그림자 매핑

컴퓨터 그래픽스 게임 개발 마지막 수정: 2026-07-13 04:31:26

1. 개요[편집]

그림자가 뭐냐고? 광원이 못 본 곳이다. 그럼 광원 시점에서 한 번 찍어보면 되겠네.

그림자 매핑(Shadow mapping)은 광원의 시점에서 장면의 깊이(depth)를 미리 렌더링해 저장해 두고(그림자 맵), 실제 카메라 렌더링 때 각 픽셀을 광원 공간으로 변환해 깊이를 비교함으로써 그 점이 그림자 안에 있는지 판정하는 실시간 그림자 기법이다. 1978년 Lance Williams가 제안했고¹, 광선을 일일이 쏘지 않고도 한 번의 추가 렌더 패스로 그림자를 얻을 수 있어 지난 40여 년간 실시간 렌더링의 사실상 표준 그림자 기법으로 군림해 왔다.

핵심 아이디어는 그림자의 정의를 뒤집는 것이다. **“광원에서 어떤 표면점까지 가는 길에 다른 물체가 가로막고 있으면 그림자”**인데, 이걸 광원 시점에서 보면 “광원이 볼 수 있는 가장 가까운 표면만 밝고, 그 뒤는 전부 그림자”가 된다. 그래서 광원에서 본 각 방향의 최단 깊이만 기록해 두면, 나중에 임의의 점이 그 최단 깊이보다 멀리 있는지(=가려졌는지)를 비교 한 번으로 알 수 있다.

2. 두 패스 알고리즘[편집]

그림자 매핑은 두 번의 렌더 패스로 구성된다.

1패스 — 깊이 렌더링: 카메라를 광원 위치에 놓고 장면을 렌더링하되, 색은 버리고 깊이 버퍼만 텍스처(그림자 맵)로 저장한다. 이 텍스처의 각 텍셀은 “광원에서 그 방향으로 가장 가까운 표면까지의 거리”를 담는다. 방향광은 직교 투영, 점광·스포트라이트는 원근 투영을 쓴다.

2패스 — 그림자 판정: 카메라 시점에서 정상적으로 장면을 그리면서, 각 프래그먼트의 월드 좌표 $\mathbf{p}$ 를 광원의 뷰-투영 행렬로 변환해 그림자 맵 좌표 $(u, v)$ 와 광원 기준 깊이 $d$ 를 얻는다. 그리고 그 좌표의 저장된 깊이 $z_{\text{map}}$ 과 비교한다.

\text{shadow}(\mathbf{p}) = \begin{cases} 1 & d - \varepsilon > z_{\text{map}}(u,v) \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}

$d$ 가 저장된 깊이보다 멀면 그 사이에 뭔가 가로막고 있다는 뜻이니 그림자(1), 아니면 빛을 받는다(0). 여기서 $\varepsilon$ 이 바로 그 악명 높은 **깊이 편향(depth bias)**인데, 이게 없으면 지옥이 열린다.

3. 그림자 여드름과 피터 패닝[편집]

그림자 매핑을 처음 구현하면 반드시 만나는 두 가지 아티팩트가 있다. 둘 다 깊이 편향 $\varepsilon$ 과 얽혀 있고, 서로 반대 방향으로 당긴다.

그림자 여드름(shadow acne): 편향이 부족할 때 생긴다. 그림자 맵의 텍셀은 유한한 해상도라 하나의 텍셀이 표면의 넓은 영역을 대표하는데, 표면이 광원에 비스듬할수록 같은 텍셀 안에서 실제 깊이가 들쭉날쭉해진다. 그 결과 밝아야 할 표면이 스스로를 가리며(self-shadowing) 얼룩말 무늬 줄무늬가 생긴다.²
피터 패닝(peter panning): 여드름을 없애려고 편향을 너무 키우면 반대로 그림자가 물체 발밑에서 떨어져 나가, 캐릭터가 공중에 붕 뜬 것처럼 보인다. 피터팬처럼 그림자와 분리된다고 이 이름이 붙었다.

이 둘 사이의 좁은 골짜기를 찾는 게 그림자 매핑 튜닝의 절반이다. 표면 기울기에 비례해 편향을 주는 경사 스케일 편향(slope-scaled bias), 앞면 대신 뒷면을 그림자 맵에 렌더링하는 프론트페이스 컬링, 두 깊이의 중간값을 쓰는 노멀 오프셋 등이 실전 대응책이다.

4. 부드러운 그림자와 앨리어싱 대책[편집]

기본 그림자 매핑의 판정은 0 아니면 1이라, 그림자 경계가 텍셀 단위로 계단처럼 각진다. 이걸 부드럽게 만드는 게 다음 과제.

PCF(Percentage-Closer Filtering): 그림자 맵을 한 텍셀만 보지 말고 주변 $n \times n$ 텍셀에서 각각 깊이 비교를 한 뒤, 그림자인 비율을 평균낸다. 경계에 부드러운 반음영(penumbra)을 만든다. 가장 널리 쓰이는 국룰.
VSM(Variance Shadow Maps): 깊이의 평균과 분산을 저장하고 체비쇼프 부등식으로 그림자 확률을 추정. 미리 블러를 적용할 수 있어 부드럽지만, 빛 번짐(light bleeding) 아티팩트가 흠.
CSM(Cascaded Shadow Maps): 넓은 야외 장면에서 카메라 절두체를 거리별로 여러 구간(cascade)으로 쪼개, 가까운 곳은 고해상도 그림자 맵, 먼 곳은 저해상도를 배정한다. 방향광(태양) 그림자의 원근 앨리어싱을 잡는 사실상 표준.³

5. 레이 트레이싱 그림자와의 비교[편집]

그림자 매핑의 대안은 레이 트레이싱으로 그림자 광선(shadow ray)을 직접 쏘는 것이다. 표면점에서 광원으로 광선을 쏴 도중에 뭔가에 맞으면 그림자. 이 방식은 편향·해상도·피터패닝 같은 그림자 맵 특유의 골칫거리가 원천적으로 없고, 경계 볼륨 계층으로 가속하면 픽셀 단위로 정확한 경계를 준다.

대신 비용이 다르다. 그림자 매핑은 광원당 텍스처 한 장이면 화면 해상도와 무관하게 저렴한 반면, 레이 트레이싱 그림자는 픽셀마다(부드러운 그림자면 픽셀당 여러 광선) 트리 순회 비용을 치른다. 최근 RTX 세대 하드웨어 레이 트레이싱이 대중화되며 하이엔드에서는 레이트레이스드 그림자가 늘고 있지만⁴, 모바일·중급기와 대다수 게임에서는 여전히 그림자 매핑(특히 CSM+PCF)이 주력이다. 물리 기반 렌더링과 전역 조명 파이프라인에서도 직접광 그림자는 그림자 맵으로, 간접광은 별도 기법으로 나눠 처리하는 하이브리드가 흔하다.

6. 관련 문서[편집]

Williams, L. (1978). Casting Curved Shadows on Curved Surfaces. SIGGRAPH. 반세기 가까이 된 아이디어가 아직도 게임 그래픽 옵션 메뉴에 “그림자 품질”로 살아 있다. 잘 만든 알고리즘은 늙지 않는다. ↩
여드름(acne)이라는 작명은 정확히 그 얼룩덜룩한 표면 무늬 때문이다. 사춘기 피부와 3D 렌더링이 같은 단어를 공유하는 흔치 않은 순간. ↩
태양광 그림자를 화면 전체에 균일한 해상도로 깔면, 발밑 그림자는 뭉개지고 지평선 그림자는 낭비된다. 카메라와 가까운 곳에 텍셀 예산을 몰아주는 CSM이 이 불균형을 해결한다. 사실상 그림자판 LOD(Level of Detail). ↩
하드웨어 레이 트레이싱은 경계 볼륨 계층 순회를 전용 코어로 가속한다. 그림자 광선은 “맞았냐 안 맞았냐”만 필요해 가장 싼 종류의 광선이라, 실시간 레이 트레이싱이 가장 먼저 실용화된 용도가 바로 그림자였다. ↩