컴퓨터 그래픽스 수업정리) 7_Lighting & Shading

Reflection of Light

Reflection of Light

• 빛은 object에 의해 흡수(absorbed), 발산(emitted), 산란(scattered), 반사(reflected), 굴절(refracted)된다

  → scattered: 대부분의 물체가 특정 색깔로 보이는 이유는, 산란 할 때 특정 파장은 흡수하고 특정 파장 반사하기 때문

  → reflected: 아주 매끄러운 물체에서 반사되면 그 물체는 거울처럼 보임

  → emitted: 달궈진 쇠공, 형광등

• Scattering이랑 reflection은 물체의 비주얼적인 특성을 결정하는 가장 핵심적인 요소

  → surface color, surface highlight 같은 특성..

• 컴퓨터 그래픽스에서는 scattering과 refletion을 합쳐서 reflection이라고 표현한다.

  reflection은 크게 2가지로 나눠진다. diffuse reflection이랑 specular reflection

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  <Type of reflection>

  1) Diffuse reflection

  Specular reflection

  → 2) Ideal specular reflection

  → 3) Non-ideal specular reflection (gloomy reflection)

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  컴퓨터 그래픽스에선 위의 1), 2), 3) 3가지를 component로 modeling을 하는 경우가 가장 많다.

1) Diffuse Reflection

• 산란(scattering)에 해당하는 reflection

• 특정 빛의 파장을 모든 방향으로 고르게 scattering 한다.

  → 이걸로 물체의 suface color가 결정

• 모든 방향으로 고르게 빛을 반사하기 때문에(난반사) 어디서 보느냐와 상관이 없다. (View-independent)

마젠타 색상에 해당하는 파장만

강하게 산란시킴

모든 파장의 빛을 산란시킴

모든 빛을 흡수하고 산란시키지 않는다.

그럼에도 윤곽 등이 느껴지는 이유

→ 100% 흡수하는게 아니기 때문

Diffuse Reflection - Lambert's Cosine Law

Diffuse Reflection은 램버트의 코사인 법칙이라는 Law를 따른다.

→ small surface area에서 반사되는 에너지는 incident light direction과 sufrace의 normal 이루는 각도의 cos 값에 비례한다

2) Ideal Specular Reflection

• 거울과 같이 매우 잘 연마된 표면에서 일어나는 반사.

  → mirrored images 를 생성해낸다. (즉, 물체 표면에 거울처럼 비친 이미지를 만들어낸다는거)

• 한 방향으로 반사되므로 View-dependent

Ideal Specular Reflection - Laws of Reflection

Ideal Specular Reflection은 Laws of Reflection(반사의 법칙)을 따른다.

3) Non-Ideal Specular Reflection (a.k.a. Glossy Reflection)

• 거울만큼 매끄럽진 않은 shiny & glossy surface에서 일어나는 반사 (전반사라고도 부름)

• suface의 거친 정도에 따라 반사되는 빛이 퍼져나간다.

  → 이가 highlight를 생성시킨다.

• 내가 움직이면 highlight 위치가 변함. 즉, View-dependent 하다.

이렇게 Non-Ideal Reflection에 의해 하얀 광이 생긴다.

Reflection of General Materials

• 대부분의 물체의 suface에서는 diffuse reflection과 specular reflection이 같이 일어난다.

Quiz #1

Phong Illumination Model

Lighting (or Illumination) → 컴퓨터 그래픽스에서 두 용어는 같은 의미임

• Lighting(or Illumination) : 빛의 효과를 계산하는 과정을 이야기한다.

  → 즉, surface color와 highlights of object 를 계산하는거

• 빛의 효과를 계산하기 위해(Lighting을 위해) 세우는 모델

  → Lighting Model 또는 Illumination Model 이라고 부른다.

Phong Illumination Model

• 가장 흔하게 쓰이는 Illumination Model 중 하나

• classical illumination model 이다.

  → 실험적으로 결정된 모델이라는 말이다. 물리적인 법칙을 충분히 재현한게 아님

  (요즘은, physically based rendering 기법들이 사용되기도 하는데 일단 Phong Illumination Model은 아님)

• 3가지 component를 가진다.

  1) Ambient

  → 사실 물체는 광원에게만 영향(direct lighting)을 받는게 아니다. 물체의 표면 사이에도 빛을 주고받는다.(indirect lighting)

  → 이걸 일일히 계산하는건 매우 힘드므로 물체 전체에 아주 약한 reflect ray가 있다고 가정해버린거.

  (Crudest(대충의) approximation for indirect lighting)

  → 물체의 법선벡터 이런거 신경안쓰고 물체의 모든부분에서 동일한 Intensity로 빛이 나온다고 생각하고 아주 약하게 색을 입힘

  2) Diffuse

  → 우리가 앞서 배웠던 diffuse와 같은 의미임

  → Lambert's model에 근거해 색깔을 입힌거

  → 근데 view-independent 면 ambient처럼 색 고르게 입혀야하는거 아닌가? 그게 아님. 광원과 물체가 고정되어있을 때

  특정 point의 색깔은 우리가 시선을 옮겨도 안변한다는거지. 물체 전체의 색이 같다는게 아님

  3) Specular

  → Hightlight만 다룬다.

  → glossy reflection 에 근접하기 위해 $cos^n(alpha)$ 를 사용한다.

  n 이 커지면 알파값이 커지면 전체 value가 훅훅 줄어든다. 즉 좁게 퍼지는거 (매끄러움)

  n 이 작아지면 알파값이 커져도 전체 value가 훅훅 안줄어든다. 즉 넓게 퍼지는거 (거칠다)

Ambient Light

• $C_a$ : ambient light(주위 빛)의 intensity (이건 색깔 정하는 느낌)

  😀 light color와 martial color 를 곱한 값임

• $k_a$ : ambient reflection coefficient (이건 얼마나 밝게 할지 정하는 느낌)

→ 사실 이거 3개의 식임 $C_a$가 사실 ($C_a ^ r$ (red), $C_a ^g$ (green), $C_a^b$ (blue)) 로 나누어짐.

→ 두 요소를 조절하면서 마음에 드는 값으로 디자이너가 튜닝하면 된다.

→ $I$ 는 물체 surface의 임의의 지점에 대해 계산된다.

→ Ambient light으로 렌더링한 결과. 아주 약하게 color를 입혔다.

→ 빛의 color는 모두 동일하지만 material color가 모두 달라서 물체마다 색이 다르게 입혀짐

Diffuse Light

• $C_d$ : intensity of light source (ambient light와 마찬가지로 red, green, blue에 대한 3개의 식임) (색깔 정하는 느낌)

  😀 light color와 material color를 곱한 값임

• $k_d$ : diffuse reflection coefficient (얼마나 밝게 할지 정하는 느낌)

• $theta$. : normal vector와 light direction vector가 이루는 각도

→ $I$ 는 물체 surface의 임의의 지점에 대해 계산된다.

→ Diffuse Light는 우리가 배웠던 diffuse임. 즉, Lambert's Cosine Law를 따라야한다. 이때문에 식에 cos(theta)가 있음.

→ Ambient Light를 적용한 결과에 Diffuse Light를 적용한 결과를 합친거

→ 아직 Specular Light 의 결과를 적용하지 않아서 매트한 무광재질로 보인다.

Specular Light

• $C_s$ : intensity of light source (이것도 사실 3개의 식임)

  😀 이건 light color (material color 반영되지 않은 값)

• $k_s$ : specular reflection coefficient

• $alpha$ : reflected vector (R)과 eye (E) 사이의 각도 (그치, reflect vector에서 멀어질수록 덜 하얗게 보이는게 맞지)

• $n$ : shininess coefficient (n이 클수록 매끄러운 surface, n이 작을수록 거칠거칠한 surface)

→ Ambient Light와 Diffuse Light를 적용한 결과에 Specular Light까지 적용한 결과

→ n 이 커질수록 덜퍼진다. (한방향에 가까워지는거. 거울이 한방향으로 반사되니까 n 이 커질수록 매끄러운거)

Quiz #2

Shading

Shading - General Meaning

빛에 strongly 하게 affected 되는 물체에 생기는 색깔의 변화를 의미한다.

Shading - Meaning in Computer Graphics

<컴퓨터 그래픽스에서 shading의 의미는 더 협소하다>

😀illumination model에 근거해 polygon 안의 각 픽셀의 color를 결정하는 과정을 shading이라고 한다.

→ 셋은 모두 같은 mesh 모델을 사용했다.

→ wireframe이 왼쪽과 같이 있을때 2번째와 3번째는 서로 다른 shading model을 사용했다.

→ shading 모델에 따라 2번째처럼 각져보일수도 있고 3번째처럼 둥글게 보일수도 있다.

→ illumination 모델은 빛의 direction vector와 normal vector를 사용해서 색깔을 정하는 모델이였음.

Shading 모델에서는 surface 상에서 normal vector를 어떻게 설정하는지 명시한다.

Surface Normal

• Shading을 이야기 하기 위해서는 surface normal 이야기가 반드시 나와야한다.

• 주어진 point에서 surface에 수직인 벡터

  → 보통 길이가 1인 unit normal vector를 사용한다.

  

• normal vector는 shading 과 illumination model 상에서 모두 중요한 역할을 한다.

  (diffuse reflection 이랑 specular reflection 할 때 모두 사용되었음)

Face Normal

• 하나의 polygon surface의 Normal

• 삼각형 <p1, p2, p3>의 normal은 v1 X v2를 해서 쉽게 구할 수 있다.

→ face normal의 방향을 face의 outside로 취급하기 때문에 우리가 vertex ordering을 할 때 couterclockwise로 한 거임

Flat Shading

• 하나의 polygon 당 하나의 face normal 사용

  → 실제로 normal vector 한 surface에서 같긴하지만 illumination model에서 Normal vector랑 빛의 방향 vector

  사용해서 계산을 하는데 이 두 벡터가 동일하니까 한 polygon 상에서 픽셀 색상이 모두 동일한거임

• polygon의 center에서 color 계산해서 polygon 전체에 적용.

• 빠르지만 curved shape에 적용하기 바람직하지 않다.

→ 오른쪽처럼 curved shape 에선 각져보여서 바람직하지 않음.

→ polygon 수를 늘리면 조금은 자연스러워지긴 하지만 여전히 어색하다.

→ 참고로 한 vertex가 여러개 normal vector 가지는건 우리 배우는 것중엔 flat shading 뿐. Gouraurd와 Phong shading 모두 한 vertex 당 1개

Smooth Shading

• flat shading을 할 경우 curved shapes에서 각져보이기 때문에 curved shape의 경우 smooth shading을 한다.

• Smooth Shading은 2개의 인접한 polygons 사이에 color transition(그라데이션)이 이루어진다.

• face마다 face normal을 하나로 다루지 않고 vertex마다 vertex normal을 사용한다.

  → vertex normal이 어딨냐? → 이렇게 구한다.

  

  → 인접한 polygon의 face normal의 평균을 vertex normal로 정한다.

• Smooth shading에는 2가지 방법이 있음.

  1) Gouraud shading

  2) Phong shading

Smooth shading -1) Gouraud Shading

• 각 vertex마다 vertex normal을 계산해서 각 vertex에서의 색깔을 구한다.

• 계산된 vertex color를 사용해서 polygon 안에서 Interpolate한다.

  → 이때 하는 interpolation을 Barycentric interpolation이라고 부른다.

→ 같은 Mesh model을 사용했음. Gouraud Shading의 결과를 보면, Flat shading보다 훨씬 부드러워보임.

→ 근데 아주 부드러운 것도 아님. highlight를 적용하면 좀 이상해보임.

Gouraud shading problem

💡

poor specular highlight

specular highlight가 왜곡되거나 주변이랑 평균이 되면서 사라질 수 있음

이렇게 highlight가 부자연스럽게 나타난다.

polygon 수가 많아지면 좀 자연스러워지지만 polygon 수가 많아지면 cost가 커진다.

Smooth shading - 2) Phong Shading

• 각 vertex 마다 normal vector 하나씩만 사용한다. (Gouraud shading과 같은 점)

• 근데 polygon 안에 있는 모든 픽셀에 대해 Barycentric interpolation을 사용해 normal vetor를 계산해서 픽셀의 color를 각각 구한다.

  (즉, Gouraud shading처럼 color를 interpolation 하는게 아니라 normal vector를 interpolation 하는거)

• Gouraud shading의 경우 삼각형일때 normal vector 3개만 구하면 되는데 phong shading에선 Polygon 안에 있는 픽셀 수 만큼 계산해야함

  → 계산량 많아지지만 괜찮다. 요즘 GPU에선 큰 문제 없음(실시간 렌더링 가능).

  하지만 legacy OpenGL을 쓸 당시의 GPU에선 실시간으로 렌더링 불가.

  그래서 legacy OpenGL에서는 Phong Shading을 지원하지 않는다.

• highlights가 훨씬 자연스럽다.

  → 왜? Interpolated 된 normal vector가 실제 normal vector의 꽤 휼륭한 approximation이기 때문에.

Lighting & Shading in OpenGL

To do Lighting & Shading in OpenGL

• 일단, OpenGL에서 vertex normal을 set 해줘야한다

• 앞에 수업 시간에서 vertex는 4개의 attribute를 갖는다고 했었음.

  

  → vertex coordinate, vertex color, normal vector, texture coordinate 이 4개 중 Noraml vector를 지정

Shading in OpenGL

💡

OpenGL에서 Flat Shading을 할건지, Smooth shading을 할건지는 vertex normal vector를 어떻게 지정하냐에 따라 달라짐.

• Flat shading

→ 한 polygon를 형성하는 vertex의 normal vector를 모두 동일하게 지정.

→ 만약 여러 polygon에 속하는 vertex라면 이 polygon을 지정할 땐 이 normal vector로 지정하고

저 polygon을 지정할 땐 저 normal vector로 지정하고~~(즉, 한 vertex가 여러개의 normal vector를 가지는셈)

→ legacy OpenGL에서는 Gouraud shading 에서처럼 vertex color를 interpolated 시키는게 디폴트임

(Gouraud shading이 디폴트는 아니고 vertex color들을 interpolated 시키는게 디폴트)

즉 vertex 색깔에 따라 한 polygon 안에서 그라데이션을 하는데

여기서는 한 polygon의 vertex normal vector가 같으니까 illumination model에 의해 vertex 색깔이 같아짐.

같은 색깔끼리 그라데이션 해봤자 단색이니까 Flat shading에서는 한 polygon의 색깔은 단색

• Gouraud shading

→ OpenGL에서 Gouraud shading의 결과를 이끌어내려면 각 vertex의 normal을 주변 face normal의 average로 set 하면 된다.

→ 각 vertex는 normal vector 하나씩만 가진다.

• Phong shading

→ legacy OpenGL에서 불가.

→ polygon의 vertex normal vector 정해줬을때 polygon 내부의 모든 픽셀에 대해서 normal vector를 정해주는 기능 제공 X

Setting Vertex Normals in OpenGL

이렇게 glNormal 함수를 여러번 호출해서

normal vector를 specify 해줄 수도 있고

이렇게 vertex array를 써서 표현할수도 있다.

vertex array를 사용하면 전에 배웠듯이

함수를 여러번 호출하지 않아도 된다.

Setting Vertex Normals in OpenGL

• 앞에처럼 normal을 hare-coding 하거나 vertex position을 기준으로 normal을 계산할 수 있음. (삼각형의 경우 v1 X v2)

• 근데 가장 많이 사용하는 방법은 .obj files 으로부터 normal vector를 읽어오는거!

  블렌더같은 프로그램에서 obj 파일을 저장할때 normal vector도 같이 저장되므로 그 정보들을 읽어오면 된다.

Lighting(= Illumination) in OpenGL

• legacy OpenGL에서 Lighting은 매우 제약적이다.

  → Blinn-Phoing illumination Model 밖에 못쓴다. (Phong illumination model 에서 계산량을 좀 줄이도록 개선된 모델)

• glEnable(GL_LIGHTING)

  → enable lighting. 이거 해줘야한다.

• glEnable(GL_LIGHT0) (GL_LIGHT0 ~ GL_LIGHT7)

  → 위에 glEnable(GL_LIGHTING) 하고 이거도 또 해주는거임

  → legacy OpenGL에서 8가지의 Light source를 사용할 수 있다. glEnable를 하면서 무슨 light source를 쓸지 말해줘야한다.

glLightfv()

• light property를 주는 함수이다.

• glLightfv(light, pname, parma)

→ light: assign 하려는 light의 종류. (GL_LIGHT0~GL_LIGHT7)

→ pname: parameter name (GL_AMBIENT, GL_DIFFUSE, GL_SPECULAR, GL_POSITION)

(사실 빛에 ambient color, diffuse color, specular color 왜 있어야하는지 잘모르겠지만...

polygon color는 ambient, diffuse, specular component들의 합으로 결정되는데

이거 구할때 빛의 color랑 물체 color 곱한값을 씀

그때 곱할려고 각각의 요소에 대응되는 color를 만들어준다고 이해해야할것 같다.)

→ param: parameter value

glMaterialfv()

• 물체 표면 결정 결정하는 함수이다.

• glMaterialfv(face, pname, param)

  → face: 이 함수를 통해 설정할 face (GL_FRONT, GL_BACK, GL_FRONT_AND_BACK)

  앞면 설정할건지, 뒷면 설정할건지, 아님 둘다 설정할건지

  → pname: parameter name

  GL_AMBIENT, GL_DIFFUSE, GL_SPECUAR

  GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE (물체의 ambient color와 diffuse color를 보통 같게 주다보니 이런 parameter name 생김)

  GL_SHINESS: glLightfv()에서 없었던거. 물체의 매끄러운 정도를 의미하는데 광원이 매끄러운 정도를 지정하는건 이상

  I = C_s k_s cos^n(alpha) 식에서 n을 지정하는거임 (0~128)의 숫자로 shininess coefficient를 지정한다.

Good Setting for glLightfv() & glMaterialfv()

보통 추천되는 방식은 아래와 같다.

• glLightfv()

  GL_DIFFUSE, GL_SPECULAR: light source의 색깔로 결정하기

  GL_AMBIENT: 같은 color로 하되, 훨씬 작은 intensity로 하기 (about 10%)

  (gl_Materialfv에선 GL_DIFFUSE, GL_AMBIENT를 같은 색, intensity로 하니까 AMBIENT 어두워야하는걸 glLightfv에서 조절)

• glMaterialfv()

  GL_DIFFUSE & GL_AMBIENT: Color of Object

  GL_SPECULAR: White(1, 1, 1)

  → GL_SPECULAR을 (1, 1, 1)로 세팅해야 highlight의 색깔이 광원의 색깔로 그대로 나온다.

• Final color는 ambient, diffuse, specular component의 합으로 나온다. 이 각각의 component는

  glMaterial color와 glLight color의 곱으로 형성된다.

Normals with Lighting

• OpenGL에서 normal vectors는 항상 unit length를 가져야한다.

• Normal vecotrs는 GL_MODELVIEW matrix에 의해 형성되는데

  modeview transformation 과정에서 normal vector의 길이 바뀔수 있음

  별도의 처리를 하지 않으면 unit length 가지지 않아서 scaling 작업이 필요하다.

• renormalize를 하기 위해선 아래의 2가지 중 하나를 해야한다.

  glEnable(GL_NORMALIZE) : 이거 하면 modelview transform 한 다음에 길이 1 되도록 normalize를 한다.

  glEnable(GL_RESCALE_NORMAL) : 이거 하면 더 빠르다. 근데 처음에 주어진 normal vector가 unit vector여야하고

  uniform scaling에 대해서만 제대로 작동한다는 제약조건이 있음

  → 그냥 glEnable(GL_NORMALIZE) 써라!!

[Practice] OpenGL Lighting

이런식으로 array를 생성한다.

normal, position이 번걸아 등장

ctypes.c_void_p(varr.ctypes.data + 3 * varr.itemsize) 주의!!

glNormalPointer()

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