[Computer Graphics] Lighting

 

 

- Light source emits light rays in many directions in 3D.

- Lighting에 필요한 것: light sources, material properties of the objects, reflectance coefficients

 

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Types of Light Sources

 

1. Ambient Light

- Uniform light present everywhere.

- 3 values: Iar(ambient red), Iag(ambient green), lab(ambient blue)

   ex) Iar = 150, Iag = 150, Iab = 20

 

 

2. Point Light

 

- Brightness falls off as square of distance.

- p0을 정의해줘야 한다.

 

3. Spotlight

- Rays are emitted over a narrow angle.

- Intensity falls away with angle.

- Intensity is proportional to cosine of angle.

 

- 종종 cos𝜃이 유의미한 차이를 만들어내지 못하기 때문에 cos^e𝜃 를 사용한다.

 

- Source location p0, direction(unit vector) of maximum intensity u을 정의해줘야 한다.

- Brightness는 red, green, blue value를 가진 vector이다.

 

4. Directional Light

- Light source: sun, stars, venus, ...

- The point of origin is at infinity → direction i만 정의해주면 된다.

 

 

[요약]

Ambient Light	Specify intensity Ia
Point Light	Specify point p0, intensity at point p0 I(p0)
Spotlight	Specify point p0, intensity at point p0 I(p0), angle 𝜃 max
Directional Light	Specify direction i, intensity along direction I(i)

 

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Phong Reflection

 

1. Ambient Reflection: 빛의 방향과 관계없이 반사되는 reflection

- Iar, Iag, Iab : ambient terms in the incident light

- Kar, Kag, Kab : ambient reflectance coefficients

- Rar, Rag, Rab : ambient terms in the reflected light

 

 

2. Diffuse Reflection: 빛이 모든 방향으로 균일하게 반사되는 reflection (빛의 방향과 관계 O)

- Idr, Idg, Idb : diffuse terms in the incident light

- Kdr, Kdg, Kdb : diffuse reflectance coefficents

- Rdr, Rdg, Rdb : diffuse terms in the reflected light

 

- n(normal): unit vector perpendicular to surface

- cos𝜃 을 계산하기 위해 unit vector i와 normal n을 사용한다.

- cos𝜃 값이 0 이하인 경우를 위해 그냥 cos𝜃 대신 max(cos𝜃, 0)을 사용한다.

 

3. Specular Reflection: 빛의 일부가 한 방향으로 크게 반사되는 reflection

- Lot of reflection in specific direction & very little reflection anywhere else.

- Surface가 완벽한 거울이면 reflection은 정확히 한 방향으로만 진행된다.

- Diffuse reflection과 달리, viewer의 위치에 따라 달라진다.

 

- r: i mirrored around n ( = 2 ( i * n) n - i )

- Isr, Isg, Isb : diffuse terms in the incident light

- Ksr, Ksg, Ksb : specular reflectance coefficients

- Rsr, Rsg, Rsb : diffuse terms in the reflected light

- ɑ: shininess (값이 클수록 한 곳에 집중된다.)

 

 

[요약]

- The total reflected intensity is the sum of all components.

- 여러 종류의 light sources를 적용하려면 각 값을 또 더해주면 된다.

  (ex. Rr = Rar1 + Rar2 + Rdr1 + Rdr2 + Rsr1 + Rsr2)

 

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Normals

 

- 위에서 보았듯, Diffuse Reflection을 위해서는 Face Normal이 필요하다.

- WebGL에서 face는 삼각형 형태이다.

 

- n = v1 * v2 = (p1 - p0) * (p2 - p0)

- Face Normal을 구하고 나면, 각 face의 light input을 계산할 수 있다.

- 다만 문제는, Flat Shading이기 때문에 실제 빛 반사처럼 부드럽게 표현되지 않는다는 것이다.

 

 

- Interpolated Shading을 사용하면 훨씬 더 자연스럽다. (Reflection is specified per vertex)

- Vertex Normal (normal at each vertex) 을 사용한다.

- 특정 vertex를 포함한 모든 Face Normal을 계산하고, 이를 평균낸다.

- 이때 Vertex Normal이 unit vector가 아니기 때문에 normalize를 진행해야 한다.

 

 

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Two Types of Interpolated Shading

 

1. Gouraud Shading: Interpolates Colors

- Normals are same for all pixels in a face → pointy appearance

- Compute Color in VS & Interpolate Color from VS to FS

- Does lighting calculations per vertex

 

2. Phong Shading: Interpolates Normals (Phong reflection이랑 다른 것!)

- Each pixel in a face gets a different normal → color appears smoother

- Interpolate Normal from VS to FS & Compute Color in FS

- Does lighting calculations per fragment → Slower (∵ fragment 수 > vertex 수)