[Graphics] 3D model의 material 속성 / obj, mtl 파일

PBR Texture

3D 모델링 분야에서 재질 표면의 속성에 따라 반사, 굴절, 투과 등의 속성이 물리적으로 작용하고 시각적으로 표현하는 기법을 Physical Base Rendering (PBR) 이라고 한다.

 

재질 속성은 Roughness, Metalness 등 다양하게 존재하고 이들을 다양한 map으로 표현할 수 있는데, 이러한 재질 표현을 위해 texture 파일을 모아놓은 것을 PBR texture라고 한다.

 

제작한 곳에 따라 조금씩 이름이 다를 수 있지만 일반적으로 아래와 같은 종류들이 있다.

 

1. Albedo (또는 Diffuse, Base color)
2. Normal, Bump, Displacement, Height
3. Rughness (또는 Glossiness)
4. Metalness
5. Specular (Reflection)
6. Opacity
7. Ambient Occlusion (AO)
8. Refraction
9. Self_Illumination (또는 Emissive)

 

1. Albedo (Diffuse, base color)

객체의 기본 texture, 컬러를 표현하는 map으로 diffuse map는 AO나 스펙큘러의 개념이 포함된 texture 이고 Albedo는 광학적 특성을 제외한 완전한 표면의 색만 표현하는 texture

 

2. Normal, Bump, Displacement, Height

재질의 깊이감, 볼륨감을 표현하는 map의 종류로 가장 대표적인 Normal map은 실제 지오메트리로 표현되는 것처럼 광원을 받는 범프, 홈 및 스크래치 등의 표면 디테일을 모델에 추가하는데 사용할 수 있는 RGB texture 

 

3. Roughness (Glossiness)

외부의 빛이 표면에 입사 후 재질에 반사될 때, 반사되는 빛의 양과 분산되는 정도

Gray scale 맵이고 white 부분이 roughness, black 부분이 smooth, glossy를 표현

 

4. Metalness

Metal 재질 표현에 사용하는 맵으로 grayscale 

 

5. Specular

빛이 물체에 부딪혀 반사되는 양이나 범위를 조절할 수 있는 맵. 3D 공간에서 조명에서 나오는 빛이 다이렉트로 입사하는 부분에 하이라이트가 생기도록 하는 요소

 

6. Opacity

투명한 부분의 투명도와 범위를 조절할 수 있는 맵으로 gray scale. White는 불투명, Black은 투명에 가까움

 

7. Ambient Occlusion(AO)

주변 환경에 반사되는 빛이 다시 영향을 주는 정도를 표현하기 위한 맵. 이 맵을 사용하면 구석이나 틈, 인물의 턱 아래처럼 어둡게 표현해야하는 부분은 더욱 어둡게 표현할 수 있고 그에 따라 명도가 올라가는 효과 구현 가능

 

8. Refraction

빛이 굴절되는 정도. 투명한 물체에 빛이 통과되면서 빛의 방향이 바뀌는 정도를 조절. 물 속에 있는 물체를 표현하거나 투명한 유리 뒤에 보이는 물체를 표현할 때 사용.

 

9. Self illumination (Emissive)

스스로 빛을 발산하는 물체를 표현할 때 사용.

 

 

OBJ & MTL File

 

- OBJ : 3D 모델이 저장되는 파일의 포맷 중 하나. MTL 이라는 별도의 material 파일을 사용하기 때문에 3D 모델의 형상 외에 texture, material 정보를 함께 옮길 때는 MTL 파일과 함께 옮겨야 함. Vertex, texture 좌표, normal, face 정보(한 면을 구성하는 vertex, texture, normal) 등이 담겨있음.

 

mtllib ./MTL파일명.mtl

v
v

vt
vt

vn
vn

usemtl xx
f v/vt/vn v/vt/vn v/vt/vn
f v/vt/vn v/vt/vn v/vt/vn

- mtllib .MTL파일명.mtl : 사용할 mtl 파일 지정

- v : vertex의 local 좌표

- vt : texture 좌표

- vn : normal 값

- usemtl xx : mtl 파일에서 사용할 재질명

- f : 하나의 face를 구성하는 vertex 위치, 텍스처, 노말 인덱스 

 

 

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- MTL : Material Library File 로 obj 에서 사용되는 재질 속성들의 정보를 담고 있음

 

An MTL file contains a sequence of material definitions, each beginning with the keyword newmtl and a name for the material. Statements in a material definition consist of a keyword, followed by keyword-specific options, values, or references to supplementary files for use as texture maps. The material definition ends either at the end of the file or at the next newmtl statement. The statements that define the characteristics of the material can be in any order. An example of a material definition is:

 

newmtl Wood
Ka 1.000000 1.000000 1.000000
Kd 0.640000 0.640000 0.640000
Ks 0.500000 0.500000 0.500000
Ns 96.078431
Ni 1.000000
d 1.000000
illum 0
map_Kd woodtexture.jpg

 

- newtmtl : 새로운 재질 선언

- Ns : 반사 지수 (0~1000)

- Ni : 표면 광학 밀도. 굴절률 (0.001~10)

- d : 투명도 (1 : 불투명, 1미만 : 투명도 적용)

- Tr : 1-d

- Tf : 빛의 투과 속성 (Tf 0 1 0 : G은 모두 통과, R, B는 모두 필터링)

- illum : 조명 모델 지정 (1,2,...,10)

 

- Kd : 확산 색상 (Diffuse)

- Ka : 주변 반사율 (Ambient)

- Ks : 정반사율 (Specular)

- Ke : 표면에서 방출되는 빛의 색상 (Emission)

 

- Ambient reflection : 광원에 직접 노출되지 않는 면에 밝기를 부여하기 위한 주변반사를 나타내는 값. 다른 물체에 반사된 빛에 의해 밝기가 생기고, 이러한 주변광은 거의 모든 방향으로 입사하기 때문에 어디서 얼만큼의 세기로 빛이 들어오는지 계산하기 복잡하다. 때문에 주변광은 시점의 위치에 무관하게 모든 면을 일정 크기로 밝기를 증가(상수)시키는 방법으로 대신한다. 즉, Ambient reflection 만으로는 광원의 위치를 알 수 없다.

- Diffuse reflection : 광원의 위치에 따른 명암 차이를 부여하기 위한 반사이며, 물체에 표면에 따라 확산되는 정도가 달라진다.

- Specular reflection : 반짝이는 표면에서 반사되는 일부 영역에서 하이라이트가 발생하는 반사. 표면에 입사한 입사각에 따라 반사각으로 대부분의 빛이 반사되는 reflection.

 

Phong model

 

- map_Kd : Diffuse map

- map_Ks : Specular map

- map_Ka : Ambient map

- map_Ns : Specular Highlight component

- map_bump : Bump map(Normal,...)

- map_d : Alpha texture map

 

* 렌더링하는 동안 Texture map(map_Kd, map_Ks,...) 값에 material option(Kd, Ks,...)을 곱하여 사용. Kd 값은 map_Kd의 가중치라고 볼 수 있음.