[GGP] 8. Lighting

☁️ Rendering Piepline

☁️ Pixel Shader

= determines the color of each pixel

• Texturing
• Lighting = 빛에 따른 빛 변화

☁️ Phong Lighting Model

• Lighting (Illumination)
  오브젝트와 라이트 사이의 interaction

• Phong model
  = 매우 간단함
  = term : Diffuse / Specular / Ambiend / Emissive
  = 이 4가지를 섞어서 그럴듯하게 보이는 것. approximation을 어떻게 잘 하는 지에 초점

☁️ Light Sources

🔎 Point light

• 하나의 point로 부터 전방향으로 빛을 뿜어냄
• point로부터 거리에 따라 intensity 결정

🔎 Directional light

• ex) 태양
• scene으로부터 엄청 멀리 떨어진 곳에서 보내는 빛
• 모두 직선 빛 / scene 전체에서 one direction
• 내가 어디에 존재하든 일정한 direction과 크기를 가진다.

🔎 Spotlight

• ex) 형광등 백열등
• cone shaped light
• 거리와 각도에 따라 intensity 결정
  

🔎 Ambient

• 은은하게 밝혀주는 간접광
• 반사되어 떠도는 빛을 계산하기는 어렵다
• constant value C로 뭉개버리자

☁️ Diffuse Term

🔎 Diffuse light (확산광)

• Diffuse : 물체 표면에 빛이 반사되었을 때 전방향으로 uniform하게 퍼지는 것을 modeling

🔎 Diffuse Term in Phong Lighting Model

• Diffuse surface : 충분히 울퉁불퉁한 surface
• Lambert's law
  • Diffuse 조명은 표면의 밝기가 빛의 입사각과 cos(θ)에 비례
  • θ: 빛의 방향과 표면 법선 벡터(normal) 사이의 각도
• view direcntion과 independent
• 얼마나 나한테 빛이 세게 들어왔는지에 관심 - 입사각에 따라 결정
  

🔎 Diffuse computation

• $l$ : light vector
• $n$ : surface normal
• $s_d$ : light source의 RGB color
• $m_d$ : diffuse reflectance / light color를 바꿔준다
• $max(n · l, 0)$ : angle of the light
• $s_d$ x $m_d$ : 빛의 색과 물체의 색을 고려해 빛의 색을 조정. approximation한 것

• white light (1,1,1)이 들어온다. 물체가 노란색이면 R,G값은 반사하고 B는 흡수한다.
  

☁️ Specular Term

= 물체 표면에 빛이 닿을 때, 거울처럼 특정 방향으로 강하게 반사되는 조명 효과

• highlight를 통해 표면을 shiny 하게 해준다.
• 카메라의 위치가 중요하다 = highly view-dependent
  

• $v$ : view vector
• $r$ : reflection vector
• $l$ : light vector
• $sh$ : shininess
• $s_s$ : light source의 gray-scale value
• $m_s$ : highlight on the surface

• r벡터 구하기
  
• $sh$ = shininess
  p가 0일 때 최대 / $sh$가 커질수록 fall-off becomes steeper
  

☁️ Ambient Term

🔎 Ambient light

= 간접광

• 씬 내의 다양한 물체에 반사된 빛
• 표면에 도달한 주변 조명은 모든 방향에서 동일한 강도로 산란된다.
  
  
  

☁️ Emissive Term

표면 자체에서 방출되는 빛을 표현한다.

☁️ Phong Lighting Model

앞서 살펴본 4가지 term을 합쳐서 그럴듯하게 보이도록 한다

• Diffuse / Specular / Ambiend / Emissive
  

☁️ Per-pixel Lighting

= 각 픽셀 단위에서 조명을 계산하는 방식

• Per-vertex lighting에 비해 high quality. per-vertex는 단순하게 vertex의 색에 따라 보간을 한다
• Per-vertex 방식에서는 정점만 밝기 계산을 하고, 그 사이 픽셀은 선형 보간해버림.. 부드럽지 않은 표현
  

• l은 directional light이기 때문에 constant vector 처럼 쓰인다.
• n,r,v는 pixel에 따라 상이하다.
• r을 직접 계산해서 vertex shader에서 pixel shader로 넘기는 파라메터를 하나 줄일 수 있다. 아니면 vertex shader에서 n,v 뿐만 아니라 r도 넘겨줘야 함.
  

🔎 Normal for each pixel

$l$은 world space vector기 때문에, $n$ 역시 world space에서 정의되어야 한다.

• Vertex shader (object space -> world space)
  각 vertex의 object-space normal을 world transform 해주고 그 결과로 나온 world-space normal을 rasterization stage로 넘겨준다.
• Rasterization : 각 pixel에 $n$을 할당해주기 위해서 vertex normal을 선형보간한다.
  ex) 아래 예시에서 a,b pixel의 normal na, nb는 raterizer가 n1,n2를 보간해서 할당해준 것

🔎 View vector for each pixel

• pixel a,b에서는 world space view vector도 필요하다. 앞서 구한 건 world space normal.
• Vertex shader (object space -> world space)
  각 vertex의 object-space position을 world transform 해주고 camera position(EYE - world space)과 연결해준다.
• per-vertex world space view vector : v1, v2
• Rasterization : 각 view vector을 선형보간한다.
  ex) 아래 예시에서 a,b pixel의 va, vb는 raterizer가 v1,v2를 보간해서 할당해준 것
  

🔎 Pixel shader determines the pixel color

• pixel shader는 $n$과 $v$를 input으로 받고, Direct3D 프로그램에서 constant buffer로 제공되는 $l$을 사용하여 먼저 reflection vector $r$을 계산한 후 Phong 모델을 구현한다.
• $r = 2n(n·l) - l$
• $l,n,r,v$는 모두 world space에서 정의된다.
  

☁️ Blinn-Phong Reflection Model

= Phong model의 modified(수정된) version

• 비록 Phong은 lighting approximation에 효율적이다.
• 하지만 가끔 specular term이 unrealistic한 결과를 낸다.

🔎 Problem of specular term

• specular term
• 이때 dot product는 cos 계산이다.
  angle이 90도를 넘어가는 경우 dot product의 결과가 음수가 돼서 max( )가 결과를 0으로 만들어준다.
• 급격한 cut off의 결과 surface에 경계(boundary)가 생긴다.
  

🔎 Blinn-Phong reflection model

halfway vector (h) 를 이용한다

• Blinn Phong
  = halfway vector( $h$ ) : $v$ (view vector) 와 $l$ (light vector)을 이등분(bisects)하는 벡터
  
  
• Phong