면이 거칠수록 빛이 넓게 퍼지는 흐릿한 반사를 생성한다. 실제 자개는 연마 상태에 따라 다양한 수준의 광택을 가질 수 있으므로, 이 거칠기 값은 목표하는 자개의 외관에 맞춰 조절된다. 또한, 회색조 텍스처 맵을 거칠기 입력에 연결하여 표면의 미세한 마모, 지문, 또는 자연적인 불균일성을 표현함으로써 사실감을 더할 수 있다. Substrate에서 보다 섬세한 표면 구현에는 Substrate 슬래브 BSDF의 SecondRoughness 및 SecondRoughness Weight 파라미터를 활용한다.

• 난반사: 표면에서의 빛의 확산 반사는 Substrate 슬래브 BSDF의 Diffuse Albedo 입력에 의해 주로 결정된다. 자개의 경우, 주된 색상 발현은 얇은 막 간섭에 의한 스페큘러 반사에서 비롯되며, 재질 자체가 어느 정도 반투명성을 가지므로 확산 알베도는 일반적으로 낮게 설정되고 미묘한 색조를 띤다. 이 확산 알베도 성분은 구조적 간섭색과는 별개로 표면 자체에서 무작위로 산란되는 빛을 나타내어 재질의 기본 색상과 부드러운 느낌을 부여한다. 에너지 보존 법칙에 따라, 스페큘러 반사와 표면하 산란으로 설명되지 않는 나머지 빛 에너지가 이 확산 반사 성분으로 나타난다고 볼 수 있다.

• 노멀 매핑: 자개를 잘라 붙일 때 생기는 미세한 단차나 표면의 자연스러운 무늬와 같이 표면의 미세 거칠기보다 큰 규모의 요철이나 패턴은 노멀 맵을 사용하여 효과적으로 표현할 수 있다. Substrate 슬래브 BSDF의 노멀입력에 노멀 맵 텍스처를 연결하면, 각 픽셀의 표면 법선 벡터를 변화시켜 빛과의 상호작용을 더욱 풍부하게 만들고 입체감을 향상시킨다. 이는 PBR 재질 제작의 표준적인 기법 중 하나이다.

이처럼 자개의 시각적 질감은 나노 스케일의 얇은 막 간섭 효과, 마이크로 스케일의 표면 거칠기, 그리고 메조 스케일의 표면 요철이라는 여러 스케일의 특징들이 복합적으로 작용한 결과이다. 본 연구에서는 Substrate의 각 해당 파라미터를 적절히 조절하고 필요에 따라 텍스처 맵을 활용함으로써 이러한 다중 스케일의 표면 특성을 통합적으로 표현하고자 하였다. PBR의 물리적 정확성을 추구하는 동시에, 작업자가 원하는 특정 자개의 느낌을 살릴 수 있도록 사용자화의 여지를 두는 것 또한 중요한 고려 사항이었다.

Fig. 4.

Surface roughness and diffuse reflection node setup

4-1 구현 환경 및 과정

본 연구에서 제안하는 자개 재질의 실시간 렌더링 기법은 언리얼 엔진 버전 5.3 이상을 기준으로 하며, Substrate 기능이 실험적 베타 상태임을 인지하고 구현되었다. 개발 및 테스트에는 Intel Core i7 이상 CPU, NVIDIA GeForce RTX 3080 이상 GPU, 32GB RAM의 표준적인 PC 하드웨어 구성이 사용되었다.

자개 재질의 시각적 특성을 효과적으로 시연하고 평가하기 위해, 언리얼 엔진 셰이더볼과 같은 단순 기하학적 형태와 함께 한국 전통 나전칠기 유물을 참고하여 제작된 소반과 탁자의 3D 모델이 활용되었다. 표면의 미세한 질감 변화를 표현하기 위한 러프니스 맵, 노멀 맵 등은 필요에 따라 Substance Painter 또는 Photoshop과 같은 텍스처 제작 도구를 사용하여 제작하거나, 생성형 AI를 이용해 필요한 자개 재질의 텍스처 에셋을 제작하여 활용하였다. 구체적으로는 Stable Diffusion과 같은 Text-to-Image AI 모델을 사용하여 ‘iridescent nacre texture’, ‘mother of pearl closeup pattern’ 등과 같은 프롬프트를 기반으로 초기 아이디어를 얻고, 이를 Photoshop에서 후처리하여 반복 확장이 가능한 텍스처로 가공하였다. 이 방식은 다양한 패턴을 빠르게 탐색하는 데 장점이 있었으나, 특정 문양이나 결의 방향을 정교하게 제어하기 어렵고 비현실적인 왜곡 현상이 발생하는 한계가 있어, 최종적으로는 아티스트의 수작업 보정이 필수적이었다.

Substrate 머티리얼 그래프는 언리얼 엔진의 머티리얼 에디터를 사용하여 구축되었다. 핵심 노드 구성은 다음과 같다.

• Substrate Slab BSDF: 자개 재질의 기본 물리적 속성을 정의하는 중심 노드로 사용되었다. 이 노드의 Diffuse Albedo, F0, F90, Roughness, Anisotropy, SSS Mean Free Path 등의 입력에 파라미터 값 또는 텍스처를 연결하였다.

• SubstrateThinFilm: 얇은 막 간섭 효과를 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 이 노드의 입력으로는 필름 두께, 필름 굴절률, 기저 재질 굴절률 등이 사용되었으며, 출력값은 주 Slab BSDF의 해당 입력으로 연결되었다.

• 텍스처 샘플러: 알베도, 러프니스, 노멀 맵 등의 텍스처를 머티리얼 그래프로 가져오는 데 사용되었다.

• 스칼라 및 벡터 파라미터: 굴절률, 두께, 색상 등 수치로 제어되는 속성들을 파라미터화하여 머티리얼 인스턴스에서 쉽게 조정할 수 있도록 하였다.

• 기타 수학 노드 및 유틸리티 노드: 파라미터 값의 범위 조정, 혼합, 보간 등에 활용되었다.

얇은 막 두께, 굴절률, 거칠기 값, SSS MFP 등 재질 파라미터의 튜닝은 실제 자개 유물 사진 및 실물을 참조하면서 반복적인 시각적 미세 조정을 통해 이루어졌다. 직사광, 점광원, 스팟 광원, HDRI 기반의 스카이라이트와 같은 다양한 광원 조건과 광원의 색온도 및 강도 변화에 따른 재질의 반응을 테스트하였다. 또한, 카메라를 객체 주위로 회전시키거나, 근접 촬영, grazing angle 등 다양한 시점에서 관찰하여 이광 효과와 프레넬 효과가 자연스럽게 나타나는지 확인하였다. 이러한 반복적인 구현 및 테스트 과정은 사실적인 자개 재질을 완성하는 데 필수적이었다. 구현 과정의 세부 사항은 다른 연구자들이 본 연구의 핵심 아이디어를 이해하고 재현하는 데 도움이 될 수 있도록 기술하는 것을 목표로 하였다.

Fig. 5.

Final Substrate nacre material graph, grouped by functionality

4-2 Substrate 자개 재질 구현 결과

4-1장에서 설명한 환경과 과정을 통해 개발된 주요 시각적 에셋과 그 렌더링 결과는 다음과 같다. 본 연구에서는 다양한 형태의 자개 패턴을 표현하기 위해 네 가지 버전의 텍스처 세트를 제작하였으며, 이를 Substrate 머티리얼에 적용하여 최종 재질을 완성하였다.

그림 6은 자개 재질의 기본 색상과 이광 효과의 색상 정보를 담고 있는 네 가지 버전의 Diffuse(또는 Albedo) 텍스처이다. Version 1은 일반적인 자개의 세포 형태 패턴을, Version 2는 특정 방향으로 결이 나 있는 패턴을, Version 3과 4는 이들이 혼합된 불규칙한 패턴을 표현하여 다양한 자개의 모습을 재현하고자 하였다. 그림 7은 그림 6의 각 Diffuse 텍스처에 대응하는 노멀 맵 텍스처이다. 노멀 맵은 표면의 미세한 요철과 깊이감을 표현하는 역할을 하며, 빛과 상호작용하여 사실적인 질감과 입체감을 더해준다. 각 버전의 패턴 특성에 맞는 표면 굴곡을 표현하고 있다. 그림 8은 앞서 제작된 텍스처 세트와 Substrate 셰이더 로직을 결합하여 완성된 네 가지 버전의 자개 재질을 표준 셰이더볼에 적용한 렌더링 결과이다. 셰이더볼은 외부 요인을 최소화하고 재질 자체의 광학적 특성인 이광 효과, 반사, 질감 등을 다양한 곡률의 표면에서 순수하게 관찰하는 데 용이하다. 그림 9와 그림 10은 개발된 재질을 실제 한국 전통 가구인 소반과 탁자 3D 모델에 적용한 결과이다. 이는 제작된 재질이 복잡한 형태의 오브젝트에 적용되었을 때 어떻게 보이며, 실질적인 디지털 콘텐츠 제작 환경에서 어떻게 활용될 수 있는지에 대한 시각적 예시가 된다.

Fig. 6.

Four nacre Diffuse textures developed during this research process

Fig. 7.

Normal map textures corresponding to the four nacre Diffuse textures

Fig. 8.

Four developed Substrate materials on a shader ball

Fig. 9.

Rendering results of four developed versions of the Substrate nacre material applied to a tray

Fig. 10.

Rendering results of four developed versions of the Substrate nacre material applied to a table

4-3 시각적 정확성 및 렌더링 성능 평가

개발된 Substrate 기반 자개 재질의 우수성을 입증하기 위해 시각적 정확성과 실시간 렌더링 성능 두 가지 측면에서 평가를 진행하였다. 시각적 사실성은 구조화된 정성적 평가를 통해, 렌더링 성능은 정량적 수치 측정을 통해 검증하였다.

1) 재질 표현의 사실성 평가

구현된 디지털 자개 재질의 시각적 정확성은 실제 한국 전통 자개 유물 및 샘플의 고해상도 사진 자료와 직접적인 비교를 통해 정성적으로 평가되었다. 정성적 평가는 주관적 판단의 개입 가능성을 최소화하고 신뢰도를 높이기 위해 다음과 같은 절차에 따라 진행하였다.

• 평가 대상 및 인원: 평가는 컴퓨터 그래픽스 분야의 전문가적 시각을 반영하기 위해 해당 분야 석박사 과정 5명을 대상으로 진행하였다. 참여자들은 PBR 재질 및 실시간 렌더링에 대한 높은 이해도를 가지고 있다.

• 평가 방법 및 절차: 평가자들에게 통제된 동일한 조명 환경 아래에서 실제 자개 유물 고해상도 사진과 본 연구에서 렌더링한 결과물을 27인치 QHD 모니터에 나란히 제시하였다. 평가자들은 각 렌더링 결과물에 대해 아래의 평가 항목을 5점 리커트 척도(1점: 매우 부자연스러움, 5점: 실제와 거의 구별 불가)로 평가하고, 추가적인 서술형 의견을 기재하도록 하였다.

평가에 사용된 주요 항목들은 다음과 같다.

• 이광 효과: 시야각 변화에 따른 색상의 다채로운 변화가 실제 자개와 유사하게 나타나는지, 그 색상의 범위와 전환의 자연스러움 등을 평가하였다.

• 광택 및 반사: 표면의 광택 정도, 스페큘러 하이라이트의 형태 및 선명도가 실제 자개의 연마 상태와 유사하게 표현되는지 확인하였다.

• 깊이감 및 반투명성: 자개 특유의 은은한 깊이감과 빛이 내부에서 산란되는 듯한 반투명 효과가 적절히 표현되었는지 평가하였다.

• 표면 질감: 노멀 맵이나 러프니스 맵을 통해 구현된 표면의 미세한 요철이나 질감이 실제 자개의 표면 특성을 반영하는지 관찰하였다.

평가 결과는 표 2와 같다. 모든 항목에서 4.0 이상의 높은 평균 점수를 기록하여, 제안된 Substrate 기반 자개 재질이 전반적으로 높은 시각적 사실성을 달성했음을 확인하였다. 특히 이광 효과와 깊이감 및 반투명성 항목에서 가장 긍정적인 평가를 받아, 본 연구에서 핵심적으로 구현하고자 했던 자개의 고유한 광학적 특성이 설득력 있게 재현되었음을 알 수 있다. 표준편차는 대부분 0.45~0.55 수준으로 평가자 간의 의견이 비교적 일관되었으나, 표면 질감 항목에서는 0.71로 다소 높게 나타났다.

Table 2.

Realism evaluation results for nacre material (on a 5-point scale)

이는 서술형 의견에서 지적된 바와 같이, 실제 자개가 가진 미세한 불규칙성 표현에 대해서는 평가자 간의 견해 차이가 있었음을 시사한다. 그림 11은 실제 자개 소반 사진 (a)과 본 연구에서 개발한 Substrate 재질을 적용한 렌더링 결과 (b), 그리고 동일한 환경에서 표준 PBR 재질을 적용한 결과 (c)를 비교한 것이다. 표준 PBR 방식은 단순한 표면 반사만을 표현하여 자개 특유의 다채로운 색상 변화와 깊이감을 나타내지 못하는 반면, 본 연구의 결과물은 얇은 막 간섭 효과를 통해 실제 자개와 유사한 이광 효과와 시각적 깊이감을 효과적으로 재현하고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 11.

Comparison of an actual nacre tray(a), this study's Substrate rendering(b), and a standard PBR rendering(c) result

2) 렌더링 성능 평가

실시간 렌더링 환경에서의 효율성을 검증하기 위해, 개발된 자개 재질의 렌더링 성능을 정량적으로 측정하였다.

성능 평가는 2560x1440 해상도로 설정된 테스트 장면을 사용하여 진행되었다. 주요 측정 지표는 초당 프레임 수, 프레임 당 소요 시간, 셰이더 명령어 수이다. 테스트 시나리오는 자개 재질이 적용된 단일 셰이더볼로 구성된 단순 장면, 소반과 탁자 등이 포함된 복합 장면, 그리고 동일한 장면에 표준 금속 PBR 재질을 적용한 비교군으로 구성되었다. 각 테스트 시나리오를 구성하는 오브젝트의 렌더링 모습은 그림 12와 같다. 비교군의 성능 측정은 복합 장면과 동일한 3D 모델 및 조명 환경에서 재질만 교체하여 진행하였음을 명시한다. 각 시나리오에 따른 상세한 측정 결과는 표 3과 같다.

Fig. 12.

Test scenes for performance evaluation, rendered in the same lighting environment

Table 3.

Rendering performance evaluation results

성능 평가 결과, 제안된 Substrate 기반 자개 재질은 표준 PBR 재질에 비해 다소 높은 연산 비용을 보였으나, 목표 하드웨어 환경에서 충분히 실시간으로 활용 가능한 수준의 성능, QHD 해상도에서 70 FPS 이상을 유지함을 확인하였다.

이는 시각적 품질 향상을 고려할 때 수용 가능한 수준의 성능 저하로 판단된다. 물론, 재질의 복잡도와 장면 내 오브젝트 수, 조명 환경 등에 따라 성능은 가변적일 수 있으며, 이는 실제 적용 시 최적화 과정에서 고려되어야 할 사항이다. 시각적 충실도와 실시간 성능 간의 균형은 항상 중요한 고려 사항이며, 본 연구의 결과는 이 두 가지 측면에서 만족스러운 결과를 제시한다고 할 수 있다.

5-1 전통 자개 재질의 디지털 콘텐츠 활용 가능성

본 연구에서 개발한 언리얼 엔진 Substrate 기반의 자개 재질 실시간 렌더링 기법은 디지털 환경에서 한국 전통 문화의 시각적 표현력과 콘텐츠 품질을 유의미하게 향상시킬 수 있다. 특히 전통 공예품의 고유한 미학을 현대적 디지털 환경에서 사실적으로 재현함으로써, 전통 공예의 가치를 대중에게 더욱 효과적으로 전달할 수 있는 다양한 현실적 활용 가능성을 제공한다. 이에 따라 본 연구에서 개발된 전통 자개 재질은 다음과 같은 분야에서 특히 효과적으로 활용될 수 있다.

첫째, 디지털 박물관 및 온라인 전시 콘텐츠 제작에 효과적으로 활용될 수 있다. 실제 자개 유물은 보존 문제나 접근성의 한계로 인해 상세한 관찰이나 체험이 어렵지만, 본 연구에서 개발된 고품질 자개 재질을 적용한 가상 3D 콘텐츠를 활용하면 사용자는 온라인 환경에서 전통 유물을 실시간으로 다양한 각도에서 상세히 감상할 수 있게 된다. 이는 기존의 평면적 사진 자료로는 전달하기 어려웠던 자개의 미세한 질감과 시각적 특성을 효과적으로 전달하여 관람의 몰입도와 문화유산의 이해를 높이는 데 기여할 것이다.

둘째, 디지털 아카이브 및 문화유산 복원 콘텐츠에 활용 가능하다. 실제 유물의 3D 스캔 데이터와 결합하여 손상되거나 일부 소실된 자개 유물의 디지털 복원을 지원하는데 효과적으로 적용할 수 있다. 본 연구의 재질 렌더링 기법을 통해 유물의 원형 복원 과정을 사실적으로 시각화할 수 있어 학술 연구와 문화유산의 장기적인 보존에 활용될 수 있다.

셋째, 전통 공예 및 디자인 교육 분야에서도 활용 가능하다. 자개의 광학적 특성을 실제적인 시각 자료로 제공함으로써 전통 공예 제작 과정에 대한 이해도를 높이고, 학생 및 디자이너들이 실제 재료 없이도 자개의 특성을 보다 명확히 이해할 수 있게 돕는다. 예를 들어, 자개의 광학적 특성과 제작 원리를 직관적으로 이해할 수 있는 영상 자료나 인터랙티브 시각 자료로 제작하여 교육 현장에 제공할 수 있다.

이처럼 본 연구에서 개발된 자개 렌더링 기술은 현실적이고 실현 가능한 분야를 중심으로 디지털 콘텐츠의 시각적 완성도와 교육적 가치를 높이고, 전통 공예의 현대적 접근성을 확장할 가능성이 있다.

5-2 디지털 콘텐츠 라이브러리 구축 및 웹 기반 활용 방안

본 연구에서 개발된 Substrate 기반 자개 재질의 실질적인 활용 가능성을 극대화하기 위해 전통 문화유산 디지털 콘텐츠 라이브러리 구축 및 웹 기반 활용 방안을 제안한다. 이는 최근 대한민국 정부가 국가유산 디지털 서비스를 통해 언리얼 엔진의 FAB 플랫폼을 이용하여 무료 콘텐츠를 제공하고, 이용자들이 이를 웹에서 쉽게 검색하고 미리 보거나 관련 웹사이트로 접근할 수 있게 콘텐츠 페이지를 구축한 사례[18]를 본 연구의 자개 재질 콘텐츠에도 적용하여, 디지털 환경에서 자유롭게 활용할 수 있도록 무료로 배포하는 것을 목적으로 한다.

구축될 디지털 콘텐츠 라이브러리는 본 연구의 자개 렌더링 기법을 기반으로 제작된 고품질 자개 재질 에셋을 포함할 뿐 아니라, 이를 효과적으로 활용할 수 있도록 상세한 제작 가이드와 영상 튜토리얼을 제공할 예정이다. 또한, 실시간 렌더링 환경에서의 자개 재질 최적화 방법과 성능 평가 결과 등 연구 과정에서 축적된 다양한 자료를 함께 제공하여, 콘텐츠 제작자 및 개발자들이 손쉽게 접근하고 재현할 수 있도록 지원한다. 이를 통해 전통 공예 소재의 디지털 환경 활용을 촉진하고, 전통 문화 콘텐츠의 확산과 이해도를 높이는 데 도움을 줄 것으로 기대된다.

본 연구는 이와 같은 기술적 성과를 공익적으로 활용함으로써, 전통 문화 콘텐츠가 디지털 시대에 맞춰 새로운 형태로 널리 보급되고 활성화될 수 있는 실질적이고 효과적인 방안을 제시한다.