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테마

현대 게임의 볼류메트릭 구름과 날씨 효과 ​

글쓴이 Oleg Sidorkin, Cinevva CTO 겸 공동 창업자

Stylized AAA scene with towering volumetric storm clouds, lightning, rain shafts, and a wet stone road reflecting the sky

몇 주 전에 현대 AAA 게임이 실제로 출시하는 렌더링 기법에 대해 썼습니다. 그때 얇게 다루고 넘어간 영역 하나가 하늘과 날씨인데, 따로 한 편으로 다룰 만한 주제이기 때문입니다. 구름, 안개, 비, 눈은 지형 데모를 하나의 장소로 바꿔주는 시스템입니다. 그리고 이들은 보기보다 훨씬 많은 코드를 공유합니다. 볼류메트릭 구름, 지면 안개, 갓 레이는 모두 같은 레이 마칭입니다. 젖은 도로, 눈 쌓임, 발자국 흔적은 모두 같은 변위 더하기 PBR 기법입니다. 바람은 장면 안의 모든 것이 읽어 들이는 하나의 방향 벡터입니다.

여기 2026년에 큰 스튜디오들이 이걸 어떻게 만드는지에 대한 짧고 주관적인 둘러보기를 준비했습니다. 각 요소 뒤에 있는 논문과 엔진 발표 자료도 함께 실었습니다.

1. 물리 기반 하늘과 대기 ​

대기 산란이 기초입니다. 하늘의 색, 지평선의 아지랑이, 먼 산이 파랗게 보이는 이유, 해 질 녘의 주황빛, 이 모든 것이 공기를 통과하는 빛의 산란에서 나옵니다. 현대 엔진은 이걸 물리에서 계산합니다. 파란색을 만드는 레일리 산란, 태양 주위의 아지랑이를 만드는 미 산란, 천정의 짙은 보라색을 만드는 오존 흡수가 그것입니다.

원래 2008년 Bruneton 방식은 모든 것을 4D 룩업 테이블에 미리 구워 넣었는데, 이 때문에 동적 시간 변화가 제약을 받았고 낮은 태양 각도에서 LUT 아티팩트가 생겼습니다. Sébastien Hillaire의 2020년 업데이트는 (UE5의 Sky Atmosphere 컴포넌트가 쓰는 바로 그것입니다) 고차원 LUT를 몇 장의 2D 텍스처와 프레임마다 갱신되는 다중 산란 근사로 대체했습니다. 휴대폰부터 고사양 PC까지 다 돌아갑니다.

Physically based sky at golden hour with smooth orange-to-blue gradient over a distant mountain silhouette

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2. Perlin-Worley 노이즈로 만드는 볼류메트릭 구름 ​

현대 게임 볼류메트릭 구름의 기초 기법은 Andrew Schneider의 2015년 Horizon Zero Dawn 발표에서 시작됐습니다. 구름은 메시가 아닙니다. 구름은 계층화된 노이즈로 정의된 3D 밀도 함수입니다. 저주파 Perlin-Worley 혼합이 구름의 전체 형태를 만들고, 더 높은 주파수의 Worley 노이즈가 실루엣을 침식해 얇게 흩날리는 가장자리를 만듭니다. 날씨 맵(월드 XZ로 샘플링하는 2D 텍스처)이 지역별로 구름 양, 구름 종류, 강수를 제어합니다. 높이 기반 그래디언트가 고도에 따라 적운, 층운, 권운 프로파일 사이를 블렌딩합니다.

렌더러는 카메라에서 구름 볼륨을 가로질러 레이를 진행시키며 밀도와 산란을 누적합니다. 2017년의 "Nubis" 버전은 지역 규모의 저작과 애니메이션을 추가했고, 원래의 PS4 구현은 하늘 전체를 약 2ms에 처리했습니다. 오늘날 볼류메트릭 구름을 출시하는 대부분의 스튜디오는 여전히 그 혈통이 이 논문으로 거슬러 올라갑니다.

A 3D cloud shape decomposed into stacked Perlin and Worley noise patterns showing how detail erodes the silhouette

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3. 복셀 구름과 Nubis³ ​

2023년의 Nubis 진화 버전은 2.5D 형상 표현을 완전히 버리고 진정한 3D 복셀을 택했습니다. 각 복셀이 구름 밀도를 직접 저장하므로, 아티스트가 지형을 조각하듯 구름 형태를 깎고 애니메이션할 수 있습니다. 더 조밀한 표현으로 옮겨가는 비용은, 압축된 부호 거리 필드를 이용한 레이 마칭 가속과 희소 복셀 데이터의 영리한 업레저로 되갚습니다.

그 결과는 기저의 트릭이 무너지는 게 보이지 않는 채로 통과해 날아다닐 수 있는 구름 풍경입니다. 대부분의 스튜디오에는 과한 수준이지만, 최상위가 향하고 있는 방향이기는 합니다.

A cumulus cloud shown decomposed into a 3D voxel grid, with smoothed wispy edges blending the chunky interior

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4. 계층형 구름 렌더링과 2D 배경 ​

모든 스튜디오가 풀 볼륨 구름을 감당할 수 있는 건 아니고, 모든 카메라 각도가 그걸 필요로 하는 것도 아닙니다. 많은 게임이 기법을 조합합니다. 고고도 권운은 스크롤하는 2D 레이어로, 중고도 적운은 볼류메트릭 레이로, 저고도 층운은 얇은 참여 매질 슬래브로 렌더링합니다. 지평선은 종종 미리 구워둔 하늘 큐브맵을 받고, 볼류메트릭 패스가 페이드 거리 너머에서 거기로 블렌딩됩니다.

이 계층화가 구름 예산을 정직하게 유지해 줍니다. 풀 퀄리티의 단일 구름 종류는 4~6ms를 먹어버릴 수 있는데, 구름 고도별로 서로 다른 퀄리티를 계층화하면 절반의 비용으로 같은 룩을 유지할 수 있습니다.

Sunset sky split into three cloud layers: high cirrus wisps, mid cumulus puffs, and low stratus haze near the horizon

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5. 프록셀 그리드를 쓰는 볼류메트릭 안개 ​

안개는 2D 화면 효과가 아니라 3D 필드입니다. 현대의 표준 접근은 프록셀 그리드입니다. 카메라 뷰 프러스텀에 정렬된 3D 텍스처로, 각 셀("froxel" = frustum + voxel)이 밀도와 조명된 색을 저장합니다. 컴퓨트 셰이더가 모든 광원으로부터 산란을 그리드에 주입하고, 뷰 레이를 따라 소광을 누적한 다음, 그 결과를 전체 화면 패스로 적용합니다.

이게 창문을 통과하는 광선, 점 광원 주위의 색깔 있는 안개, 폭발 주변의 보이는 볼륨을 만들어 줍니다. 또한 먼 물체를 공기 속으로 흐려지게 하는 "대기 원근"의 기반 기계장치이기도 합니다. 이 기법은 Assassin's Creed 4를 위해 Bart Wronski가 도입했고 Sébastien Hillaire가 Frostbite에서 표준화했습니다.

Camera frustum visualized as a 3D froxel grid with smaller cells near the camera and bigger cells far away, fog particles inside

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6. 갓 레이와 박명 광선 ​

안개 낀 공기 속에 보이는 햇살 광선은 별개의 효과가 아닙니다. 안개 밀도와 섀도 맵이 둘 다 같은 컴퓨트 셰이더에 제공되기만 하면, 같은 안개 시스템에서 자연스럽게 떨어져 나옵니다. 셰이더가 프록셀에 빛을 주입할 때, 그 프록셀의 월드 위치에서 섀도 맵을 샘플링합니다. 그림자 속 셀은 어둡게 유지되고, 빛 속 셀은 태양 색을 받아들입니다. 그 결과를 따라 카메라 레이를 진행시키면 밝은 셀들이 연속된 광선을 이룹니다.

더 저렴한 스크린 공간 변형(태양 위치에서 깊이 버퍼로의 방사형 블러)도 존재하고, 모바일이나 저사양 하드웨어에서는 여전히 올바른 선택입니다. 화면 밖 태양 위치는 놓치지만 비용이 거의 들지 않습니다.

Dawn forest with sun rays slicing through tree trunks and ground fog, forming clear god ray shafts

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7. 번개와 확률적 날씨 이벤트 ​

번개는 두 부분으로 이루어진 한 프레임짜리 효과입니다. 번개 줄기 메시, 그리고 장면 전체의 톤매핑과 조명 반응입니다. 줄기 자체는 보통 재귀적 선분 분할 알고리즘으로 만든 절차적 빌보드 메시로, 혼돈을 위해 지터를 주고 땅 쪽으로 갈수록 가늘어지게 합니다. 어떤 엔진은 이걸 스크린 공간 가산 섬광으로 렌더링하고, 어떤 엔진은 한 프레임짜리 점 광원 주입을 통해 세계에 빛을 드리우는 완전히 조명된 발광 지오메트리로 렌더링합니다.

흥미로운 부분은 그 나머지 전부입니다. 구름 밑면이 아래에서부터 밝아지고, 땅이 두 프레임 동안 밝아지며, 자동 노출 측광이 회복하는 데 몇 프레임이 걸리고, 거리에 따라 지연된 천둥 큐가 재생됩니다. 잘하면, 이게 16ms짜리 섬광을 5초짜리 시퀀스로 바꿔서, 날씨를 그저 위에서 일어나는 것이 아니라 세계 안에서 일어나는 무언가로 느끼게 합니다.

Lightning fork striking from a thundercloud at dusk, lighting the cloud bottoms and a small village silhouette

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8. 비 파티클, 비 메시, 스크린 공간 빗방울 ​

현대 게임의 떨어지는 비는 단순한 파티클인 경우가 드뭅니다. 저렴하면서도 설득력 있는 해법은, 수직이나 화면 정렬 쿼드에 걸쳐 늘인 소수의 스크롤 텍스처를 다른 모든 것과 같은 태양 및 하늘 프로브로 조명하는 것입니다. 카메라에 더 가까운 곳에서는 개별 줄무늬 파티클이 디테일을 더합니다. 카메라 렌즈 그 자체 위에서는, 물방울 텍스처, 흘러내리는 흔적, 충돌 잔물결이 "당신은 폭풍 속에 있다"는 느낌을 살려 줍니다.

바람이 비의 방향에 영향을 줍니다. 같은 바람 벡터가 구름 날씨 맵을 밀고, 풀을 휘게 하며, 비 쿼드를 기울입니다. 장면 전체에 걸친 하나의 벡터, 수십 개의 소비자입니다.

Heavy night rainstorm with sheets of rain illuminated by distant headlights and ripples on a wet road

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9. 젖은 표면, 물웅덩이, 잔물결 ​

땅을 바꾸지 않는 비는 곧바로 가짜처럼 보입니다. 젖은 표면은 알베도를 어둡게 하고(물이 들어오는 빛을 흡수), 노멀을 평탄하게 하며(물의 막이 미세 표면을 매끄럽게 함), 거칠기를 낮춰서(물은 스치는 각도에서 거의 완벽한 거울임) 반응합니다. 셰이더 변경은 작지만, 시각적 변화는 큽니다.

물웅덩이는 마스크 기반입니다. 높이 기반 또는 버텍스 페인트 마스크가 "젖음" 파라미터가 올라감에 따라 물이 차오르는 낮은 지점을 정의합니다. 잔물결은 빗방울 충돌로 트리거되는 플립북 노멀 맵 텍스처입니다. 정말 좋은 구현은 젖음 상태를 시간에 걸쳐 쌓아 올려서, 긴 폭풍우는 세계를 천천히 적시고 잠깐의 소나기는 높은 지점만 어둡게 만듭니다.

Wet cobblestone street at night with shallow puddles reflecting neon signs and ripple rings from raindrop impacts

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10. 눈 쌓임과 변형 ​

눈은 비와 대칭을 이루는 문제입니다. 세계가 눈을 그저 받기만 하는 게 아니라 기억해야 합니다. 표준 접근은 하늘이 보이는 곳마다 시간에 걸쳐 쌓이는 위에서 내려다본 "눈 쌓임" 텍스처를 씁니다(위에서 내려다본 깊이 또는 섀도 맵에 대해 계산). 지형 셰이더가 이 마스크를 샘플링해서, 가려진 영역에는 눈 머티리얼을, 노출된 영역에는 깊은 눈 변위를 블렌딩합니다.

발자국과 타이어 자국은 플레이어를 중심으로 한 슬라이딩 변형 맵에 렌더링됩니다. 카메라가 움직이면 오래된 발자국은 밖으로 스크롤되고 텍스처가 둘러 감깁니다. 지형이나 눈 셰이더가 이 변형 맵을 샘플링해서, 기록된 곳의 버텍스를 아래로 밀어 넣습니다. Battlefield 5의 눈은 이걸 하드웨어 테셀레이션으로 합니다. 더 저렴한 접근은 버텍스 변위만 쓰는 고밀도 지형 메시를 씁니다.

Stylized snowy landscape with fresh footprints, drifts piled against rocks, falling snowflakes, and hazy distant mountains

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11. 전역 시스템으로서의 바람 ​

바람은 파티클 효과가 아닙니다. 프로덕션 엔진에서는 모든 동적 시스템이 자신의 버텍스 셰이더에서 읽어 들이는 하나의 전역 벡터(때로는 저해상도 3D 필드)입니다. 풀잎이 휘고, 나뭇가지가 흔들리고, 천이 펄럭이고, 나뭇잎이 떠다니고, 비가 기울고, 연기가 이류하고, 구름 날씨 맵이 스크롤합니다. 프레임마다 갱신되는 하나의 유니폼, 수십 개의 소비자입니다.

더 풍부한 버전은 월드 위치로 샘플링한 방향과 세기를 저장하는 "바람 그리드"로, 국소적인 돌풍이 부는 폭풍, 바람을 막아주는 골짜기, 건물 뒤의 후류를 가능하게 합니다. 식생은 또한 보통 저작 시점에 구워진 버텍스별 오프셋을 받아서, 똑같은 나무들이 발맞춰 흔들리지 않게 합니다. 그 결과는 같은 박자로 숨 쉬는 세계입니다.

Strong wind blowing grass and trees sideways with leaves swirling in the foreground under stormy clouds

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12. 모래폭풍, 눈보라, 짙은 날씨 ​

험한 날씨는 그 자체로 하나의 렌더링 범주입니다. 모래폭풍은 강한 방향 편향과 공격적인 거리 안개를 가진, 두껍고 불투명하며 지면에 정렬된 안개입니다. 눈보라는 카메라 근처 파티클 폭발과 줄어든 가시성을 더합니다. 화산재와 연기는 색만 다른 같은 아키텍처입니다.

이걸 살려 주는 것은 파티클이 아니라 연동입니다. 태양이 어두워지고, 하늘이 물들고, 후처리 컬러 그레이딩이 바뀌고, 환경음이 교체되고, 발소리가 달라지고, 플레이어에게 음성이 있다면 그 음성이 먹먹해집니다. 렌더러는 전령일 뿐이고, 몰입은 게임의 모든 시스템이 동시에 반응하는 데서 옵니다.

A wall of orange dust and sand rolling across a desert plain with bruised sky above and clear blue behind

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13. 하루의 시간대와 동적 하늘 ​

실시간 하루 시간대는 이 목록의 다른 모든 시스템을 출시할 가치가 있게 만들어 주는 곱셈 인자입니다. 태양 방향과 색이 24분 또는 24시간 주기에 걸쳐 갱신됩니다. 대기 LUT가 태양 각도에 따라 갱신됩니다. 구름 조명이 프레임마다 재계산됩니다. 섀도 캐스케이드가 다시 가리킵니다. 반사 프로브가 새로고침됩니다. 환경광 색이 바뀝니다. 후처리 노출이 적응합니다.

이걸 눈에 띄는 아티팩트 없이 해내는 것은 대체로 텍스처 캐싱과 시간적 안정성에 관한 이야기입니다. 빠른 기법은 고정된 태양 각도에서 하늘을 미리 계산하고 보간합니다. 느린 기법은 매 프레임 재계산합니다. Hillaire 2020 대기 모델은 재계산할 만큼 충분히 빠른데, 그래서 UE5가 그걸 채택했습니다. 구름 날씨 맵은 바람을 따라 스크롤하므로, 아무도 키프레임을 저작하지 않아도 구름 양이 자연스럽게 바뀝니다.

Three vertical bands across one landscape: dawn pink, noon blue, sunset red, all sharing the same hill silhouette

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14. 날씨 상태 머신 ​

이 모든 것의 밑바닥에는 작은 상태 머신이 있습니다. 대부분의 게임은 4개에서 12개 사이의 날씨 상태(맑음, 부분적으로 흐림, 잔뜩 흐림, 약한 비, 강한 비, 뇌우, 안개, 눈, 눈보라, 모래폭풍)를 출시하고, 각각은 한 묶음의 파라미터로 정의됩니다. 구름 양과 종류, 풍속과 풍향, 강수 종류와 강도, 환경광 색조, 오디오 프로파일, 후처리 그레이드가 그것입니다.

전환은 30초에서 120초에 걸쳐 파라미터 묶음 사이를 선형 보간한 것입니다. 전환은 특수한 경우가 아니라, 그저 두 상태가 보간되는 것이며, 각 렌더링 하위 시스템이 그 프레임의 현재 파라미터 값을 읽습니다. 날씨는 스크립트로 짜일 수도 있고(컷신에 폭풍이 필요함), 시드로 정해질 수도 있고(지역별 게임 내 하루마다 결정적이어서 같은 세계의 두 플레이어가 같은 날씨를 봄), 지역 그리드에 완전히 저작될 수도 있습니다. 가장 깔끔한 파이프라인은 이 셋 모두를, 같은 파라미터 버퍼에 기록하는 서로 다른 스케줄러로 다룹니다.

Side-by-side of the same scene under clear sun on the left and stormy rain on the right with wet glistening surfaces

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15. 영화적인 순간들 ​

이 모든 스택은 몇몇 상징적인 순간을 위해 존재합니다. 폭풍 전선이 밀려올 때 능선 위에 서 있는 것. 숲지붕 사이 빈 곳을 햇살 광선이 태우며 지나가는 것을 바라보는 것. 동굴에서 나와 눈 속으로 걸어 들어가는 것. 적운 속을 날아 통과하며 그 안쪽의 빛을 보는 것.

이런 것들이 플레이어가 스크린샷을 찍는 순간입니다. 또한 위의 모든 시스템이 동시에 작동해야 하는 순간이기도 합니다. 구름 볼류메트릭, 대기 산란, 그림자 통합 안개, 젖은 PBR, 식생에 부는 바람, 하루 시간대 컬러 그레이딩, 그리고 날씨 상태 사이의 전환이 모두 하나의 프레임으로 합성됩니다. 이 중 하나라도 틀리면 마법이 깨집니다.

Looking down across a sea of clouds onto a single mountain peak rising through, with sunlit cloud tops and shadowed valleys below

이것이 브라우저에 의미하는 것 ​

이 기법들 대부분은 WebGPU로 깔끔하게 옮겨집니다. 우리는 오픈월드 브라우저 엔진에 기본 대기 안개, 등장방형 스카이박스 블렌딩, 스크린 공간 거리 아지랑이를 이미 출시했습니다. 더 어려운 부분(풀 볼류메트릭 구름, 프록셀 그리드 안개, 동적 물웅덩이가 있는 젖은 PBR, 눈 변형 맵)은 지형 파이프라인이 안정된 지금 명백한 다음 단계입니다. Spike 24의 스카이박스에서 프래그먼트별 안개 색을 샘플링하는 것이 이 퍼즐의 한 조각입니다. 같은 대기 LUT로 흘러 들어가는 컴퓨트 셰이더 구름 레이마처가 그다음입니다.

좋은 소식은 이제 브라우저 하드웨어의 하한선이 충분히 높아졌다는 것입니다. WebGPU 컴퓨트, 3D 텍스처, 간접 디스패치, 타임스탬프 쿼리가 모두 존재합니다. Hillaire 2020 대기는 WebGL로 여러 번 포팅됐습니다. Schneider의 Nubis는 GLSL 오픈소스 참조 구현이 있고, 이는 기계적인 수정만으로 WGSL로 옮겨집니다. 이제 브라우저 게임이 콘솔 게임과 같은 하늘을 가질 수 없는 렌더링상의 이유는 없습니다. 엔지니어링상의 이유만 있을 뿐이고, 엔지니어링상의 이유는 우리가 좋아하는 종류입니다.

스택 전체를 아우르는 더 읽을거리 ​

이 모든 것을 한데 묶어주는 한 가지 출처를 원한다면, SIGGRAPH "Advances in Real-Time Rendering in Games" 아카이브(advances.realtimerendering.com)에 2014년까지 거슬러 올라가는 정전이라 할 만한 날씨와 대기 발표 자료가 있습니다. 특정 게임이 하늘과 날씨를 어떻게 렌더링하는지에 대한 프로덕션 분해는 Adrian Courrèges의 GPU 프로파일링 글에 GTA V, Horizon Zero Dawn, Doom Eternal의 프레임 단위 상세 분석이 담겨 있습니다. 하늘과 대기 수학 자체에 관해서는 scratchapixel.com의 볼륨 렌더링 챕터가 가장 부드러운 입문서이고, Hillaire의 오픈소스 구현 저장소가 프로덕션 품질의 참조입니다.