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basic_light.md

File metadata and controls

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Abstract

라이트를 켜자.

References

  • The cg Tutorial
    • 라이팅을 cg로 어떻게 구현하는지 설명한다.

Shader

Shader "UnityShaderTutorial/basic_light" {
	SubShader{
		Pass{
			Material{
				Diffuse(1,1,1,1)
				Ambient(1,1,1,1)
			}
			Lighting On
		}
	}
}

Description

Material 은 fixed-style function command 중 하나이고 문법은 다음과 같다.

  Material {
	  Material Block
  }

Material Block 은 Diffuse, Ambient, Specular, Shiness, Emission 과 같은 표현으로 구성될 수 있다. Diffuse 는 RGBA 값을 인자로 갖고 물체의 표면색을 결정한다. Ambient 는 RGBA 값을 인자로 갖고 환경색을 결정한다.

Lighting 은 라이트를 작동할지 말지 결정한다. 작동할 때는 On 을 작동하지 않을 때는 Off 를 인자로 갖는다.

물체의 표면을 구성하는 각 점들의 색은 빛을 고려한 수식에 의해 결정된다. 수식은 너무 복잡하기에 지금은 생략한다. 위의 Shader 는 점의 최종색을 결정할 때 언급한 수식에 Material Block 의 Diffuse, Ambient 를 사용한다.

Prerequisites

Material Block

Material Block 옵션은 material이 어떻게 빛에 반응하는 것에 대한 설정을 가지고 있다. 각각의 옵션은 생략이 가능하고 그 경우 기본값은 검은색으로 들어간다.(사용하지 않음)

  • Diffuse Color : 오브젝트의 기본 색상이다.

  • Ambient Color : Lignting Window의 ambient light set에 맞았을 때 표현되는 색상이다.

  • Specular Color : 오브젝트의 specular highlight 색상이다.

  • Shininess Number : highlight의 밀집도이다. 0은 넓은 범위의 highlight를 표현하게 되고, 1은 좁은 범위를 표현하게 된다.

  • Emission Color : 어떠한 라이트도 받지 않을 때의 오브젝트 색상이다.

오브젝트에 라이트가 들어올 때 최종 색상 계산은 다음과 같다.

Ambient * Lighting Window's Ambient Intensity setting + (Light Color * Diffuse + Light Color * Specular) + Emission

위의 식에서 괄호 부분은 오브젝트에 받는 모든 조명에 대해 반복 계산된다. 일반적으로 Diffuse 색상과 Ambient 색상은 동일한 값을 지정한다.

fixed-style function commands

빛을 표현하기 위해 사용되는 fixed-style function command 는 다음과 같다.

  • Color : 오브젝트를 solid color로 설정한다.
 Color color
  • Material : Material Block에 옵션을 넣어 오브젝트의 material property를 정의하는데 사용한다.
  Material {
	Material Block
  }
  • Lighting : 라이트 표현을 적용할 지 결정한다. On 옵션은 Material Block에 정의된 옵션을 적용한다. Off 옵션은 Color command의 색상을 적용한다.
  Lighting On | Off
  • SeparateSpecular : specular lighting을 추가할 지 결정한다. 쉐이더 패스의 끝에 추가하기 때문에 텍스쳐 처리에 영향을 받지 않는다. Lighting 옵션이 켜져있어야만 사용가능하다.
  SeparateSpecular On | Off
  • ColorMaterial : material에 설정된 색상 대신 per-vertex color를 사용한다. 각 옵션은 어떤 색상을 대체할 것인지 설정한다.
  ColorMaterial AmbientAndDiffuse | Emission

Render-state setup commands

Pass 는 Material, Lighting 과 같은 다양한 Render-state setup 을 포함할 수 있다. Render-state setup commands 는 DirectX 를 사용할 때 Device->Set* 과 같다.

Dot Product

Dot Product(= Scalar Product)는 N차원 공간의 두 벡터로부터 실수값을 얻는 연산이고, 대수적 정의와 기하학적 정의 두 가지로 나뉜다.

대수적 정의의 수식은 다음과 같다.

A \cdot B = A_{1}B_{1} + A_{2}B_{2} + \cdots + A_{n}B_{n}
(A = (A_{1}, A_{2}, \cdots, A_{n}), B = (B_{1}, B_{2}, \cdots, B_{n}))

기하학적 정의의 수식은 다음과 같다. \theta는 두 벡터 \vec{A}와 \vec{B}가 이루는 각이다.

\vec{A} \cdot \vec{B} = \left | \vec{A} \right | \left | \vec{B} \right | * cos(\theta)

컴퓨터 연산에서 cos(\theta)는 비용이 큰 연산이기 때문에 기본적으로 대수적 정의의 수식을 사용한다.

The Basic Lighting Model

Basic Lighting Model 은 Phong 모델을 확장한 것이며 수식은 다음과 같다.

surfaceColor = emissive + ambient + diffuse + specular

emissive(방출광) 는 표면에서 방출되는 빛을 나타내고 emissive 항을 구하는 방법은 다음과 같다. K_{e} 는 물체의 emissive color 이다.

emissive = K_{e}

ambient(주변광) 는 다른 표면에서 반사되어 물체의 색에 영향을 주는 빛을 표현한다. ambient 항을 구하는 방법은 다음과 같다. K_{a}는 material의 ambient 반사율, globalAmbient는 주변 라이팅의 색상이다.

ambient = K_{a} * globalAmbient

diffuse(확산광)은 표면의 색을 표현한다. diffuse 항을 구하는 방법은 다음과 같다. K_{d}는 material의 diffuse 색상, lightColor는 들어오는 diffuse light의 색상, N은 정규화된 표면 법선, L은 광원을 향한 노멀 벡터이다.

diffuse = K_{d} * lightColor * max(N \cdot L, 0)

calculate diffuse

specular(반사광)는 표면에서 빛이 산란된 것을 표현한다. specular 항을 구하는 방법은 다음과 같다. K_{s}는 재질의 specular 색상, lightColor는 들어오는 반사광의 색상, N은 정규화된 표면 법선, V는 viewpoint에 대한 노멀 벡터, L은 광원을 향한 노멀 벡터, H는 V와 L의 중간에 있는 노멀 벡터, shininess는 표면의 광택도이다. N·L이 0보다 크면 facing이 1이고, 아니면 0이다. (기준각도 90도)

specular = K_{s} * lightColor * facing * (max(N \cdot H, 0))^{shininess}

calculate specular