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유니티 물리 기반 셰이더 개발 : 기본 개념부터 커스텀 라이팅 시스템 구현까지

원제 : Physically Based Shader Development for Unity 2017: Develop Custom Lighting Systems
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    책소개

    각기 다른 플렛폼(OpenGL, Vulkan, DirectX) 및 유니티에서 사용하는 셰이딩 언어(Cg, GLSL, Shader lab)의 일반적인 범주에서 셰이더 프로그래밍이 어떻게 동작하는지부터 시작한다. 그리고 유니티 물리 기반 셰이더 개발에서는 BRDF(오렌-나얄, 쿡토렌스, 에시크민-셜리) 및 반투명, 하부 표면 산란과 같은 다양한 기술을 보여주면서 예술과 관련된 선택에 대해 논의한다. 더불어 이 기술을 어디에 사용할 수 있는지도 알려준다. 마지막으로 비슷한 결과를 내면서도 계산 비용은 저렴한 근사법을 개발하면서 코드 최적화의 중요성에 대해서 다룰 것이다.

    출판사 서평

    <지은이의 말>
    여러분들이 유니티 혹은 물리 기반 셰이딩에 관심이 있어서 이 책을 갖고 있을 것이라 생각한다.
    Shadertoy 웹사이트가 증명하는 바와 같이 셰이더는 멋지다. 그리고 유니티는 셰이더를 작성하는 방법을 배우는 좋은 도구다. 지난 몇 년간 트리플 A급 게임이 증명하듯이 물리 기반 셰이딩 역시 멋지다. 그리고 또 다시 유니티는 렌더러를 작성하지 않고도 그것에 발 담그는 편리한 방법이다.
    이 책은 두 분야 모두의 온전한 범위(sanity thresholds)를 배우는 데 필요한 노력을 지속하는 편리한 매개체로서 유니티를 활용해 셰이더를 개발하는 방법과 물리 기반 셰이딩을 가르쳐 줄 것이다.

    <이 책에서 다루는 내용 >
    ■ 셰이더 프로그래밍 마스터
    ■ 물리 기반 셰이딩 구현
    ■ 셰이더 하부시스템 조작법
    ■ 커스텀 물리 기반 라이팅 시스템 구현 및 선택 뒤에 숨겨진 로직 관찰

    <이 책의 대상 독자>
    유니티 경험이 있지만 셰이더 코딩 경험은 거의 없거나 전혀 없는 이들을 대상으로 쓴 책이다. 어느 정도 프로그래밍 경험이 있다면 코드를 다루는 것부터 공부할 필요가 없기 때문에 도움이 될 것이다.
    물리 기반 셰이딩 원리나 노드 기반 인터페이스가 아닌 셰이더 프로그래밍 코드 작성법을 배우고자 하는 테크니컬 아티스트도 이 책을 읽기에 적합하다. 또한 셰이더 프로그래밍을 시작하는 방법을 배우고 싶거나 물리 기반 셰이딩과 관련된 몇 가지 기술을 구현하고자 하는 프로그래머에게도 도움이 될 것이다.

    <이 책의 구성>
    이 책은 3부, 18장으로 구성돼 있다. 처음부터 순차적으로 읽을 수 있게 집필했지만 이미 알고 있는 부분은 넘어가도 괜찮다.
    셰이더 경험이 어느 정도 있고 유니티에 대한 특정 내용을 찾고 있다면, 1장을 대충 훑고 바로 5장으로 넘어가는 것을 추천한다. 이미 그래픽스 프로그래밍에 능숙하고 물리 기반 셰이딩에만 관심이 있다면, 1장을 대충 훑고 8장으로 넘어가는 것을 추천한다.
    만약 단 한 줄의 셰이더 코드도 작성한 적이 없고 노드 에디터 사용에 익숙한 테크니컬 아티스트라면, 이 책을 순서대로 읽되 유니티에서 셰이더 코드를 작성하는 방법이 나오는 2장을 특히 집중해서 읽을 것을 추천한다.

    1부. 유니티 셰이더 소개
    1부는 독자를 셰이더 초보에서 그래픽스 프로그래밍의 중요 개념 지식 및 비물리 기반 셰이더 작성에 대한 지식을 갖춘 사람으로 만들어 줄 것이다.
    1장, '셰이더의 동작 방법' 렌더링과 그래픽스 프로그래밍의 기본 개념을 다룬다. 셰이더가 무엇인지, 그래픽스 파이프라인의 동작, 렌더링 프로세스, 빛의 성질, 셰이더 및 렌더러 타입에 대한 전체적인 지식을 얻을 수 있다
    2장, '첫 번째 유니티 셰이더' 첫 번째 유니티 셰이더를 작성해 볼 것이다. 프로젝트 설정, 씬 제작, 문법, 유니티 셰이더를 구성하는 부품을 다룬다. 단순한 단색 언릿 셰이더를 작성해볼 것이다.
    3장, '그래픽스 파이프라인' 그래픽스 파이프라인이 어떻게 동작하는지, 그래픽스 파이프라인으로 셰이더의 다양한 부분을 어떻게 후킹하는지, 거기에 무슨 데이터가 전송되고 어떻게 처리되는지, 데이터를 가지고 할 수 있는 것이 무엇인지를 설명한다.
    4장, '좌표 공간 변환' 그래픽스 파이프라인에서 일반적으로 쓰이는 각각의 좌표 공간을 보여주고 설명한다. 그리고 유니티가 제공하는 변환 도구에 대해서 설명한다.
    5장, '첫 번째 라이팅 셰이더' 몇 가지 일반적인 라이팅 콘셉트와 근사법(디퓨즈나 스펙큘러와 같은)을 소개한다. 그리고 이를 언릿 셰이더에 구현하는 방법에 대해서 설명한다. 이 장을 마치면 독자는 첫 번째 커스텀 라이팅 셰이더를 작성하게 되는 것이다.
    6장, '스펙큘러 구현' 5장에 이어 스펙큘러 근사법을 구현해 디퓨즈를 완성한다. 또한 언릿 셰이더에 한 개 이상의 빛을 지원하는 방법과 셰이더 랩 패스의 실용적인 사용에 대해 설명한다.
    7장, '서피스 셰이더' 지금까지 언릿 셰이더만을 사용했다. 언릿 셰이더가 좀 더 직관적이고 그래픽스 파이프라인과 셰이더가 맞닿는 곳을 숨기지 않기 때문이다. 하지만 언릿 셰이더는 불필요한 내용이 많을 수 있으므로, 이 장에서는 서피스 셰이더를 소개하고 서피스 셰이더가 어떻게 꽤나 많은 양의 시간과 타이핑을 절약하는지에 대해서 설명한다. 앞의 두 장에서 구현했던 언릿 셰이더를 서피스 셰이더의 커스텀 라이팅 함수로 재구현할 것이다.

    2장. 물리 기반 셰이딩
    이론부터 구현까지 온전히 물리 기반 셰이딩에 집중한다. 이제 독자는 유니티 셰이더를 구현해봤으므로 렌더링이 어떻게 동작하는지 탄탄한 기초를 알 것이다. 따라서 물리 원리에 따른 셰이더 작성에 완전히 집중할 수 있다.
    8장, '물리 기반 셰이딩이란?' 미세면 이론을 보여주고 1장에서 빛이 동작하는 방식을 설명하는 데 단순화한 몇 가지 것을 바로잡는다. 프레넬 반사와 굴절률뿐만 아니라 빛을 측정하는 방법, 재질을 때리는 빛의 성질을 함수로 표현하는 방법을 살펴볼 것이다. 물리 기반 라이팅 모델에 필요한 것을 설명하고, 렌더링 방정식의 모든 부분을 설명한다.
    9장, '물리 기반 셰이더 제작하기' 물리 기반 셰이딩의 개념을 곧바로 실전에 적용하기 위해 7장에서 배운 커스텀 라이팅 서피스 셰이더를 가지고 물리 기반에 필요 조건들을 갖춘다.
    10장, '후처리 효과' 후처리는 HDR 렌더링에 필요한 부분이다. 물리 기반 셰이딩에 HDR 자체가 필요하다. 에셋 스토어를 통해 유니티가 제공하는 후처리 효과 스택은 강력하지만, 여전히 이해가 필요하며 종종 후처리 효과를 구현할 수 있어야 한다. 또한 유니티 후처리 스택 버전 1과 버전 2의 개요를 포함하고 있다.
    11장, 'BRDF 누가 누구인가?' 일반적인 라이팅 함수들을 이름과 효과에 따라 알게 될 것이다. 이 장에는 디즈니 연구소에서 커스텀 라이팅 함수를 개발하고 분석하기 위해 개발한 엄청난 프로그램인 BRDF 익스플로러가 등장한다.
    12장, 'BRDF 구현' 몇 가지 물리 기반 라이팅 함수를 알게 됐으므로 하나 혹은 둘 정도를 실제로 구현해본다. 정보를 수집하고 물리 기반 BRDF를 구현하는 방법을 다루며, 쿡토렌스 스펙큘러와 디즈니 BRDF 디퓨즈를 구현할 것이다.
    13장, '표준 셰이더 후킹' 12장에서 구현한 라이팅 함수를 유니티 표준 셰이더 인프스트럭처에 주입하는 방법을 설명한다. 이로써 거의 무료로 반사와 광역 조명등을 제공할 것이다.
    14장, '고급 기술 구현' BRDF 구현과 관련된 모든 것을 마치고, 반투명과 같이 BRDF로 구현할 수 없는 빛 현상을 추가하는 방법을 설명한다. 또한 반사 프로브가 작동하는 복잡한 메커니즘을 설명한다.

    3부. 셰이더 개발 조언
    유니티의 커스텀 라이팅 시스템 구현에 필수적인 것들을 모두 배웠다. 3부에서는 이에 관한 기술인 디버깅, 좋은 코드 작성법, 아티스트가 독자가 만든 셰이더를 잘 쓰게 만드는 방법에 대해서 설명한다.
    15장, '아티스트가 사용할 셰이더 만들기' 프로그래머가 아티스트가 사용하기에 너무 복잡한 셰이더를 만드는 경우가 많다. 심지어 본인이 그러고 있다는 사실조차도 깨닫지 못한 채로 말이다. 이 장은 프로그래머가 저지르는 셰이더 사용에 관한 다섯 가지 실수를 나열하고 몇 가지 해결책을 제시한다.
    16장, '복잡성과 우버 셰이더' 13장 이후 셰이더 시스템의 복잡성이 어떻게 생겼는지에 대해 어느 정도 다뤘다. 이 장은 시스템이 왜 그렇게 돼 있고, 왜 그것이 여전히 현재 셰이딩 언어에서 최고의 방법인지 설명한다.
    17장, '셰이더가 정상 작동하지 않을 때' 첫 번째 시도에서 작성한 셰이더가 제대로 되는 경우는 존재하지 않는다. 따라서 버그를 추적하는 방법과 문제를 찾아내는 방법을 배워야 한다. 이 장은 셰이딩 프로파일링과 디버깅 및 이것들을 위한 다양한 도구에 대해서 이야기한다.
    18장, '최신 트렌드 따라잡기' 게임과 영화 산업은 결코 잠들지 않으며, 매년 진보를 거듭한다. 이 책을 읽은 이후에는 독자는 SIGGRAPH 논문을 읽어가며 지식을 더 깊게 쌓는 데 유리한 위치에 있을 것이다. 이 장은 렌더링과 셰이더 개발에 대한 최신 개발 기술과 어깨를 나란히 하는 다양한 방법을 나열한다.

    목차

    1부. 유니티 셰이더 소개
    1장. 셰이더 개발 과정
    셰이더란?
    빛의 시뮬레이션으로서의 셰이더
    원근법을 활용한 렌더링
    렌더링 과정
    GPU에서 동작하는 코드로서의 셰이더
    셰이더 실행
    여러 가지 종류의 셰이더
    좌표 체계
    빛의 종류
    점 광원
    방향 광원
    면 광원
    렌더링 방정식
    빛의 특성
    반사된 빛
    렌더러 종류
    포워드
    디퍼드
    포워드+(타일 포워드 셰이딩)
    미래 렌더러
    셰이더 시각 그래프
    요약

    2장. 첫 유니티 셰이더
    유니티 소개
    준비
    유니티 UI
    첫 번째 씬 생성
    셰이더 수정
    셰이더의 경로와 이름
    특성
    하위 셰이더
    태그
    패스
    CGPROGRAM(그리고 ENDCG)
    Pragma 선언
    Includes
    입력과 출력 구조체
    변수 선언
    정점 함수와 프레그먼트 함수
    셰이더 수정
    하얀색에서 빨간색으로
    속성 추가
    요약

    3장. 그래픽스 파이프라인
    그래픽스 API 기본을 배워야 하는 이유
    그래픽스 파이프라인의 일반적인 구조
    레스터라이저
    언릿 셰이더의 구조
    정점 데이터 구조체
    정점 함수
    프래그먼트 데이터 구조체
    프래그먼트 함수
    정점 색상 지원 추가
    Appdata에 추가
    v2f에 추가
    정점 함수에 색상 할당
    프레그먼트 함수에서 색상 값 사용하기
    최종 결과
    요약

    4장. 좌표 공간 변환
    좌표 공간: 누가 누구인가?
    객체 공간
    월드 공간
    공간과 공간 간의 변환
    카메라 공간
    절단 공간
    정규 기기 좌표
    화면 공간
    내장 함수가 내포하는 것들
    셰이더 "표준 라이브러리" 코드 위치
    요약

    5장. 최초 라이팅 셰이더
    라이팅 셰이더
    근사란?
    디퓨즈 근사
    스펙큘러 근사
    디퓨즈와 스펙큘러의 조합
    기본 라이팅 계산
    디퓨즈
    최초 유니티 라이팅 셰이더
    디퓨즈 항 구현하기
    텍스처 속성 추가
    엠비언트 값 추가
    요약

    6장. 스펙큘러 구현
    기본 라이팅 계산(파트 II)
    스펙큘러
    최초 유니티 라이팅 셰이더 (파트 II)
    스펙큘러 구현
    더 많은 광원 지원하기
    요약

    7장. 서피스 셰이더
    서피스 셰이더는 무엇인가?
    기본 서피스 셰이더
    Pragmas
    신규 데이터 구조체
    서피스 함수
    라이팅 모델이란?
    서피스 셰이더의 데이터 흐름
    서피스 셰이더 편집
    두 번째 알베도 맵 추가하기
    노멀맵 추가하기
    그림자 작동 확인하기
    다른 내장 라이팅 모델 사용
    커스텀 라이팅 모델 작성
    라이팅 모델 함수 시그니처
    SurfaceOutput 데이터 구조체
    서피스 함수
    속성 블록
    커스텀 라이팅 함수
    요약

    2부. 물리 기반 셰이딩
    8장. 물리 기반 셰이딩이란?
    전자기파의 일종인 빛
    미세면 이론 개요
    굴절과 다른 beasts
    프레넬 반사율
    빛을 측정하는 방법
    입체각
    파워
    일레디안스
    재질을 표현하는 방법
    양방향 반사 분포 함수
    양성
    상반성
    에너지 보존
    미세면 이론
    프레넬
    정규 분포 함수
    기하 함수
    렌더링 방정식(파트 2)
    실시간 렌더링 해킹에 필요한 것들
    HDR과 톤 매핑
    선형 색상 공간
    왜 물리 기반 셰이딩이 유용한가?
    요약

    9장. 물리 기반 셰이더 제작하기
    퐁 분석하기
    양수성 확인
    상반성 확인
    에너지 보존법칙 확인
    개선된 퐁
    요약

    10장. 후처리 효과
    후처리 효과 동작 원리
    왜 후처리 효과가 유용한가?
    후처리 효과 설정
    HDR과 선형 설정
    스크립트 설정
    선형 변환
    렌더 텍스처 간략 오버뷰
    단순 톤 매핑
    후처리 스택 v1
    후처리 스택 v2
    요약

    11장. BRDF 누가 누구인가?
    BRDF 익스프롤러
    BRDF 파라미터화
    BRDF 익스플로러의 출력 해석

    MERL 데이터베이스
    BRDF 비교하기
    실시간 렌더링에 사용하는 BRDF 불완전 리스트
    어시크먼 셜리
    쿡 토렌스
    오렌 네이어
    월드
    디즈니
    요약

    12장. BRDF 구현하기
    어떤 BRDF를 구현할 것인가?
    레퍼런스 찾기
    쿡토렌스
    디즈니
    출발은 논문에서부터
    쿡토렌스 (혹은 미세면) BRDF
    디즈니 BRDF
    구현
    속성
    커스텀 라이트 함수 구현
    유틸리티 함수
    쿡토렌스 구현
    수정된 GGX 분포항
    슐릭 프레넬 항
    수정된 슐릭 기하항
    쿡토렌스 함수에 넣기
    디즈니 디퓨즈
    디즈니 디퓨즈의 다른 구현
    전부 한곳에 담기
    요약

    13장. 표준 셰이더 후킹
    표준 셰이더 역공학
    셰이더 키워드
    표준 셰이더 구조체
    쉐이드 키워드 추적
    대체 표준 셰이더 구현
    BRDF 함수 구현
    BRDF 셰이더 작성하기
    BRDF 셰이더를 위한 GUI 제작
    요약

    14장. 고급 기술 구현
    기술을 탐색할만 한 곳
    반투명 구현
    속성
    구현
    실시간 반사
    큐브맵이란?
    반사 브로브란?
    큐브맵 평가
    큐브맵 프로세싱 프로그램
    요약

    3부. 셰이더 개발에 대한 조언
    15장. 아티스트가 사용할 셰이더 제작
    디즈니 BRDF의 UX
    일반적인 문제 #1: 너무나도 많은 세팅
    일반적인 문제 #2: 불분명한 세팅 값의 효과
    일반적인 문제 #3: 세팅 값 의존성
    일반적인 문제 #4: 텍스처에 불분명한 정보 유입
    일반적인 문제 #5: 이상한 범위
    좋은 예시: 블렌더의 디즈니 BRDF
    요약

    16장. 복잡도와 우버셰이더
    우버셰이더란?
    표준 셰이더
    셰이더에서 복잡도 문제를 일으키는 요인
    우버셰이더 가챠(Gotcha)
    우버셰이더 장점
    요약

    17장. 셰이더가 정상작동하지 않을 때
    일반적인 트릭
    디버깅 도구
    생성된 셰이더 코드 살펴보기
    퍼포먼스 프로파일링
    요약

    18장. 최신 트렌드 따라잡기
    컨퍼런스
    서적
    온라인 커뮤니티
    웹사이트
    소셜 미디어
    결론

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    저자소개

    클라우디아 도피오슬래시(Claudia Doppioslash) [저] 신작알림 SMS신청 작가DB보기
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    게임 개발자이자 함수형 프로그래머다. 주요 관심사는 게임 개발과 함수형 프로그래밍으로 지금까지 둘 다 완벽히 소화하고 있다. ShaderCat.com에서 셰이더 개발, 그래픽스 프로그래밍, DCC 스크립팅(블렌더 및 Houdini용)에 대해 작성하고 있다.
    프로그래밍 콘퍼런스에서 연사로 활동하고 있으며, 플루럴사이트(Pluralsight)의 저자 중 한 명이다(여기에서 그녀의 유니티 커스텀 셰이더 개발 과정을 찾아보자). 쉬는 시간에 게임 AI 연구 주제에 대해 심도 있게 생각하기도 하고, 멋진 예술가가 되는 것을 시도하기도 하고, 일본어를 배우기도 하고, 고양이를 칭찬하기도

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    필드 경력 8년차 프로그래머이자 가장이다. 늘 배우는 것을 좋아하며 도전을 멈추지 않는다.
    링크드인 : www.linkedin.com/in/sapsaldog

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