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요약하면, BRDF Blinn-Phong만으로 설명할수 없는 빛의 스페큘러 반사가 존재한다. 그 반사는 정면에서 바라보면 크게 눈에 뜨이지 않지만, 얕은 각도로 보면 물체의 표면이 밝아진다. 이를 프레넬 효과라 한다.
Fresnel Effect : 네이버 블로그
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[그래픽스] 빛 조명 프레넬 효과
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[그래픽스] 빛 조명 프레넬 효과 본문![[그래픽스] 빛 조명 프레넬 효과](https://img1.daumcdn.net/thumb/R800x0/?scode=mtistory2&fname=https%3A%2F%2Fblog.kakaocdn.net%2Fdn%2FwbSoN%2FbtqAv1qhrOI%2F5P0BuxfM0RfdrmVwQbKUYK%2Fimg.png)
Fresnel Effect : 네이버 블로그
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Fresnel í¨ê³¼ – Azure Remote Rendering | Microsoft Docs
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[ PBR 이란 무엇인가 ] 17. Fresnel 이란?
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프레넬 방정식 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
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개요[편집]
진폭 방정식[편집]
반사율과 투과율[편집]
같이 보기[편집]
외부 링크[편집]
[Blender] 프레넬(Fresnel)이란 무엇인가
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![[Blender] 프레넬(Fresnel)이란 무엇인가](https://img1.daumcdn.net/thumb/R800x0/?scode=mtistory2&fname=https%3A%2F%2Ft1.daumcdn.net%2Fcfile%2Ftistory%2F999812335A2CE47433)
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Fresnel Effect
안녕하세요 흑룡해를 맞아 삼가 인사올립니다.
T모사의 뭐든 궁금해 하는 배경아티스트/TA Silverchime 입니다.
오늘은 프레넬 효과Fresnel Effect에 관해 이야기해보려 합니다.
누구나 한번쯤 들어 보셨겠죠? 반사쪽만 보면 매번 이 단어가 튀어나와서 참 힘들었네요. 그런데 막상 그게 무엇인지 설명을 부탁드려도 될까요? 하면 쉽게 말하기 힘든것도 사실입니다. 오늘 이 부분에 대해서 한번 이야기를 풀어보려 합니다.
물체가 우리에게 보이는 것은 빛이 물체에 반사해서 들어오는 것을 눈(시신경)이 감지하는 것입니다. 컴퓨터쪽으로 말하면 Diffuse, Specular, Reflection이 아마 기본이 될 것입니다.
이
<물체의 표면에 빛이 반사하는 모델>
을 말할 때,
Bidirectional reflectance distribution function.
즉 양방향반사분포함수… 약어로 BRDF라는 말을 씁니다.
왜 뜬금없이 BRDF모델이라는 생소한 단어를 꺼내느냐? 라고 물으신다면, 물체 표면에서 빛이 반사되는 성질을 우리는 이 여러가지 수학적 모델로 풀어내고 있으며, 또 위에서 말한 Diffuse, Specular 를 설명하는 것에도 역시 필요하기 때문입니다.
자, 맥스를 켜 보신다면 다음과 같은 매트리얼창을 참 많이 보셨을 겁니다. 이것이 바로 BRDF를 선택하는 풀다운 메뉴입니다. 이외로 가까운 곳에 있지요… ^^
일반적으로 Diffuse에 관한 모델은 Lambertian model, Oren–Nayar model 들이 대표적입니다.
그리고 Specular 모델은
리얼타임 게임
쪽에서는 Blinn–Phong model 모델을 주로 사용합니다.
그리고 다른 방법으로 Reflection, Refraction이 추가가 될 것입니다. (여러가지 트릭과 기법으로…)
제가 이 글을 쓰게 된 계기는, 과연 매트한 재질에서 디퓨즈와 스페큘러를 알았다면, 이걸로 대부분의 조명을 설명해 낼 수 있는가- 였습니다. 그리고 계속 거리와 풍경, 발밑을 보면서 걸었습니다. 반짝이는걸 다 스페큘러 이런걸로 해석해봐도, 뭔가 좀 부족한게 아닌가… 이런 의문이었습니다. 특히 지하 복도 같은 곳에서는 특히 심했습니다. 그러다 한 곳에서 재미있는 글을 읽게 되었습니다.
모든물체는 프레넬을 가진다- 라는 글이었습니다. 전 이 글을 읽고 너무나 기뻤습니다.
이참에 번역을 옮겨보도록 하겠습니다.
게임에서 가장 주요하게 쓰이는 Blinn–Phong model모델의 다이어그램을 보겠습니다.
===============================================================================================모든 물체는 프레넬을 가진다 –
H = normalize(V+L);
specVal = pow(saturate(dot(H,N)),power);
V는 View Vector, 즉 카메라의 위치를 가리킵니다. L은 Light 광원의 방향입니다.
N은 노멀 벡터, H는 둘의 하프벡터입니다.
공식과 그림에 따르면, 구체의 어느 지점이 가장 밝을(스페큘러 밸류가 높을)까요? 광원에서 들어온 빛이 바로 카메라를 직격하는 곳일겁니다. 기술적으로 말하면 하프벡터가 노멀과 일치하는 곳이 가장 밝을 것입니다. 광원이. 반사되서, 카메라를 때린다. 네 명확합니다.
자 그럼 이번 다이어그램을 보겠습니다. 자 여기서도 노멀과 하프벡터가 일치한다고 한다고 가정하면, 위와 거의 일치하는 밝기가 나타나야겠죠? 이론상으로는 맞습니다만 실제 현실에서도 그럴까요?
답은 NO 입니다.
많이 보셨지요? 이런 현상. 단순히 사각 벽돌 매트리얼에서도 블린-퐁 스페큘러 모델이 다르게 나타납니다. 좌측은 편광필터로 디퓨즈만 뽑은것이고 우측은 스페큘러를 뽑은 사진입니다.
Glancing Angle( 아주 얕은 각도) 에서 같은 광원이라 할지라도 스페큘러가 훨씬 밝게 보이는 현상, 이걸 바로 프레넬 현상, Fresnel Effect 라고 합니다.
리얼타임 게임에서 메탈등에 사용되는 BRDF Schlick approximaion model을 사용하면 (GPU Gems 3 chapter on skin:) (Schlick 의 Approx 공식은 다음과 같습니다. )
float base = 1 – dot(V,H);
float exponential = pow( base, 5.0);
float fresnel = exponential + F0 * (1.0 – exponential);
specVal *= fresnel;
이러한 형식으로 프레넬의 밝기를 구할 수 있습니다.
사람들은 흔히 프레넬 현상을 알고 있다고 하더라도, 반짝이는 물체에서만 이 현상이 일어난다고 믿는 경향이 있습니다. 물이나, 유리, 금속 같은 경우지요. 그렇지만 사실은, 거의 모든 물체에서 강력하게 나타납니다. 오히려 반짝이지 않는 재질에서 더 극적으로 발생한다고 생각합니다.
PVC 파이프 정면
[그래픽스] 빛 조명 프레넬 효과
반응형
조명(lighting)과 음영(shading)은 물체의 입체감과 부피감을 묘사하는 데 큰 도움이 된다. 물론, 일반적으로 조명 모형이 정확할수록 그 계산 비용이 높다. 따라서 사실감과 속도의 균형을 맞추는 것이 중요하다.
재질(material)은 빛이 물체의 표면과 상호작용하는 방식을 결정하는 속성들의 집합이라고 표현할 수 있다. 그러한 속성들의 예로는 표면이 반사, 흡수하는 빛의 색상, 표면 아래 재질의 굴절률, 표면의 매끄러운 정도, 투명도 등이 있다. 재질 속성들을 적절히 지정함으로써 나무나 돌, 유리, 금속, 물 같은 현실 세계의 다양한 표면을 본뜰 수 있다.
법선벡터
면 법선(face normal)은 다각형이 면한(facing; 향한, 바라보는) 방향을 나타내는 단위벡터로, 다른 식으로 표현하면 다각형의 모든 점에 수직인 단위벡터이다.
표면법선(surface normal)은 표면의 한 점의 접평면(tangent plane)에 수직인 단위벡터이다.
주변광, 확산광, 반사광
주변광(ambient light; 물체 주변에 있는 모든 간접광을 근사하는 가상의 빛) : 빛의 근원은 있지만 방 혹은 장면 주위에서 반사되어 들어오기 때문에 방향이 없는 광선이다. ambient light에 의해서 조명되는 물체는 전체적으로 모든 방향으로부터 빛이 비추어진다. 물체를 회전시켜도 ambient light에 의해 색이 변하지 않는다. 즉, 방향을 갖고 있지 않은 ambient light가 그 물체를 비추고 있었기 때문에, 어느 각도에서도 같은 색으로 보여지는 것이다.
확산광(diffuse light) : 특정한 방향으로 비춰지지만, 그 빛의 반사는 여러 방향으로 이루어진다. 빛이 골고루 반사된다 하더라도, 물체를 비스듬히 비출 때보다 바로 위에서 비출 때가 물체 표면을 더 밝게 보인다. 예로써 형광등의 빛이나 오후에 창을 통해 들어오는 햇빛을 생각하면 된다.
반사광(specular light) : 역시 방향을 가지는 빛이다. 하지만 사방으로 빛을 반사시키는 diffuse light 와는 달리 특정 방향으로만 뚜렷하게 반사시킨다. 강한 specular light이 물체에 닿으면 그 표면에 spot이 생기는데 이것을 specular highlight라고 한다.
프레넬 효과
굴절률이 다른 두 재질 사이에 있는, 법선이 n인 평평한 표면을 생각해 보자. 그 표면을 경계로 굴절률이 달라지므로, 표면에 도달한 빛의 일부는 굴절되고 나머지는 반사된다.
프레넬 방정식은 입사광 중 반사되는 빛의 비율인 R (여기서 0 <= R <= 1)를 수학적으로 표현한 것이다. 에너지 보존 법칙에 의해, 반사된 빛의 양이 R이면 굴절된 빛의 양은 (1 - R)이다. 빛의 색에 따라 반사의 양이 다르므로, 실제 응용에서 R의 값은 스칼라가 아니라 3차원 벡터이다. 반사된 빛의 양은 매질에 따라(빛을 더 잘 반사하는 재질이 있다), 그리고 법선 벡터 n과 빛 벡터 L 사이의 각도 θ에 따라 달라진다. 완전한 프레넬 방정식은 상당히 복잡하기 때문에 실시간 렌더링에서 그대로 사용하는 경우는 드물다. 대신 다음과 같은 슐릭 근사(schlick approximation)가 흔히 쓰인다. 주목할 점은 θ가 90에 가까워짐에 따라 반사광의 양도 증가한다는 것이다. 여기서 실제 세계의 예를 하나 살펴보자. 물이 비교적 맑은 잔잔한 연못으로 걸어 들어가서 수십이 50cm인 지점에서 아래를 내려다보면 연못 바닥의 모래와 돌들이 잘 보일 것이다. 이는 주변환경에서 비롯된 빛이 수면에 반사되어 눈으로 들어올 때, 그 반사각 θ가 0에 가까운 작은 값이기 때문이다. 각도가 작으므로 반사광의 양이 적으며, 따라서(에너지 보존 법칙에 의해) 굴절되는 양은 많다. 결과적으로 주변환경의 방해 없이 연못 바닥을 잘 볼 수 있다. 그러나 고개를 들어서 지평선 쪽을 보면 주변 환경이 반사된 모습을 더 많이 보게 된다. 이는 환경에서 비롯된 빛이 눈으로 들어오는 각도 θ가90에가까워져서반사광의양이증가하기때문이다. 이러한 현상을 흔히 프레넬 효과(Fresnel effect)라고 부른다. 프레넬 효과를 간단히 말하면, 반사광의 양은 법선과 빛 벡터 사이의 각도와 재질(R(0))에 의존한다. 반응형
Fresnel Effect
무언가를 본다는것은 빛이 특정 물체를 부딫혀 반사 / 굴절 / 투과 / 산란등을 하여 우리눈의 시신경을 자극하는것입니다.
이것을 단순히 수식화 하면,
입사광 = 난반사(Diffuse) + 정반사(Specular) + 산란(Scattering) + 굴절(Transmission)
또한, 에너지 보존 법칙에 의해 반사된 빛의 총량은 입사한빛의 에너지양을 넘지 못합니다.
Fresnel효과는 이 정반사(Specular)와 밀접한 관계가 있습니다.
1. 정반사광(Specular)
불투명하면서 입사된 빛을 모두 반사하는 물체를 가정해 봅시다.
입사광 I 가 각도 a로 특정 지점에 부딫지면, 같은 각도로 같은 크기이면서 반대 방향인 반사광 R을 생각할수 있습니다.
입사광 & 반사광
이 반사광 벡터R와 시야(카메라)벡터 V와의 관계로 정반사양을 가정할수 있습니다.
이것이 BRDF(양방향 반사함수)의 가장 간단한 모델인 Blinn-Phong의 Specular 모델입니다.
관련자료:
http://billywagner.blog.me/150000793967
출처 : http://edgerider.blog.me/110155453496
H = normalize (V+L)
Specualr = Pow(dot (H,N) 5)
전반사체(거울)등이 아닌 대부분의 물체는 정반사(Specular)뿐 아니라 난반사(Diffuse), 산란(Scattering), 굴절(Transimmition)을 합니다. 그리고 이는 에너지 보존법칙에 의해 입사한 빛의 총에너지를 넘을수 없습니다
2. Fresnel Effect란
하지만, 현실에서는 빛이 물체에 도달했을때, 같은양의 빛이라고 해도 시야각(View Angle)에 따라 일정량은 반사를 하고, 일정량은 굴절하는것을 과학자들이 발견했는데, 이를 Fresnel법칙이라고 합니다.
즉, Fresnel법칙이란, 물체의 매질과 시야각에 따라 반사율과 굴절율이 정해진다라는 것입니다.
맑은 수면위에서 아래를 보면 발밑에서의 수면은 투과및 굴절이 되어 물밑이 보이는 반면, 시야에서 멀어질수록 물표면의 반사가 두드러져 더이상 면 아래가 보이질 않게 됩니다.
이처럼 동일한 광원일지라도 관찰자의 시야와 대상 오브젝트의 표면의 각도가 아주 얕아질때 (Glancing Angle)일때 Specular가 더 밝아 지는 현상을 프레넬반사 라고 합니다.
http://edgerider.blog.me/110153316250
반사 < 굴절 반사 > 굴절
3. Fresnel 방정식
반사율을 구하는 Fresnel방정식은 아래와 같다
입사광의 각도는 입사광 벡터와 법선 벡터의 내적으로 구할수 있으므로
굴절광의 각도는 스넬(Snell’s law)를 통해 구할수 있다.
스넬의 법칙
이고, 각 매질의 굴절율은 정해져 있는 상수라고 한다. 그러므로
로 굴절광의 각도를 구할수 있다.
http://blog.naver.com/sorkelf/40157708229
위의 공식으로 입사각과 굴절각을 통해서 반사율(Reflectance)을 구할수 있습니다.
또한 반사율을 구하는 방법으로 Schlick의 근사식을 사용할수 있다.(그냥 경험적으로 얻어진 식인듯…)
복잡하다…;; 하지만 위의 내용에서 가장 중요한 결론은
굴절율을 안다면 반사율(Reflectance)을 구할수 있다.
고유의 임계각이 있어 그안에서는 굴절(Transmission)을 임계각을 넘으면 반사(Reflection)를 한다
http://http.developer.nvidia.com/GPUGems3/gpugems3_ch14.html
http://wibler.egloos.com/3576144
3. Unreal에서 Fresnel Reflection
이를 단순화 하여 관찰자 시점을 Camera Vector, 수면의 직각을 Normal Vector로 생각해 보면, 두 벡터의 사이각이 0에 가까워 질수록 투명도는 0에 수렴하고, 직각에 가까워 질수록 1에 가까워 질것입니다.
이를 Material노드로 구성해 보면 아래와 같이 구성할수 있음을 알수 있습니다.
물론 이것은 Fresnel 방정식의 근사치일뿐 정확한 물리적 성질을 반영하는것은 아닙니다.
하지만 언리얼에서는 Fresnel 함수가 기본으로 제공되므로 더 이상 이런짓은 필요 없습니다 -_-
Fresnel Reflection의 구현
Fresnel의 효과를 목적으로 하기 때문에 실질적인 수면효과에 비해 노드가 비교적 단순합니다.
Glancing Angle(옅은 각도)에서의 Fresnel 반사
시야각과 물표면이 옅어질수록(Camera Vector와 Normal Vector의 사이각이 90도에 가까워 질수록)
투과/굴절 < 반사 상대적으로 높은 각도에서의 Fresnel 반사 CameraVector와 NormalVector의 각도가 0에 수렴할수록
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