[DirectX11] Normal Mapping

DirectX 11로 게임 엔진 아키텍처 만들기

게임 개발과 3D 그래픽스를 공부하는 과정에서, 우리는 다양한 시각적 기법을 통해 장면의 실감나는 표현을 추구합니다. 이 중 Normal Mapping은 3D 모델의 디테일을 향상시키면서도 성능을 최적화하는 효과적인 방법 중 하나입니다.

 

참고강의 링크:

https://www.inflearn.com/course/directx11-%EA%B2%8C%EC%9E%84%EA%B0%9C%EB%B0%9C-%EB%8F%84%EC%95%BD%EB%B0%98/dashboard

[게임 프로그래머 도약반] DirectX11 입문 강의 - 인프런

Normal Mapping이란?

Normal Mapping은 3D 모델의 표면 디테일을 높이기 위해 사용되는 기법입니다. 모델의 각 픽셀에 대한 노멀(표면의 방향) 정보를 텍스처로 저장하고, 이를 렌더링 시에 활용하여 빛의 반사를 계산합니다. 이 방법은 모델에 추가적인 다각형을 추가하지 않고도, 높은 디테일을 가진 표면을 시뮬레이션할 수 있게 해줍니다.

기본 원리

• 노멀 맵: RGB 이미지로, 각 채널은 각각의 방향(X, Y, Z)에 대한 노멀 벡터의 값을 가집니다. 이 값들은 표면의 방향 변화를 나타냅니다.
• 렌더링 과정: 렌더링 시, 노멀 맵에서 추출한 노멀 벡터를 사용하여 빛의 반사를 계산합니다. 이는 표면의 미세한 높낮이 차이를 고려하여, 더욱 리얼리틱한 조명 효과를 생성합니다.

Normal Mapping의 장점

• 디테일 향상: 고해상도의 노멀 맵을 사용함으로써, 모델의 디테일을 크게 향상시킬 수 있습니다.
• 성능 최적화: 추가적인 지오메트리를 사용하지 않으므로, 렌더링 성능에 미치는 영향이 적습니다.
• 다양한 사용 사례: 거친 표면, 직물의 질감, 벽돌 벽과 같은 다양한 재질의 표현에 사용될 수 있습니다.

NormalMapping

#include "00. Global.fx" 
#include "00. Light.fx"

// 정점 쉐이더: 입력 정점을 처리하여 출력 정점을 생성합니다.
MeshOutput VS(VertexTextureNormalTangent input)
{
	MeshOutput output; // 출력 정점 구조체
	output.position = mul(input.position, W); // 정점 위치를 월드 좌표로 변환
	output.worldPosition = input.position.xyz; // 월드 좌표로의 변환을 저장 (추후 조명 계산에 사용)
	output.position = mul(output.position, VP);	// 뷰-프로젝션 행렬을 적용하여 최종적인 스크린 좌표를 계산
	output.uv = input.uv; // 텍스처 좌표는 직접 전달
	output.normal = mul(input.normal, (float3x3)W); // 정점의 법선 벡터를 월드 좌표로 변환
	output.tangent = mul(input.tangent, (float3x3)W); // 정점의 탄젠트 벡터를 월드 좌표로 변환

	return output; // 변환된 정점 데이터를 반환
}

// 픽셀 쉐이더: 변환된 정점 데이터를 기반으로 최종 픽셀 색상을 계산합니다.
float4 PS(MeshOutput input) : SV_TARGET
{
	ComputeNormalMapping(input.normal, input.tangent, input.uv); // 정규 매핑을 계산하여 법선 벡터를 수정

	float4 color = ComputeLight(input.normal, input.uv, input.worldPosition); // 수정된 법선과 다른 입력을 기반으로 조명을 계산

	return color; // 최종 색상 반환
}

// 렌더링 기법 정의: 하나의 패스를 사용하여 정점 쉐이더와 픽셀 쉐이더를 지정
technique11 T0
{
	PASS_VP(P0, VS, PS)
};

프로젝트 호출

NormalMappingDemo.h

#pragma once
#include "IExecute.h"
#include "Geometry.h"

class NormalMappingDemo : public IExecute
{
public:
	void Init() override;
	void Update() override;
	void Render() override;

	shared_ptr<Shader> _shader;

	shared_ptr<GameObject> _obj;
	shared_ptr<GameObject> _obj2;
	shared_ptr<GameObject> _camera;
};

NormalMappingDemo.cpp

#include "pch.h"
#include "18. NormalMappingDemo.h"
#include "GeometryHelper.h"
#include "Camera.h"
#include "CameraScript.h"
#include "Transform.h"
#include "Texture.h"
#include "ResourceBase.h"
#include "MeshRenderer.h"
#include "GameObject.h"
//#include "RenderManager.h"
#include "Material.h"

void NormalMappingDemo::Init()
{
	RESOURCES->Init();
	_shader = make_shared<Shader>(L"14. NormalMapping.fx");

	//Material
	{
		shared_ptr<Material> material = make_shared<Material>();
		{
			material->SetShader(_shader);
		} 
		{
			auto texture = RESOURCES->Load<Texture>(L"Leather", L"..\\Resources\\Texture\\Leather.jpg");
			material->SetDiffuseMap(texture);
		}
		{
			auto texture = RESOURCES->Load<Texture>(L"LeatherNormal", L"..\\Resources\\Texture\\Leather_Normal.jpg");
			material->SetNormalMap(texture);
		}

		MaterialDesc& desc = material->GetMaterialDesc();
		desc.ambient = Vec4(1.0f);
		desc.diffuse = Vec4(1.0f);
		desc.specular = Vec4(1.0f);
		desc.emissive = Vec4(1.0f);

		RESOURCES->Add(L"Leather", material);
	}

	// Camera
	_camera = make_shared<GameObject>();
	_camera->GetOrAddTransform()->SetWorldPosition(Vec3{ 0.f, 0.f, -10.f });
	_camera->AddComponent(make_shared<Camera>());
	_camera->AddComponent(make_shared<CameraScript>());

	// Object
	_obj = make_shared<GameObject>();
	_obj->GetOrAddTransform();
	_obj->AddComponent(make_shared<MeshRenderer>());
	{
		auto mesh = RESOURCES->Get<Mesh>(L"Sphere");
		_obj->GetMeshRenderer()->SetMesh(mesh);
	}
	{
		auto material = RESOURCES->Get<Material>(L"Leather");
		_obj->GetMeshRenderer()->SetMaterial(material);
	}

	// Object2
	_obj2 = make_shared<GameObject>();
	_obj2->GetOrAddTransform()->SetWorldPosition(Vec3{ 0.5f, 0.f, 2.f });
	_obj2->AddComponent(make_shared<MeshRenderer>());
	{
		auto mesh = RESOURCES->Get<Mesh>(L"Cube");
		_obj2->GetMeshRenderer()->SetMesh(mesh);
	}
	{
		auto material = RESOURCES->Get<Material>(L"Leather");
		MaterialDesc& desc = material->GetMaterialDesc();

		_obj2->GetMeshRenderer()->SetMaterial(material);
	}

	// Object
	//RENDER->Init(_shader);
}

void NormalMappingDemo::Update()
{
	_camera->Update();
	//RENDER->Update();
	{
		LightDesc lightDesc;
		lightDesc.ambient = Vec4(0.f);
		lightDesc.diffuse = Vec4(0.f);
		lightDesc.specular = Vec4(0.f);
		lightDesc.emissive = Vec4(1.f,0.0f,0.0f,1.0f);
		lightDesc.direction = Vec3(1.f,0.0f,1.0f);
		//RENDER->PushLightData(lightDesc);

	}
	{
		MaterialDesc desc;
		desc.ambient = Vec4(0.2f);
		desc.diffuse = Vec4(1.0f);
		desc.specular = Vec4(1.0f);
		desc.emissive = Color(0.3f,0.f,0.f,0.5f);

		//RENDER->PushMaterialData(desc);
		_obj->Update();
	}
	{
		MaterialDesc desc;
		desc.ambient = Vec4(0.1f);
		desc.diffuse = Vec4(1.0f);
		//desc.specular = Vec4(1.0f);

		//RENDER->PushMaterialData(desc);
		_obj2->Update();
	}
}

void NormalMappingDemo::Render()
{

}

결론

Normal Mapping은 DirectX11 게임 개발과 3D 그래픽스에서 중요한 기법 중 하나입니다. 이를 통해, 개발자와 아티스트는 성능 부담을 크게 늘리지 않으면서도, 높은 수준의 시각적 디테일을 달성할 수 있습니다.