[Graphics] 3D 모델링을 위한 OBJ & MTL 파일 구조와 PBR 재질 정리

📌 PBR(Texture)와 3D 모델의 Material 속성

 

PBR(Physically Based Rendering)은 빛의 반사, 굴절, 투과 등의 물리적 원리를 기반으로 3D 모델의 표면을 사실적으로 표현하는 렌더링 기법이다. 이 방식은 현실 세계의 재질과 빛의 상호작용을 모사하여 시각적으로 더 자연스러운 결과를 만든다. PBR 표현에서 각 재질의 속성은 다양한 텍스처 맵(Texture Map)으로 구성되며, 이를 통틀어 PBR 텍스처(PBR Texture)라고 부른다. 아래는 일반적으로 사용되는 주요 맵들과 그 의미이다.

 

1. Albedo (Base Color, Diffuse)

• 객체의 표면 색상을 나타내는 기본 컬러 텍스처이다.
• 조명, 그림자, 반사 등의 정보 없이 ‘순수한 색상’만 담고 있다.
• Diffuse는 이전 방식으로, 광 반사 정보를 일부 포함한 경우가 많다. PBR에서는 Albedo를 더 많이 사용한다.

2. Normal / Bump / Displacement / Height Map

• 표면의 디테일(홈, 돌출, 질감)을 실제 지오메트리 없이 시뮬레이션하는 데 사용된다.
• Normal Map: RGB 채널을 통해 각 픽셀의 법선 벡터를 바꾸어 빛 반사를 조작함.
• Bump Map: 밝기 값(Grayscale)으로 높낮이를 표현. 시각적 변화만 있고 실제 지오메트리 변화는 없음.
• Height / Displacement Map: 실제 표면을 변형시켜 메시를 물리적으로 바꿀 수 있음. 주로 고급 렌더링에서 사용됨.

3. Roughness (또는 Glossiness)

• 표면의 거칠기를 나타내는 그레이스케일 맵이다.
• 밝을수록 거칠고(diffuse), 어두울수록 매끄럽고(glossy) 반사도가 높다.
• 일부 엔진은 Glossiness(=1 - Roughness)를 사용하므로 표현 방식에 주의해야 한다.

4. Metalness

• 해당 픽셀이 금속인지 아닌지를 나타낸다.
• 금속은 보통 흰색(1), 비금속은 검정(0)으로 표시된다.
• 금속은 반사와 빛의 흡수가 강하고, 비금속은 주로 확산 반사를 일으킨다.

5. Specular (Reflection)

• 광원의 반사가 강하게 일어나는 부분을 제어한다.
• 금속이 아닌 재질에서 반사의 강도나 색을 별도로 조절할 때 사용된다.
• 일부 워크플로우에서는 Metal-Roughness 모델 대신 Specular-Glossiness 모델을 사용한다.

6. Opacity (Alpha Map)

• 표면의 투명도를 제어하는 맵이다.
• 흰색(1)은 완전 불투명, 검정(0)은 완전 투명이다.
• 식물 잎, 유리, 얇은 천 등의 재질 표현에 사용된다.

7. Ambient Occlusion (AO)

• 구석이나 틈처럼 빛이 닿기 어려운 부분을 더 어둡게 표현하는 맵이다.
• 주변 광이 차단되는 영역을 강조하여 깊이감과 입체감을 향상시킨다.

8. Refraction

• 투명한 재질(예: 유리, 물)을 통과한 빛의 굴절을 제어한다.
• 주로 굴절률(Index of Refraction, IOR)을 이용해 계산되며, 별도의 맵으로 정의되기도 한다.

9. Emissive (Self-Illumination)

• 자체적으로 빛을 내는 재질(예: LED, 불꽃)을 표현할 때 사용된다.
• 빛을 반사하는 것이 아닌, 스스로 광원을 가지는 효과를 낼 수 있다.

 

 

📌 OBJ & MTL 파일 구조

OBJ 파일

• 3D 모델의 형상(geometry), 정점(vertex), 텍스처 좌표, 노멀 벡터, 면(Face) 정보를 담는 텍스트 포맷.
• .mtl 파일과 함께 사용되어 재질과 텍스처 정보를 참조한다.

mtllib material.mtl       # 사용될 MTL 파일 지정
v 0.0 1.0 2.0             # Vertex
vt 0.5 0.5                # Texture Coordinate
vn 0.0 0.0 1.0            # Normal Vector
usemtl material1          # 사용할 재질 지정
f 1/1/1 2/2/2 3/3/3       # Face 정보 (v/vt/vn)

• mtllib: 사용될 .mtl (Material Library) 파일을 지정한다. .obj 파일에서 참조할 재질 정보를 포함한 파일이다.
  예: mtllib material.mtl
• usemtl: 현재부터 등장하는 면(face)에 적용할 재질 이름을 지정한다. .mtl 파일 내의 newmtl과 대응된다.
  예: usemtl Wood
• v: 3D 공간 상의 정점(vertex)의 위치를 정의한다. 각 줄에 x, y, z 좌표를 실수로 적는다.
  예: v 1.0 0.0 2.5
• vt: 텍스처 좌표(2D)를 정의한다. 각 점의 u, v 좌표로 텍스처 이미지를 매핑할 때 사용된다.
  예: vt 0.3 0.7
• vn: 법선 벡터(normal vector)를 정의한다. 표면의 방향을 나타내며, 조명 효과 계산 시 사용된다.
  예: vn 0.0 1.0 0.0
• f: 면(face)을 정의한다. 여러 개의 정점을 연결해 폴리곤(보통 삼각형 또는 사각형)을 생성한다.
  각 정점은 v/vt/vn 형식으로 인덱스를 참조한다.
  예: f 1/1/1 2/2/1 3/3/1
• g: 지오메트리 그룹(group)을 정의한다. 모델을 의미 있는 파트별로 나누어 관리할 수 있도록 한다.
  예: g LeftWing
• o: 하나의 독립적인 오브젝트(object)를 정의한다. 여러 오브젝트를 포함한 .obj 파일에서 각 파트를 구분할 수 있다.
  예: o CarBody
• s: 스무딩 그룹(smoothing group)을 지정한다. 부드러운 표면 렌더링을 할지 여부를 결정한다.
  예: s 1 (스무딩 적용), s off (스무딩 미적용)

 

MTL 파일

• 재질 속성 정보를 정의하는 파일이며, 각 텍스처 맵을 참조한다.

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

• newmtl: 새로운 재질 선언
• Ka, Kd, Ks: Ambient / Diffuse / Specular 색상
• Ns: 반사 지수 (광택의 강도)
• d: 투명도 (1은 불투명, 0은 완전 투명)
• Ni: 굴절률(Index of Refraction)
• Ke: Emissive 색상
• illum: 조명 모델 (예: 0 = ambient only, 2 = diffuse & specular 사용)
• map_*: 각 텍스처 맵을 참조 (map_Kd = Diffuse, map_bump = Normal 등)

 

📌 광원과 표면의 상호작용: 반사 종류

Phong model

Ambient Reflection (주변 반사)

• 광원이 직접 닿지 않는 영역에 기본적인 밝기를 부여하는 간접 조명 효과이다.
• 현실 세계에서는 다른 물체나 벽에 반사된 빛이 다시 물체에 닿아 어두운 부분을 부드럽게 밝히는데, 이 과정을 계산하기 복잡하기 때문에 모든 방향에서 일정하게 들어오는 빛으로 간주하고 단순화시킨다.
• 주로 일정한 상수 값으로 처리하며, 시점이나 광원의 위치와 관계없이 전체적으로 균일한 밝기를 더해준다.
• 따라서 Ambient Reflection만으로는 그림자나 입체감 표현이 어렵고, 광원의 위치를 알 수 없다.

Diffuse Reflection (확산 반사)

• 광원이 물체 표면에 닿을 때, 표면의 거칠기로 인해 빛이 여러 방향으로 고르게 퍼지는 반사 현상이다.
• 물체가 보는 방향과 상관없이 빛의 세기와 표면의 법선 벡터(normal vector) 사이의 각도에 따라 밝기가 결정된다.
• 대표적으로 매트한(광택 없는) 표면에서 발생하며, 물체의 입체감과 명암 표현에 중요한 역할을 한다.
• Lambert 법칙을 기반으로 계산된다.

Specular Reflection (정반사 또는 거울 반사)

• 표면이 매끄러울수록 발생하며, 빛이 입사각 = 반사각의 법칙에 따라 특정 방향으로 집중되어 반사된다.
• 이 반사로 인해 표면에 반짝이는 하이라이트(광점, highlight)가 생긴다.
• 관찰자의 시점에 따라 밝기가 달라지므로, 시점 의존적인 반사이다.
• 금속, 유리, 물과 같은 표면에서 강하게 나타나며, 표면의 광택과 빛의 집중도를 표현하는 데 필수적이다.
• Phong 모델, Blinn-Phong 모델 등에서 수학적으로 모델링된다.