10. 조명과 음영

하이솝·2026년 5월 22일

3학년 1학기 컴퓨터그래픽스

컴퓨터그래픽스

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01. 조명

1-1. 조명과 음영

조명

물체의 꼭짓점에 대해 밝고 어두움을 계산하는 것

1-2. 지역 조명 모델과 전역 조명 모델

전역 조명모델(Global Illumination Model)

다른 물체면에서 반사되어 입사되는 빛까지 고려한 조명모델
모든 빛에 대해 고려함
영화나 게임 등

지역 조명모델(Local IlluminationModel)

광원으로부터 직접 물체면으로 입사되는 빛만을 고려한 모델
일부 빛에 대해서만 고려함

1-3. 광원과 물체 색

면적광원과 점광원

면적광원(Area Light Source)과 점광원(Point Light Source)
실제 물체는 면적광원이지만, 계산의 편리함을 위해 점광원을 사용할 것

면적광원은 분산 점광원(Distributed Point Light Source)으로 근사화 가능

위치성 광원과 방향성 광원

실제 광원은 하나의 빛에서 퍼져나오는 위치성 광원(Positional Light Source)
계산의 편리함을 위해 광원의 위치를 무한대로 뻗어
방향성 광원(Directional Light Source)으로 만듦

스포트라이트

점광원의 특수한 형태 중 하나
openGL 내부에서 계산량의 증가함

$I = A + D + S$

$I$ : 최종 빛의 세기

$A(Ambient)$

주변광
방향 없이 균일하게 적용되는 배경 빛

$D(Diffuse)$

난반사광 또는 확산광
빛이 물체 표면에 부딪혀 모든 방향으로 고르게 퍼지는 빛
표면의 법선 벡터와 광원의 방향 각도에 따라 밝기가 달라짐

$S(Specular)$

반사광
특정 방향으로 정반사되어 하이라이트를 만드는 빛

02. 지역 조명 모델

이러한 그림을 논리에 대한 개념화

2-1. 주변 반사(Ambient Reflection)

광원에 직접 노출되지 않는 면에 밝기를 부여

B면은 직접 빛을 받지 않으나, 실세계에서 완전한 검정색은 아님
주변의 복잡한 경로를 통해 B면에 빛이 도달함

모든 빛의 경로를 추적하기 어려움

면마다 상수 크기의 밝기를 임의로 추가
전역 모델조명 효과를 근사적으로 부여

거리에 따른 빛의 약화

$Ambient Reflection = (Ka)(Ia) / D^{2}$

$Ia$ : 빛에 직접 노출되지 않는 부분에 반사되어 닿는 빛(주변광)의 세기

$Ka$ : 반사되어 닿는 물체의 성질 (반사율), 주변광에 대한 반사율
1: 해당 물체는 반사되어 받는 빛을 그대로 반사함 (흰 종이 등)
0: 해당 물체는 반사되어 받는 빛을 그대로 흡수함 (블랙홀, 검정색 종이 등)

$D$ : 관찰자의 거리
그러나 실제 $D^2$ 로 계산하게 되면 너무 어둡게 출력됨

주변광 계수 증가

여타 반사광 + 주변광 계수 증가
주변광: 위치와 방향에 무관하게 전체적으로 밝게 해주는 빛
반사광: 특정 각도에서만 반짝이는 빛

주변광의 효과

광원의 위치나 물체면의 방향과는 무관하게 모든 물체면의 밝기가 증가

2-2 확산 반사(Diffusive Reflection)

난반사에 해당

완벽 확산체(Perfect Diffuser)

입사된 빛을 모든 방향으로 완벽하게 고르게 반사함
관찰자는 어느 위치에서 보아도 동일한 밝기를 느낌
지역조명 모델의 그래픽 처리를 단순화하기 위해서 완벽 확산체를 가정
눈의 좌표를 고려하지 않은 계산식을 사용할 수 있기 때문

방향성 확산체(Directional Difuser)

입사광의 대칭 방향으로 더 많은 빛이 반사됨
관찰자가 확산 방향에 근접하면 물체가 더욱 밝게 보임

확산광의 세기

$Diffuse Reflection = Kd·Id·cosθ / D^2 = Kd·Id(N·L) / D^2$

$Kd$ : 확산광(난반사광)에 대한 반사율, 확산광 계수

$Id$ : 광원의 확산광 세기

$N$ : 수직인 법선벡터

$L$ : 광원 벡터

확산광 효과

면이 서 있는 방향에 따라 차등적 밝기
입체감 부여

2-3. 경면 반사

반질반질한 표면에서 반사되는 빛

정반사에 의함
물체의 색이 아닌 광원의 색을 관찰하게 됨

$Specular Reflection = Ks·Is·(cosΦ)^n / D^2 = Ks·Is(R·V)^n / D^2$

$n$

광택계수(Shines Coefficient)
물체면의 매끄러운 정도를 반영
금속은 100~200, 플라스틱은 10~20 정도가 적당

2-4. 반사광의 합성

$I = A + D + S = (Ka)(Ia) + Kd·Id(N·L) + Ks·Is(R·V)^n$

꼭짓점 하나마다 해당 공식을 대입해서 밝기 값을 계산
$Ia + Id + Is=1$ 이 되도록 임의의 값 대입
$Ka, Kd, Ks$ 에는 물체 본연의 색을 대입
$N, L, R, V$ 에 대해
$L$ 은 조명의 방향
$N$ 은 꼭짓점마다 법선벡터
$V$ 는 gluLookAt()
$R$ 은 $N·L$ 과 같음

지엘의 조명

물체의 색: R, G, B별로 빛의 세기를 별도 계산 후 최종적으로 합산

관찰자가 느끼는 조명의 세기

빨간색 물체를 만들고 싶을 때 RGB = (1, 0, 0)
R의 강도에서 Ka = Kd = Ks = 1
G, B의 강도에서 Ka = Kd = Ks = 0
노란색 물체를 만들고 싶을 때 RGB = (1, 1, 0)
R, G의 강도에서 Ka = Kd = Ks = 1
R, G의 강도에서 Ia = 0.2, Id = 0.5, Is = 0.3
B의 강도에서는 K, I값을 0으로 설정
$Ks$ (광택 있는 물체)의 경우 물체의 색상을 그대로 반사하기 때문에
Ksr, Ksg, Ksb = (1, 1, 1)로 가정하는 것이 일반적

03. 음영

음영 또는 표면 렌더링(Surface Rendering)

물체 면의 색을 부여

3-1. 플랫 셰이딩(Flat Shading)

주어진 하나의 다각형 전체를 동일한 색으로 칠함

마하밴드 효과(Mach Band Effect)

다각형 사이의 경계션이 필요 이상으로 뚜렷하게 보이는 현상
두 개의 면이 만나는 경계선 부근에서,
어두운 면은 더 어두워지고, 밝은 면은 더 밝게 보이는 일종의 착시 현상

3-2. 구로 셰이딩(Gouraud Shading)

다각형 내부를 서로 다른 색으로 부드럽게 채우는 방법 (그라데이션)

I4 = I1과 I3의 2:4 내분 = (I1 x 4 + I3 x 2) / (4 + 2)
I5 = I3과 I2의 4:6 내분 = (I3 x 6 + I2 x 4) / (6 + 4)
I6 = I4와 I5의 3:3 내분 = (I4 x 3 + I5 x 3) / (3 + 3)

평면이 아닌 꼭짓점에서의 법선 벡터 계산

주변 삼각형들의 법선 벡터의 평균값으로 꼭짓점 벡터를 구함
플랫 셰이딩보다는 부드럽지만, 일부 마하 밴드 효과가 남아있음

Phong Shading

개수가 많은 모든 픽셀에 대해 조명 연산 수행

하이솝

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