OpenGL 세미나 10장. 조명과 음영

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OpenGL 세미나 10장. 조명과 음영

IVIS 이영록

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조명과 음영

• 렌더링 - 모델링된 물체 영상을 그려내는 것

• 와이어 프레임 렌더링

• 하드웨어적으로 처리속도가 빠르고 물체의 겉모습을 개략적 으로 파악하는 데는 별문제 없슴

• ^{솔리드 렌더링}

• 조명이나 시점 등 물체를 둘러싼 복잡한 환경을 어떻게 모델 링할것인가가 관건

• 조명과 음영을 합쳐서 렌더링이라 부름

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조명과 음영

• 모델링된 원구를 조명이 없는 상태에서 뿌리면 (a)와 같다.

• 3차원의 원구의 모습을 보이려면 (b)처럼 조명에 의해 물체 자체의 색을 드러내고 아울러 입체감을 주어야 한다.

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조명모델

• ^{전역 조명 모델}

• 물체면의 색은 다른 물체에서 반사되어 입사되는 빛까지 고려하여 결정

• 사실적으로 표현 가능

• 여러 물체에서 여러 번에 걸쳐 물체면에 반사된 빛까지 추적하는데는 수많 은 계산이 필요

• 컴퓨터 그래픽스로 표현하기 어려움

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조명모델

• ^{지역 조명 모델}

• 물체면의 색은 광원으로 부터 물체에 직접 부딪쳐 우리 눈에 들 어오는 빛만 고려

• 전역 조명 모델만큼 사실적 묘사를 하기는 어려움

• 상대적으로 처리속도 빠름

• OpenGL은 지역 조명 모델을 사용

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광원과 물체 색

• ^면적광원

• 표면위의 모든 점을 광원으로 보고 조명 계산

• ^{계산량면에서 불가능}

• ^점광원

• 빛이 한점에서 나온다고 간주

• 광원의 크기나 면적이 없고, 단지 위치만 정의

• (a)처럼 광원의 크기가 상대적으로 매우 크다면 (b)처럼 여러개의 점광원으로 근사화

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광원과 물체 색

• 위치성 광원 (옴니라이트)

• 광원으로부터 나가는 빛이 모든 방향으로 방사형으로 퍼져가는 광원

• ^{광원의 위치가 중요}

• 주로물체로 부터 가까운 곳에 위치한 광원을 근사화시키는데 사 용

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광원과 물체 색

• 방향성 광원(지향성 광원)

• 광원으로부터 나가는 빛이 일정한 방향으로 진행하는 광원

• ^{광원의 방향이 중요}

• 상대적으로 먼 거리에 있는 광원을 근사화시키기 위해 사용

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광원과 물체 색

• ^{스포트라이트}

• 빛이 한 방향으로 비침

• ^{유한 거리에 존재}

• 빛이 방사형으로 진행하나 일정한 각 범위내로만 제한

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지역 조명 모델

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물체의 색

• 물체의 색은 광원에서 나온 빛이 물체면과 상호 작용한 결과가 반사 되어 우리 눈에 와 닿는 세기 또는 밝기에 의해 결정

• 물체면의 색은 성분별로 반사된 R.G.B 각각의 세기를 모두 더하여 결정

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조명관련 벡터

• 광원 벡터 L과 법선벡터 N이 단위벡터라면 입사각 θ의 코사인을 두 벡터의 내적으로 표현할 수있다.

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조명모델

• ^조명모델

• 광원, 물체면, 시점 등을 기준으로 어떤 빛의 성분들이 어느 정도 세기로 우리 눈에 도달할 것인지에 대한 방법론

• 조명 모델을 달리함으로써 최종적인 물체의 모습이 달라짐

• 일반적으로 주변광, 확산광, 경면광에 의한 모델링이 많이 사용 됨

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주변반사(Ambient Reflection)

• 광원에 직접 노출되지 않는 면에 밝기를 부여하기 위함

• B면은 광원에 노출되지 않으므로 표면에서 반사되는 빛이 없음

• 실제로는 반사광이 물체면에 입사함

• 주변의 반사광을 모두 추적하는 것은 매우 어려움

• 모든 물체면에 대해 상수크기로 밝기를 증가시킴(상수크기는 광원의 밝기에 정비례)

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주변반사(Ambient Reflection)

• 빛의 세기는 D의 제곱에 반비례한다.

• ^I^a는 물체면에 입사되는 입사광의 세기:광원의 세기에 비례

• ^K^a는 주변광계수라 부리는 비례상수:이값을 변화시켜 주변 광의 세기를 조정

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주변반사(Ambient Reflection)

• (a)는 주변광만 적용한 모습

• 주변광 계수를 증가시키면 모든 물체면의 밝기가 증가(입체감이 없슴)

• (b)다른 반사광과 함께 주변광을 적용한 모습

• 다른 반사광으로 원구의 물체면이 서로 다른 밝기를 지닌상태 에서 주변광계수 만큼 동일한 크기만큼 증가

(a)주변광 계수 증가 (b)여타 반사광 + 주변광 계수 증가

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확산반사(Diffuse Reflection)

• ^{완벽확산체(난반사)}

• 반사되는 빛이 거의 모든 방향을 향함

• ^{방향성 확산체}

• 거의 일정한 방향을 향함

• 대부분의 물체면은 두가지 극단적인 경우 사이에 존재

완벽 확산체 방향성 확산체

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확산반사(Diffuse Reflection)

• 면의 밝기는 광원 벡터와 법선 벡터가 이루는 각이 θ일때 cosθ에 비례

• ^I^d 물체면에 입사되는 입사광의 세기:광원의 세기에 비례

• ^K^d는 확산계수라 불리는 비례상수(상수값을 변화시켜 확상광 조절 가능)

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확산반사(Diffuse Reflection)

우상단 우측중앙 정중앙

• 광원과 면이 이루는 입사각에 따라 밝기가 다름

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경면반사(Specular Reflection)

• 반질반질한 표면에 반사되는 빛을 경면광(거울면)

• 경면광에 의한 물체면의 색은 물체 자체의 색이 아님

• 경면광은 물체면이 반질반질하기 때문에 상호 작용 없이 광원에서 나오 는 빛의 색이 바로 반사

확산 확산+경면

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경면반사(Specular Reflection)

경면반사 경면광의 분포

• 경면반사는 정반사(입사각과 반사각이 일치)

• 경면광의 세기(로우브)는 반사광 R을 중심으로 분포

• 경면광의 크기는 R 벡터와 V 벡터가 이루는 각의 크기에 반비례

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경면반사(Specular Reflection)

• ^{퐁 반사 모델}

• 로우브를 코사인 함수로 모델링

• 경면반사의 양을 cosθ로 간주(θ가 0일때 최대값 1, θ가 90일때 0)

• cosθ의 승수를 광택계수라고 함(cosθ의 값은 0~1이라 누승할 수록 0에 근접)

• 매끄러운 물체일수록 광택 계수를 크게 함으로써 물체 하이라이트가 아주 좁게 관찰되게 함

코사인 법칙 광택 계수 증가에 따른 효과

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경면반사(Specular Reflection)

• ^K^s^{는 경면계수}

• ^I^s는 광원의 경면광 세기

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약화함수

• 빛의 세기는 거리의 제곱에 반비례

• 프로그램에서 실제 적용시 급격히 약해짐

• OpenGL에서는 위의 약화함수를 이용해서 빛의 세기를 조정

a=0, b=0, c= 1

a=.25, b=.25, c= .5 a=0, b=1, c= 0

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물체면의 밝기

• 물체면의 밝기는 주변반사, 확산반사, 경면반사에 의한 반사광을 더해 결정됨

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OpenGL에서의 밝기

• 지역 조명 모델을 적용하기 위해서 광원 특성에 관한 계수와 물체특성에 관한 계수로 나 뉘어짐

• Ia, Id, Is등 광원 특성에 대한 계수는 주변광, 확산광, 경면광별로 광원의 세기를 나타냄

• R, G, B별로 세분화되어 IaR, IaG, IaB로 표시

• Ka, Kd, Ks등 물체 특성에 대한 계수는 주변광, 확산광, 경면광별로 반사계수를 나타냄

• R, G, B별로 세분화되어 KaR, KaG, KaB로 표시

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지역조명모델 알고리즘

For Each Object of the Scene { 모든 물체에 대해 For Each Polygon Mesh of the Object { 모든 다각형에 대해 Calculate N, L, V, R, D; 벡터 및 거리 계산 For Each Light Source { 모든 광원에 대해 For Ambient Reflection 주변반사에 대해 Calculate R, G, B Reflection Separately; 색별로 계산 For Diffuse Reflection 확산반사에 대해 Calculate R, G, B Reflection Separately; 색별로 계산 For Specular Reflection 경면반사에 대해 Calculate R, G, B Reflection Separately; 색별로 계산 Add R, G, B Colors Separately; 주변광, 확산광, 경면광을 합산 }

Add R, G, B Colors Separately; 모든 광원의 영향을 합산 }

}

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음영

• 계산된 정점의 색상으로 부터 다각형 내부의 색을 칠하는 작업

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플랫 셰이딩

• 주어진 하나의 다각형 전체를 동일한 색으로 칠함

• ^{빠르고 간단한 방법}

• 경계선이 필요이상으로 뚜렷하게 보임(마하 밴드 효과, 일종의 착시)

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구로 셰이딩

• 다각형 내부를 서로 다른 색으로 채움

• 정점의 법선 벡터는 인접면의 법선벡터의 평균을 구함

• 정점의 법선백터를 기준으로 조명모델에 의해 정점의 색을 구함(경면광은 제외)

• 구로 셰이딩은 하나의 다각형 내에서도 음영을 달리함(선형보간, 레스터 변환 시 이루어짐)

플랫 셰이딩 구로 셰이딩

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구로 셰이딩

구로 셰이딩의 오류

• 정점의 둘러싼 양면에서 법선 벡터가 서로대칭

• 6개의 정점 벡터가 모두 동일

• 여전히 마하 밴드 현상이 나타남

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퐁 셰이딩

• 정점의 색대신 법선 벡터를 보간

• 곡면을 복원(C`의 법선벡터가 C의 법선벡터와 동일)

법선벡터 보간 곡면의 복원

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셰이딩 비교

플랫 셰이딩 구로 셰이딩 퐁 셰이딩

구로 셰이딩 퐁 셰이딩