Substance Painter 기초: PBR, Materials, Textures 소개

이 튜토리얼에서는 PBR이 무엇인지, Substance에서 PBR Material을 정의하기 위해 기본 Textures가 어떻게 사용되는지, 그리고 무엇보다도 그것들이 어떻게 함께 작동하는지를 살펴보겠습니다.

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안녕하세요 여러분! 여러분이 이 영상을 보고 있다면, 아마 이미 알고 계시겠지만 Substance Painter는 3D 모델용 Materials와 Textures를 제작할 수 있는 소프트웨어 애플리케이션입니다. 3D 모델 파일을 Substance Painter로 가져온 뒤, 여기에서 Texture 이미지를 생성하고 이를 지오메트리에 매핑한 다음, 완성된 Texture와 함께 이미지를 Export하여 Unity나 Unreal 같은 게임 엔진에서 비디오 게임이나 가상 및 증강 현실 애플리케이션 제작에 사용할 수 있습니다. 또한 Blender 3D, 3D Studio MAX, Maya 같은 애니메이션 및 렌더링 소프트웨어나 Sketchfab 같은 인터넷 기반 실시간 3D 시각화 시스템 등 다양한 환경에서도 활용할 수 있습니다.

계속 진행하기 전에, 사실 프로그램 인터페이스나 새로운 빈 Substance Painter 프로젝트에 3D 모델을 가져오는 방법을 설명하기 전부터 먼저 Material이 무엇을 의미하는지 설명할 필요가 있습니다.

Material은 3D 오브젝트에 적용되었을 때, 가상 장면에서 조명과 렌더링 시 어떻게 동작할지를 정의하는 정보의 집합입니다. 렌더링, 즉 화면에 표시되는 최종 이미지가 정적이든 실시간이든 간에, 이는 가상 장면 안에서 빛과 표면의 상호작용 결과입니다. 한쪽에는 가상 램프부터 조명 환경 Texture까지 다양한 종류의 광원이 있고, 다른 한쪽에는 오브젝트의 표면 또는 경우에 따라 볼륨이 있습니다. 이후에는 이 초기 결과 위에 후처리 효과를 추가할 수도 있지만, 이름 그대로 이는 렌더링 과정 이후에 적용되는 효과와 필터입니다.

자, 그렇다면 Material은 정보의 집합이라고 했는데... 어떤 종류의 정보일까요?

렌더링을 생성하기 위해 사용하는 이론적 모델, 또는 "scheme", "method", "paradigm"에 따라 서로 다른 유형의 정보를 지정할 수 있으며, 각각 고유한 특성을 가집니다. 특히 Substance Painter는 Physically Based Rendering 모델, 즉 PBR 모델을 따르는 Materials를 정의할 수 있도록 해줍니다. 경우에 따라서는 PBS라는 약어를 보게 될 수도 있는데, 이는 Physically Based Shading의 약자로 오브젝트 표면의 셰이딩을 의미합니다.

이 튜토리얼에서는 PBR 이론 자체를 깊게 다루지는 않을 것입니다. 이 부분은 별도의 전용 튜토리얼에서 다룰 예정입니다. 여기에서는 Substance에서 PBR Material을 정의하는 데 사용되는 기본적인 Textures와, 무엇보다도 그것들이 서로 어떻게 함께 작동하는지를 살펴보겠습니다. 이러한 개념을 이해하는 것은 Materials를 자신 있게 제작하고 커스터마이즈하기 위해 매우 중요합니다. 그래야 Material 정보 채널의 파라미터를 바꿀 때마다 추측에 의존하지 않게 됩니다.

이 영상을 지나치게 이론적으로 만들지 않기 위해, 이미 이 소프트웨어에서 Materials와 Textures가 제작된 3D 모델을 사용하여 PBR의 기본 요소와 Substance에서 그것들이 어떻게 구현되는지를 설명하겠습니다.

Physically Based Rendering 패러다임은 이름 그대로 물리적인 접근 방식을 기반으로 하며, 이는 현실 세계에서 사물이 어떻게 동작하는지를 참고한다는 의미입니다.

Materials는 Metallic 워크플로우와 Specular 워크플로우라는 두 가지 방식으로 정의할 수 있습니다.

Metallic 워크플로우에서는 표면을 금속 재질과 비금속 재질로 나누고, 이러한 구분을 기준으로 다른 모든 채널이 서로 다르게 동작합니다.

반면 Specular 워크플로우에서는 스페큘러 반사의 강도와 색조를 정의하여, 오브젝트 표면과 상호작용하는 빛이 어떻게 동작할지를 결정합니다.

특히 이 예제에서 사용하고 있는 PBR Metallic 워크플로우에서는 표면의 외형이 여러 특성에 의해 결정되며, 그중 가장 중요한 것은 다음과 같습니다.

먼저 그것의 성질입니다. 즉 금속인지 비금속인지, 또는 dielectric이라고 불리는 재질인지를 구분합니다.

그리고 Base Color입니다. 금속 오브젝트에서는 빛 반사의 강도를 정의하며, 비금속 오브젝트에서는 조명 효과를 제외한 실제 표면 색상을 나타냅니다.

또한 표면의 부드러움 정도, 즉 Glossiness 또는 반대로 Roughness 수준도 포함됩니다.

현실 세계에서 관찰되는 이러한 특성 외에도, 가상 세계에서 유용한 추가 기능들이 더해집니다. 예를 들어 Normal Maps나 Height Maps 같은 특정 Texture 이미지를 사용하면, 실제로 지오메트리에 디테일을 모델링하지 않고도 디테일이 존재하는 것처럼 시뮬레이션할 수 있습니다. 이를 통해 버텍스, 엣지, 폴리곤 수를 줄여 렌더링 시 계산 자원을 절약할 수 있으며, 특히 비디오 게임이나 기타 실시간 애플리케이션에서 매우 중요합니다.

이 영상에서 사용하고 있는 나무 배럴은 하나의 오브젝트 안에서 이러한 기본 정보들이 어떻게 Textures로 변환되고 Substance Material 안에서 결합되는지를 살펴보기에 좋은 예제입니다.

3D View에서 오브젝트에 적용된 전체 Material의 미리보기를 표시하려면 Material의 약자인 M 키를 누르거나, 3D View 오른쪽 상단의 드롭다운 메뉴에서 Material을 선택하면 됩니다.

보시다시피 철로 된 금속 요소와 나무로 된 비금속 요소가 모두 존재합니다. 이를 통해 PBR 패러다임에서 이 두 가지 재질 유형이 어떻게 다르게 처리되는지를 확인할 수 있으며, 특히 Base Color 정의와 스페큘러 반사 색상 측면에서 그 차이를 이해할 수 있습니다.

오브젝트 표면에 적용된 다양한 Texture 이미지에 해당하는 개별 정보 채널을 표시하려면 C 키를 여러 번 누르거나, 3D View 오른쪽 상단 드롭다운 메뉴에서 원하는 채널을 선택하면 됩니다.

먼저 Metallic 채널부터 살펴보겠습니다. 이 채널은 흑백 이미지를 사용하여 Material의 어떤 부분을 금속으로 처리하고 어떤 부분을 비금속으로 처리할지를 정의합니다. 흰색은 순수한 금속을 의미하고 검은색은 순수한 비금속을 의미합니다. 이 배럴의 경우 회색 영역도 존재하는데, 이는 금속 부분에 사용된 "Iron Old" Material이 먼지나 녹이 묻은 오래된 철을 표현하기 위한 것이기 때문입니다. 즉 말하자면 금속성이 감소된 상태를 표현하는 것입니다.

반면 나무 부분은 완전히 검게 표시되며, 예상대로 비금속이라는 의미입니다.

이제 두 번째 핵심 PBR 채널인 Base Color로 넘어가겠습니다.

보시다시피 이 정보 채널은 조명이나 셰이딩 효과 없이 오브젝트의 기본 색상을 컬러 Texture로 표시합니다. 말하자면 "평면적인" Textures입니다. 금속 부분과 나무 부분의 색상은 강도 측면에서 비슷하게 보입니다. 물론 색상 자체는 다르지만, 서로 완전히 다른 물질임에도 시각적으로는 극단적으로 다르게 느껴지지는 않습니다.

그 이유는 셰이딩과 렌더링 과정에서 Substance가 Metallic 채널과 관련 Texture를 사용하여 표면이 금속인지 비금속인지에 따라 빛 반사를 다르게 처리하기 때문입니다. 금속 부분의 Base Color 안에 있는 회색 값은 빛 반사의 강도와 반사에 적용될 수 있는 색조를 정의합니다.

Iron Old Material은 "더러운" Material이기 때문에 효과가 그렇게 두드러지지는 않지만, 제가 나무 Material과 금속 Material 사이에 Substance의 "Aluminium Pure" Material을 추가하고 아래에 있는 Iron Old Material을 비활성화하면 여러 채널과 최종 결과에서 어떤 변화가 일어나는지 보겠습니다.

모든 정보 채널을 결합한 최종 결과, 즉 Material View에서는 금속 부분이 이전보다 훨씬 더 강하게 반사되는 것을 볼 수 있습니다.

Metallic 채널에서는 금속 부분이 순수한 흰색으로 표시되며, 이는 완전히 순수한 금속을 의미합니다.

Base Color 채널에서는 금속 부분이 거의 흰색에 가깝게 표시되는데, 이는 해당 영역의 스페큘러 반사 강도가 최대이며 색조가 전혀 적용되지 않음을 의미합니다.

이제 Aluminium Pure의 Metallic 파라미터를 0으로 설정하면 어떻게 되는지 보겠습니다. 금속 밴드는 흰색으로 변하고, 이전처럼 반사되지 않으며, 흰색 플라스틱처럼 보이게 됩니다.

이제 Metallic을 다시 1로 설정하고 Base Color 값을 낮춰보겠습니다. 밴드는 금속 특유의 반사 특성을 유지하지만 점점 더 어두워집니다.

이것이 핵심 포인트입니다. 여기에서 사용 중인 Metallic 워크플로우에서는 오브젝트의 Base Color만으로는 표면이 얼마나 반사적인지를 정의하기에 충분하지 않습니다. 왜냐하면 그것이 금속인지 아닌지도 함께 지정해야 하기 때문입니다. 금속에서는 Base Color의 강도가 곧 빛과 스페큘러 반사의 강도가 되지만, 비금속에서는 Base Color가 실제 표면 색상만 정의합니다. 배럴의 나무 부분이 바로 그런 예입니다.

이제 세 번째 핵심 Material 채널인 Roughness의 효과를 보여주기 위해 Aluminium Pure Material은 활성 상태로 유지하고 Iron Old는 비활성화한 상태로 두겠습니다.

Roughness는 매끄러움의 반대 개념이며 Metallic 맵처럼 흑백 이미지로 표현됩니다. 흰색은 최대 Roughness를 의미하고 검은색은 완전히 매끄럽고 완전 반사되는 표면을 의미합니다. 실제로 완벽한 거울은 PBR에서 순수 흰색 Base Color를 가진 금속 Material에 Roughness를 0으로 설정하여 구현합니다. 지금 화면에서 보여드리는 것처럼 말이죠.

Roughness 값을 높이면 표면이 덜 매끄러워지고, 따라서 스페큘러 반사가 더 확산되거나 흐릿해집니다. 이는 금속과 비금속 모두에 적용됩니다.

이제 Aluminium Pure Material을 제거하고 Iron Old를 다시 활성화하여 원래 프로젝트 설정으로 돌아간 뒤, Computer Graphics에서 실제 지오메트리에 디테일을 모델링하지 않고도 렌더링 중 표면 디테일을 추가할 수 있게 해주는 추가 정보들을 살펴보겠습니다.

그런 다음 3D View 오른쪽 상단의 선택 메뉴에서 "Normal + Height + Mesh" 옵션을 선택합니다.

이 뷰는 오브젝트 표면의 시뮬레이션 디테일에 영향을 주는 여러 정보 채널의 조합을 보여줍니다. 이러한 디테일이 없다면 오브젝트 표면은 매우 매끄럽고 현실감이 부족해 보일 것이며, 특히 나무 영역에서 그 차이가 두드러집니다.

특히 화면에 보이는 예제에서는 표면 디테일이 주로 "Fibers" 레이어를 통해 나무 부분에 구현되어 있습니다. 이러한 디테일이 있을 때와 없을 때 표면 외형이 어떻게 달라지는지 확인하려면 Layers 패널에서 해당 레이어를 활성화하거나 비활성화하면서, 3D View의 "Normal + Height + Mesh" 모드와 "Material" 모드를 동시에 비교하면 됩니다. 이러한 차이는 정면 조명보다는 측면 조명에서 더 잘 드러납니다.

금속 부분에도 유사한 효과가 존재하며, 이는 두 개의 Iron Old 레이어인 Iron과 Edges의 Height 및 Normal 정보 채널을 사용하여 구현됩니다. 보시는 것처럼 이러한 Textures 덕분에 표면이 훨씬 더 흥미롭게 보이며, 이것들이 없다면 지나치게 매끄럽고 평평해 보여 비현실적으로 느껴질 것입니다.

Material은 이미지로 구현된 정보의 집합이며, 일부는 흑백 이미지이고 일부는 컬러 이미지입니다. 이러한 정보는 오브젝트 표면에 매핑되고 특정 방식으로 결합되며, 여기에서는 PBR Metallic 패러다임이 사용됩니다. 이 정보는 오브젝트 표면과 광원이 어떻게 상호작용하여 최종 이미지를 생성할지를 정의합니다.

PBR은 현실 세계에서 관찰되는 재질 특성을 기반으로 하며, Computer Graphics에서는 그러한 특성을 나타내는 Textures를 적절히 결합하여 구현합니다.

PBR 방식에는 Metallic과 Specular라는 두 가지 워크플로우가 포함됩니다. 이 튜토리얼에서는 Metallic 워크플로우를 사용하는 예제를 살펴보았습니다.

PBR Metallic 워크플로우에서는 먼저 흑백 Texture를 사용하여 표면의 어떤 부분이 금속이고 어떤 부분이 비금속인지를 정의합니다.

금속 영역에서는 컬러 Texture인 Base Color 정보가 스페큘러 반사의 강도와 가능한 색조를 정의합니다. 반면 비금속 영역에서는 Base Color가 조명이나 셰이딩 효과 없는 실제 표면 색상만을 나타냅니다.

Roughness는 표면 거칠기의 정도를 나타냅니다. Roughness 값이 낮으면 반사가 매우 선명하고 또렷하며, 흰색 Base Color를 가진 금속 표면에서는 완벽한 거울처럼 동작합니다. Roughness 값이 증가할수록 빛 반사는 점점 더 확산되고 흐릿해집니다. Roughness는 Glossiness의 반대 개념입니다.

컬러 이미지인 Normal Textures와 특정 흑백 이미지인 Height Maps는 오브젝트 시각화 및 렌더링 중 표면 디테일이 존재하는 것처럼 시뮬레이션할 수 있게 해줍니다. 이는 지오메트리를 절약하고 계산 자원을 줄이는 데 유용하며, 특히 비디오 게임이나 가상 및 증강 현실 애플리케이션 같은 실시간 환경에서 중요합니다.

자, Substance Painter에서 PBR, Materials, Textures의 기본 요소를 소개하는 이번 입문용 비디오 튜토리얼은 여기까지입니다. 이번에는 이 네 가지 기본 정보 채널만 다루었으며, 앞으로 Height나 Ambient Occlusion 같은 개별 채널을 따로 분석하거나, 특정 효과를 만들기 위해 Material의 모든 채널이 어떻게 결합되는지를 함께 살펴보는 추가 튜토리얼도 제작할 예정입니다.

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