[OpenGL로 배우는 컴퓨터 그래픽스] Chapter 10. 조명과 음영(Lighting and Shading)

Chapter 10. 조명과 음영(Lighting and Shading)

Section 01. 조명 (Lighting)

• 조명과 음영
  

• 렌더링 = 조명(Lighting) + 음영(Shading)

• Lighting : 광원과 물체 특성을 감안하여 정점에서의 빛 세기를 계산하는 작업

• Shading : 이렇게 결정된 정점 색을 기준으로 해당 물체면 내부 곳곳마다 색을 부여하는 작업

• 전역 조명모델과 지역 조명모델

• 전역 조명모델 (Global Lighting Model) : 장면 내의 물체 상호간의 반사까지 고려한 모델

• 지역 조명모델 (Local Lighting Model) : 광원으로부터 직접 물체에 부딪쳐 우리 눈에 들어오는 빛만 고려한 모델

Section 02. 지역 조명모델(Local Lighting Model)

• 주변광 (Ambient)
  

• 주변 반사에 의해 우리 눈으로 반사되는 빛

• 시점의 위치에 무관하게 모든 물체면에 대해 일정 크기로 밝기를 증가시킴

• 

• 난반사 (Diffuse)
  
  

• 물체면과 광원과의 공간적인 관계에 따라 명암을 부여한 것

• 

• 정반사 (Specular)
  
  

• Phong 조명 처리식

• 

• Blinn 조명 처리식

• 

• r계산이 필요없으므로 좀 더 빠르다

• 정반사 성분은 시야 종속적 (view-dependent)

• 점 p에서 색상 계산

• 

• 표면의 광택도 (shininess) : 클수록 하이라이트가 좁고 표면이 반질반질하게 보임

• 
  

• 
  

• 조명모델
  

• 입력

• 광원 색상
  

• 물체의 반사계수
  

• 전반사 지수 :

• 출력 색상
  

Section 03. 음영(Shading)

• Flat 셰이딩

• 하나의 삼각형의 법선벡터가 모두 같다.

• 색상값은 개별 삼각형에 대해서 계산되고 그 삼각형 전체가 이 색으로 채워짐

• 삼각형 중심점에 조명모델을 가하고 그 결과 색으로 삼각형 내부를 모두 동일하게 채운다

• 실행시간 빠름

• “mach band effct” 발생

• Gouraud 셰이딩

• 정점의 법선벡터는 인접 면의 법선벡터를 평균하여 구한다.

• 삼각형의 각 정점에서 조명값이 정해지고, 계산된 색상이 삼각형의 표면 전체로 보간됨

• 삼각형의 정점에서만 조명 효과를 계산하기 때문에 빠른편

• 객체의 LOD에 따라 셰이딩 품질이 달라짐.

• LOD가 높아지면 Phong 셰이딩효과를 낼 수 있으며 알고리즘이 느려진다. 이 방법을 이용하면 Gouraud 셰이딩을 하드웨어가 Phong 셰이딩기처럼 동작하도록 할 수 있다.

• 정반사 하이라이팅을 잘 표시하지 못함, spot light 효과를 잘 살리지 못함.

• “mach band effct” 발생

• Phong 셰이딩

• 정점의 법선벡터는 인접 면의 법선벡터를 평균하여 구한다.

• 각 정점의 법선을 이용하여 삼각형에 해당되는 각 픽셀의 법선 벡터를 보간함. (이 법선은 이후에 그 점에서 조명 효과를 계산하는 데 사용됨.)

• 픽셀별 조명 처리를 하는 것은 정점별 조명 처리(Gouraud 셰이딩)보다 복잡하고 비용이 크다.

• 모델링 시에 곡면을 평면에 근사시키지만 렌더링 단계에서 원래 곡면의 방향을 복원하여 조명모델을 계산함으로써 정밀도를 기한다.
  

• 벡터를 보간하기 때문에 Gouraud 셰이딩보다 3배 느리다

Section 04. GL 조명과 음영

1. Lighting 활성화

• 조명기능이 활성화되면 물체의 색은 광원과 물체의 특성에 의해서만 좌우되고 glColor*() 함수의 기능은 무시된다.

• glEnable(GL_LIGHTING)
  glDisable(GL_LIGHTING)

2. Light 정의

• 1) Light 활성화

• glEnable(GL_LIGHT0~7)

• 2) Light 종류, 색 명시

• void glLightfv(GLenum  light, GLenum  pname, const GLfloat *params);

• pname 종류

pname 종류	기본값	의미
GL_AMBIENT	(0,0,0,1)	광원의 주변광
GL_DIFFUSE	(1,1,1,1)	광원의 난반사
GL_SPECULAR	(1,1,1,1)	광원의 정반사

• 3) 거리에 따른 빛의 약화

• 

• void glLightfv(GLenum  light, GLenum  pname, const GLfloat *params);

• pname 종류

pname 종류	기본값	의미
GL_CONSTANT_ATTENUATION	1	a 계수
GL_LINEAR_ATTENUATION	0	b 계수
GL_QUADRATIC_ATTENUATION	0	c 계수

• 4) Light의 위치 제어

• 고정위치
  

• 움직이는 광원
  

• 시점을 따라가는 광원
  

• pname 종류

pname 종류	기본값	의미
GL_POSITION	(0,0,1,0)	광원의 (x,y,z,w)
GL_SPOT_DIRECTION	(0,0,-1)	스포트라이트의 방향
GL_SPOT_CUTOFF	180	조명각
GL_SPOT_EXPONENT	0	코사인 승수

3. Shading Model 정의

• glShadeModel(GL_SMOOTH);
  glShadeModel(GL_FLAT);

4. Surface Normal 정의

• void glNormal3f(GLfloat nx, GLfloat ny, GLfloat nz);

• 정규화 : glEnable(GL_NORMALIZE);

5. Surface Material Property 정의
   

• 물체면의 색과 매끄러움 같은 특성을 정의하는 것

• void glMaterialfv(GLenum  face, GLenum  pname, const GLfloat *params);

• face종류

face 종류

GL_FRONT

GL_BACK

GL_FRONT_AND_BACK

• pname종류

pname 종류	기본값	의미
GL_AMBIENT	(0.2,0.2,0.2,1)	주변광에 대한 물체색
GL_DIFFUSE	(0.8,0.8,0.8,1)	난반사에 대한 물체색
GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE		주변광+난반사에 대한 물체색
GL_SPECULAR	(0,0,0,1)	정반사에 대한 물체색
GL_EMISSION	(0,0,0,1)	물체의 발광색
GL_SHININESS	0	정반사의 광택계수

6. Lighting Model 정의

• 광원, 물체특성과 직접 연관되지 않는 것들을 정의한다.

• 1) 전역 주변광

• ex) GLfloat MyGlobalAmbient[ ] = {0.2, 0, 0, 1};
         glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, MyGlobalAmbient);

• 2) 시점 위치

• glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, GL_TRUE);

• 시점 위치가 물체에 매우 가까운 것으로 간주되어 물체면을 구성하는 모든 삼각형마다 별도의 시점벡터가 계산된다. 정확한 정반사가 계산되고 사실적인 결과를 얻지만 계산시간이 오래걸린다.

• glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, GL_FALSE);

• 시점이 시점벡터방향으로 무한대 거리에 있는 것으로 간주되어 모든 삼각형 메쉬에 대해 동일한 시점벡터를 사용하므로 계산시간을 줄일 수 있다.

• 3) 양면 조명
  

• 동시에 front face와 back face가 노출될 때에는 양면 모두에 lighting과 shading을 가해야 한다.

• glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDED, GL_TRUE);

• 양면 모두에 광원이 작용한다.

• 이 경우 glMaterialfv()로 양면의 물체 특성을 정의해야한다.

• glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDED, GL_FALSE);

• 표면에만 광원이 작용한다.

• void glLightModeli(GLenum pname, GLint  param);

• pname 종류

pname 종류	기본값	의미
GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT	(0.2,0.2,0.2,1)	전역 주변광 RGBA
GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER	GL_FALSE	시점벡터 계산법
GL_LIGHT_MODEL_TWO_SIDE	GL_FALSE	이면 조명 여부