Lighting

Pixel Shader에서 진행됨

• 보통 널리 쓰이는 것이 Phong model
  • Diffuse
  • Specular
  • Ambient
  • Emissive

Light Sources

Point light

• 한 점에서 모든 방향으로 발산함
• 멀어질수록 밝기가 약해짐

Directional light

• 한 방향으로 균일하게 빛을 비춘다
• 빛의 밝기가 거리와 관계 없음

Spotlight

• 원뿔 모양으로 빛을 낸다
• 원뿔의 중앙과 광원에 가까워지면 빛이 세짐

Ambient

• 광원이 없음(상수)
• 완전 균일한 밝기

Diffuse

직선광이 표면에 부딪혔을 때 흩뿌려지는 빛을 의미함
-> 균일하게 분산된다

• Lambert 법칙에 의해 모든 방향, 세기로 표면으로부터 흩뿌려진다
• 빛은 view와 독립적이므로 동일한 양의 빛이 흩뿌려짐

• 0도일 때 머리 위, 90도 일 때 지평선, 90도보다 크면 지평선 아래

• $max(n·l, 0)$, $s_d$는 광원의 색, $m_d$는 물체 material의 diffuse 반사율

－ $m_d$는 위의 그림처럼 diffuse light의 색을 바꿀 수 있음

Specular

표면에 빛이 닿았을 때 빛나는 부분

• diffuse와 달리 specular는 view에 의존적임
  
• 완전히 빛나는 표면을 위해서는 ρ가 0이어야 함, 0이 아니면 ρ가 커질 수록 약해짐
  
• sh: shininess
• sh가 커질수록 더 가파르게 떨어진다
• 실제 구현에서는 $(max(r·v, 0))^{sh}s_s$ x $m_s$로 이루어짐
  • $m_d$와 달리 $m_s$는 RGB대신 gray-scale로 이루어진다

Ambient

• 간접 조명을 설명하는 일반적인 수준의 조명
• 다양한 오브젝트로부터 반사되는 빛들임
• 물체에 부딪혀서 반사되면 같은 세기로 모든 방향으로 흩뿌려진다

Emissive

• 물체 자체에서 나는 빛의 양

Phong model Lighting 최종 식

Per-pixel Lighting

Per-Vertex Lighting vs Per-pixel Lighting

• Per-vertex lighting은 단순히 vertex의 color를 보간하기 때문에 퀄리티가 떨어짐

• direcional light를 받는다고 가정
• $l$은 모든 표면에서 동일하다
  • constant buffer를 통해 constant vector로 Pixel shader에 제공된다
• 반면에 $n, r, v$는 물체 표면에 따라 다양함.
• Pixel shader에 $n, v$ 한 쌍이 주어지고 그 다음 $r$을 계산한다.
  • $r = 2n(n·l)-l$

Normal for each pixel

• $l$이 world space 벡터이므로 $n$도 world space 벡터여야 함.
• rasterization stage에서 각 픽셀에 n을 제공하여 vertex normal이 보간된다
• vertex shader는 각 vertex의 object space normal을 월드 변환하고, world space normal을 rasterization 단계로 전달함
  • 즉, object-space normal -> wolrd-space normal -> raterization
• a,b에 n1, n2를 이용하야 보간하여 $n_a, n_b$를 할당한다(raterizer에서)

View vector for each pixel

• a,b 는world-space의 view vector도 알아야 함($v_a, v_b$)
• vertex shader는 각 vertex의 object space 위치를 world space로 변환하고 해당 위치를 world space에 정의되어 있는 camera position(EYE)에 연결한다
• rasterization 단계에서 $v_a, v_b$는 $v_1, v_2$에 의해 보간당함

Pixel shader는 rasterizer로부터 각 픽셀별로 보간된 normal과 view vector를 받았다. $l$은 constant buffer로부터 받고, 마침내 Phong model 구현 가능.

• $n, l, r, v$ 모두 world space에서 정의됨

Blinn-Phong Reflection Model

Phong model을 수정한 버전임

• 매우 효율적인 라이팅이지만 specular가 특정 조건에서는 비현실적으로 보임
• $(max(r·v, 0))^{sh}s_s$ x $m_s$ -> 90도 보다 커지면 0이 나옴 -> 순간적으로 cut되어 경계가 만들어짐(cosθ의 문제점)
  -> 그래서 이를 극복하기 위해 specular를 변경
  
• reflection vector 대신 halfway vector 사용
• h는 v, l의 중간인 벡터
• $(max(n·h, 0))^{sh}s_s$ x $m_s$ -> 최종식