퐁 라이팅 - phong lighting

본 학습노트는 2021년 1학기 고려대학교 한정현 교수님의 컴퓨터 그래픽스 강의를 수강하고 이 내용을 기반으로작성하였습니다.

 

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https://reminder-by-kwan.tistory.com/136

이미지 텍스처링 (image texturing)

 

이전 시간에는 fragment shader 의 역할 중 첫 번째 역할인 texturing에 대해 배웠습니다.

이번 시간에는 lighting에 대해 배우도록 하겠습니다. 그중에서도 가장 기본이 되는 lighting 모델인 phong lighting에 대해 배우도록 하겠습니다.

 

lighting은 물체와 빛 사이의 상호작용을 말한다. 사실적인 그래픽을 위해서는 lighting이 매우 중요하다.

그중에서도 phong 이 제안한 모델인 phong lighting model은 4개의 요소로 이루어져있다.

diffuse, specular, ambient, emissive 이다.

네가지 요소의 설명에 앞서 광원에 대해 생각해보자.

가장 간단하게는 두가지로 나눌 수 있는데 첫번째는 점광원, 두번째는 방향성 광원이다.

 

점 광원은 한 점에서 빛이 발산하는것으로 그 빛을 중심으로 모든 방향으로 빛이 나아간다.

 

만약 점 광원이 매우 멀리떨어져있지만 그 광원이 매우 강해서 물체까지 충분한 빛이 도달한다고 생각해보자. 이때 해당 광원은 매우 멀리 떨어져있으므로 빛이 평행하다고 볼 수 있다. 즉, 이런 태양으로 오는 햇빛과 같은 형태가 directional light source이다.

 

이제 phong model 의 네가지 요소에 대해 알아보도록 하자.

diffuse 와 specular는 직접 조명을 다루는 반면 ambient는 간접 조명을 다루고 emissive는 스스로 빛을 내는 경우의 항이다.

 

diffuse항을 먼저 보도록 하자.

diffuse 항은 난반사를 의미한다. diffuse term은 lambert의 법칙에 기반을 두는데 빛이 들어오면 모든 방향으로 동일한 강도로 반사되는것을 의미한다. 물론 표면과 빛 사이의 각이 90도를 넘어가는경우는 빛이 표면에 도달하지 않으므로 고려되지 않는다. 이를 수식으로 나타내면 max(n dot l , 0)이다.

 

이제 색상을 가진 실제 물체에 대해서 보자. 실제 빛과 물체에서는 빛의 색상과 물체의 색상도 고려해야 한다. 광원의 색상을 Sd 물체 표면의 색상을 md라고 하면 diffuse term은 다음과 같다.

diffuse term

 

다음으로 specular 항은 정반사를 의미한다. specular로 인한 빛은 매끈한 표면으로 반사가되어 하이라이트가 생성되는 방식이다. specualr term에는 시선벡터와 방향벡터가 필요하다.

정반사로 인한 빛은 r과 매우 가까울때 최대가 된다. 극단적인 경우 (이상적으로 매끄러운 표면)에서는 r에서만 이러한 specular term이 검출된다. 하지만 어느정도 매끄러운 표면이라면 r에 가까운 방향이라면 이 speqular항을 검출할 수 있게되는데 이 r과 v 사이각을 로 라고 하자.

위에서 본 바와 같이 로 값을 이용해 specular 항의 민감도를 결정하는것은 sh값이 된다.

sh값이 너무 크면 로가 0에 가까울때만 보이고 너무 작으면 난반사와 유사한 상태(r과 v가 멀리있음에도 specular term이 너무 잘 관측)가 된다. 따라서 이 sh값을 결정하는것도 중요한 요소중 하나이다.

 

ambient 항은 동일 계 내에서 다른 물체들로 부터 반사된 빛을 말한다. ambient light는 장면의 모든 지점에서 반사된 빛이 합쳐진것으로 모든 방향을 따라 빛이 들어오고 반사된다.

마지막으로 emissive term은 자체 발산하는 경우에 고려되는 항이다.

 

따라서 phong model은 이러한 빛들을 모두 합친 식이 된다.