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GaepoMorningEagles/mini_raytracing_in_c
드디어 오브젝트에 색을 입히고, 빛을 고려해주는 단계에 들어섰다...
light 구조체/ light 생성자 만들기light를 관리할 오브젝트 리스트 만들기phong_lighting에 대한 학습 및 적용scene 구조체 정의
이번 장에서 우리는 빛을 고려할 것이다. 3차원 공간에 광원을 놓고, 광원으로부터 나온 빛이 오브젝트에 미치는 영향을 계산할 것이다.
광원 하나에서 백색광이 나온다고 생각해보자. 백색광을 [1, 0]으로 매핑된 RGB로 표현한다면 (1, 1, 1)이 될 것이다. 광원으로부터 출발한 백색광이 반사율(=albedo) (0.7, 0, 0)인 구에 반사되어 우리 눈에 들어온다면, (1, 1, 1) 중 G와 B에 해당하는 1은 구에 흡수될 것이고 R에 해당하는 1 중 70퍼센트만 반사되어 우리 눈에 들어올 것이다(이미지1).
이미지1: 빛이 물체에 반사되어 눈에 들어오는 과정
백색광(1, 1, 1)이 하나 더 있다면, 교점에 들어오는 광량은 (2, 2, 2)이 될 것이고 오브젝트는 (1.4, 0, 0)를 반사할 것이다(RGB값을 [0, 1]로 매핑했으므로 1을 초과하는 값은 1이 되겠지만 말이다). 반대로 공간 안에 광원이 하나도 없다면 오브젝트는 반사할 빛이 없으므로 검은색일 것이다(밤에 불꺼진 방에서 아무것도 보이지 않듯이).
광원의 개수 말고도 오브젝트가 어떻게 보일지 영향을 미치는 요소가 더 있다. 실제 상황을 생각해보자. 먼저 광원과 오브젝트 사이의 거리가 영향을 미칠 것이다. 물체의 표면이 어떤 재질인지, 정반사를 하는지, 난반사를 하는지도 영향을 미칠 것이다. 또한 다른 물체에 반사되어 들어온 빛, 대기 중의 입자에 의해 산란되어 들어온 빛, 투명한 물체에 의해 굴절되어 들어온 빛 등 다양한 요소들이 있다. 이렇게 우리의 눈(또는 카메라)에 들어온 모든 빛을 고려하는 렌더링 기법이 ray tracing이다.
실제 상황처럼 모든 상호작용을 고려하면 렌더링된 이미지는 점점 더 정확해진다. 이렇게 모든 요소를 고려하기 위해서는 빛의 물리학을 점점 더 자세하게 알아야 한다(실제로 렌더링은 물리학의 원리에 따라 발전하고 있고, 에너지 보존 법칙과 같은 물리 법칙들이 반영되어 있다). 하지만 이 교재는 렌더링을 처음 접하는 사람들을 위해 만들어졌다. 그러므로 우리는 레이트레이싱이 아닌 퐁 조명 모델을 사용한다.
퐁 조명 모델은 보다 간단한 물리 법칙에 기반한다. 퐁 조명 모델도 광선을 추적한다. 하지만 딱 한 단계, 광원에서 빛이 나와서 물체에 반사되어 눈에 들어오는 단계만 수학적으로 계산한다. 퐁 조명 모델에 사용되는 중요한 물리학적 기법은 퐁 반사 모델이다. 퐁 반사 모델은 광원에서 나온 빛이 물체에 반사되어 나올 때, 그 조도가 어느 정도가 되는지를 구하는 데에 활용되는 모델이다.
퐁 반사 모델은 조도를 구할 때 세 가지 요소를 고려한다. ambient lighting, diffuse lighting, specular lighting. 세 가지 조명은 다음과 같다.
ambient lighting(주변 조명) : 밝은 낮 어두운 그늘에 들어가도 물체가 보이는 것처럼, 공기 중에 산란되어 존재하는 빛으로 인해 물체가 밝아지는 것을 묘사함(이미지2의 첫 번째 그림). diffuse lighting(확산 조명) : 난반사의 역할. 광선이 물체에 비스듬하게 들어올 수록 단위 면적 당 들어오는 광선의 수가 적다는 논리로, 이미지2의 두 번째 그림과 같은 결과를 출력함 specular lighting(반사광) : 정반사의 역할로 이미지2의 세 번째 그림과 같은 결과를 출력함.위 세 가지 요소를 모두 결합하면 가장 오른쪽에 있는 결과가 나온다.