의 재질(Materials)

※ 이 글은 Three.js의 튜토리얼 시리즈로서, 먼저 Three.js의 기본 구조에 관한 글을 읽고 오길 권장합니다.

Three.js에는 기본으로 제공하는 재질(materials) 몇 개가 있습니다. 재질이란, 물체가 씬(scene)에 어떤 식으로 나타날지를 결정하는 요소로서, 어떤 재질을 사용할지는 전적으로 상황에 따라 판단해야 합니다.

재질의 속성(property)를 정하는 방법은 크게 두 가지로 나뉩니다. 하나는 이전처럼 생성자를 호출할 때 값을 넘겨주는 것이고,

const material = new THREE.MeshPhongMaterial({
  color: 0xFF0000,    // 빨강 (CSS처럼 문자열로 넘겨줄 수도 있음. "#ff0000")
  flatShading: true,
});

다른 하나는 생성한 뒤에 바꾸는 것이죠.

const material = new THREE.MeshPhongMaterial();
material.color.setHSL(0, 1, .5);  // 빨강
material.flatShading = true;

물론 HSL 색상 모델 외에 rgb, hex 등 다양한 방법으로 색을 지정할 수 있습니다.

material.color.set(0x00FFFF);    // CSS의 #RRGGBB 형식
material.color.set(cssString);   /* CSS 색상 문자열, 예를 들어 'purple', '#F32',
                                  * 'rgb(255, 127, 64)',
                                  * 'hsl(180, 50%, 25%)' 등
                                  */
material.color.set(someColor)    // THREE.Color에 정의된 static 색상
material.color.setHSL(h, s, l)   // hsl 색상, 0부터 1까지
material.color.setRGB(r, g, b)   // rgb 색상, 0부터 1까지

생성시에도 hex 값 또는 CSS 문자열을 전달해도 됩니다.

const m1 = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0xFF0000});         // 빨강
const m2 = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 'red'});            // 빨강
const m3 = new THREE.MeshBasicMaterial({color: '#F00'});           // 빨강
const m4 = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 'rgb(255,0,0)'});   // 빨강
const m5 = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 'hsl(0,100%,50%)'); // 빨강

이제 Three.js의 기본 재질을 살펴보겠습니다.

MeshBasicMaterial은 광원의 영향을 받지 않습니다. MeshLambertMaterial은 정점에서만 광원을 계산하고, MeshPhongMaterial은 픽셀 하나하나 전부 광원을 계산합니다. 뿐만 아니라 MeshPhongMaterial은 반사점(specular highlights, 물체가 조명을 받을 때 물체에 나타나는 밝은 점. 역주)도 지원합니다.

MeshPhongMaterial의 shininess 속성으로 반사점의 밝기를 조절할 수 있습니다(기본값 30).

만약 MeshLambertMaterial이나 MeshPhongMaterial의 emissive 속성에 색상값을 지정하고, (MeshPhongMaterial은 shininess도 0으로 지정해야함) color 속성을 검정으로 지정하면 MeshBasicMaterial과 마찬가지로 입체감이 사라집니다.

왜 MeshPhongMaterial로 MeshBasicMaterial과 MeshLambertMaterial을 구현할 수 있는데 3가지로 분리해 놓았을까요? 이미 감을 잡으셨겠지만, 재질이 정교할수록 GPU의 부담이 커지기 때문입니다. GPU 성능이 낮은 저사양 기기에서는 덜 정교한 재질을 씀으로써 GPU의 부담을 줄일 수 있죠. 또한 복잡한 표현이 필요 없다면 더 간단한 재질을, 광원 효과가 아예 필요 없다면 MeshBasicMaterial을 사용하는 것이 좋습니다.

MeshToonMaterial은 MeshPhongMaterial과 유사하나, 큰 차이점이 하나 있습니다. 부드럽게 쉐이딩(shading)하는 대신, MeshToonMaterial은 그라디언트 맵(gradient map)을 사용합니다. 기본적으로 MeshToonMaterial은 처음 70%까지는 밝고 다음 100%까지는 어두운 그라디언트 맵을 사용하나, 그라디언트 맵을 직접 지정해 줄 수도 있죠. MeshToonMaterial로 만든 물체는 투톤을 띄어 카툰 느낌을 줍니다.

다음으로 살펴 볼 두 재질은 물리 기반 렌더링을 위한 재질입니다. 물리 기반 렌더링(Physically Based Rendering)은 줄여서 PBR이라고 하죠.

위에서 살펴본 재질들은 재질을 3D처럼 보이게 하기 위해 간단한 수학을 사용하나, 이는 실제 세계와는 다릅니다. 이 두 가지 PBR 재질은 실제 세계에서처럼 물체를 구현하기 위해 훨씬 복잡한 수학을 사용하죠.

첫 번째는 MeshStandardMaterial입니다.MeshPhongMaterial과 MeshStandardMaterial의 가장 큰 차이점은 사용하는 속성이 다르다는 점입니다. MeshPhongMaterial은 shininess를 사용하지만, MeshStandardMaterial은 roughness와 metalness 두 가지 속성을 사용합니다.

roughness는 roughness는 0부터 1까지의 숫자값으로, shininess의 반대입니다. 높은 roughness를 가진 물체, 예를 들어 야구공은 빛 반사가 거의 없지만, 반대로 낮은 roughness를 가진 물체, 당구공은 매우 번들번들하죠.

metalness는 얼마나 금속성입니다. 얼마나 금속 재질에 가까울 것인가로써, 0은 아예 금속 같지 않은 것이고, 1은 완전히 금속처럼 보이는 것을 의미합니다.

아래의 예제는 MeshStandardMaterial의 roughness를 왼쪽에서 오른쪽으로 커지게(0 -> 1), metalness를 위에서 아래로 커지게(0 -> 1) 한 것입니다.

MeshPhysicalMaterial은 MeshStandardMaterial과 기본적으로 같지만, 0부터 1까지의 clearcoat 속성으로 표면에 코팅 세기를 설정하고, clearcoatRoughness 속성으로 코팅의 거침 정도를 설정한다는 점이 다릅니다.

아래는 위의 예제와 마찬가지로 roughness와 metalness 속성을 주고 clearcoat 속성과 clearcoatRoughness 속성을 조정할 수 있도록 한 예제입니다.

여태까지 살펴본 Three.js의 기본 재질을 성능이 빠른 것부터 나열하면,

MeshBasicMaterial ➡ MeshLambertMaterial ➡ MeshPhongMaterial ➡ MeshStandardMaterial ➡ MeshPhysicalMaterial

입니다. 성능 부담이 클수록 더 현실적인 결과물을 얻을 수 있지만, 저사양 지원을 위해서는 코드 최적화에 그만큼 신경을 써야 합니다.

또 특수한 경우에 사용하는 세 가지 재질이 있습니다. ShadowMaterial은 그림자로부터 데이터를 가져오는 데 사용하죠. 아직 그림자에 대해서는 다루지 않았지만, 그림자에 대해서 살펴볼 때 씬 뒤에서 무슨 일이 일어나는지 자세히 살펴볼 것입니다.

MeshDepthMaterial은 각 픽셀의 깊이를 렌더링합니다. 카메라의 마이너스 near에 위치한 픽셀은 0으로, 마이너스 far에 위치한 픽셀은 1로 렌더링하죠. 이 재질을 사용해 구현할 수 있는 것에 대해서는 다른 글에서 나중에 다뤄보겠습니다.

MeshNormalMaterial은 geometry의 법선(normals)을 보여줍니다. 법선이란 특정한 삼각형이나 픽셀이 가리키는 방향을 의미하죠. MeshNormalMaterial은 카메라를 기반으로 법선을 렌더링합니다. x축은 빨강, y축은 초록, z축은 파랑이죠. 다시 말해 오른쪽 면은 분홍, 왼쪽 면은 청녹, 위쪽 면은 청녹, 아래쪽 면은 자주, 정면은 연보라가 됩니다.

ShaderMaterial과 RawShaderMaterial은 재질을 커스텀할 때 사용합니다. 둘의 차이점은 ShaderMaterial은 Three.js의 쉐이더 시스템을 이용하고, RawShaderMaterial은 아예 Three.js의 도움을 받지 않는다는 점이죠. 둘 다 짧게 다루기는 어려운 주제로, 나중에 상세하게 다루겠습니다.

재질 속성(properties)의 대부분은 Material 클래스에 의해 정의됩니다. 자세한 건 공식 문서를 참고하되, 여기서는 자주 사용하는 두 가지 속성만 살펴보도록 하죠.

flatShading: 물체를 각지게(faceted) 표현할지의 여부입니다. 기본값은 false.

side: 어떤 면을 렌더링할지의 여부입니다. 기본값은 THREE.FrontSide(앞면). 다른 값으로는 THREE.BackSide(뒷면)와 THREE.DoubleSide(양면)를 지정할 수 있습니다. 3D로 렌더링한 물체는 대부분 불투명한 고체이기에, 뒷면(고체의 안쪽면)은 굳이 렌더링할 필요가 없습니다. side 속성을 별도로 지정하는 경우는 면이나 비-고체 등 뒷면을 렌더링해야 할 경우 뿐이죠.

아래는 각각 THREE.FrontSide와 THREE.DoubleSide를 이용해 6개의 면을 렌더링한 것입니다.

실제 프로젝트에서 재질을 다룰 때는 고려해야 할 것이 훨씬 많습니다. 이 장에서는 아주 기본적인 것만 살펴보았을 뿐이고, 제대로 사용하기 위해서는 알아야 할 것들이 훨씬 더 많죠. 예를 들어 나중에 살펴볼 텍스처(textures, 질감)만 추가해도 경우의 수가 엄청나게 늘어납니다. 말 나온 김에 바로 텍스처를 살펴보는 것도 좋지만, 다음 장에서는 잠시 쉬어가는 의미로 Three.js 개발 환경 구성하기에 대해 알아보겠습니다.