같은 물체가 어떤 조명에서는 날카로운 그림자, 다른 조명에서는 부드러운 그림자를 만드는 이유는 뭘까?
그림자는 어떤 빛의 경로가 표면에 도착하는지 보여 준다. 작은 광원은 대체로 보이거나 가려진다. 넓은 광원은 일부만 가려질 수 있다. 보이는 비율이 서서히 바뀌면서 부분 조명으로 된 경계, 반그림자가 생긴다.
부드러운 경계는 일부만 보이는 빛의 기록이다.
조명을 향해 거꾸로 바라본다
빛을 받는 표면의 한 점에서 조명을 바라본다고 하자. 불투명한 장애물이 광원 전체를 가리면 직접 기여가 없다. 전부 보이면 직접 빛이 도달할 수 있다. 그 사이에서는 일부 광원만 막힘없는 광선을 보낸다.
이 설명은 물체가 반투명하거나 흐릿할 필요가 없다. 모델의 장애물 경계는 완전히 날카롭다. 광원에 크기가 있어 서로 다른 광선이 같은 경계의 다른 쪽을 지나기 때문에 부드러워진다.
작은 단면으로 광선을 읽는다
계산은 2차원 단면을 쓴다. 수평 선 광원은 높이 3, 불투명 가림막은 높이 1, 수광면은 높이 0에 있다. 가림막 폭은 0.6단위다. 나머지 치수를 고정하고 광원 폭을 0.02, 0.6, 1.2로 바꾼다.
각 수광 위치에서 광원에 균일하게 놓인 1,001개 점으로 향하는 광선을 검사한다. 가림막 높이의 교차점이 가림막 안에 있으면 차단된다. 남은 가시 비율을 그린다. 정규화된 가시성 계산이며 완전한 복사측정 렌더러는 아니다.
큰 광원이 더 넓은 전이를 만든다
거의 점 같은 폭 0.02 광원은 좁은 경계를 만든다. 더 넓은 광원에서는 전이도 넓어진다. 이 기하에서 한쪽 경계의 반그림자 폭은 광원 폭에 가림막과 수광면의 거리를 곱하고 광원과 가림막 거리를 나눈 값이다. 두 거리는 각각 1과 2다.
따라서 예측 폭은 0.01, 0.3, 0.6단위다. 광선 도식에서 이유를 볼 수 있다. 광원 양끝의 광선이 같은 가림막 모서리를 스치지만 수광면의 다른 위치에 도달한다. 광원이 넓어지면 그 한계 광선들이 더 벌어진다.
배치도 부드러움을 바꾼다
가림막을 수광면에 가까이 옮기면 한계 광선들이 벌어지는 거리가 줄어든다. 그래서 넓은 조명 아래에서도 접촉 그림자는 비교적 선명할 수 있다. 다른 조건을 적절하게 고정하고 물체를 표면에서 멀리 옮기면 전이가 넓어질 수 있다.
일상에서 큰 조명이라고 할 때 중요한 것은 물체에서 본 각도인 경우가 많다. 물리적 크기만으로는 부족하다. 아주 큰 광원도 매우 멀면 작은 각도를 차지한다. 예제는 이런 변화를 섞지 않으려고 거리를 고정하고 폭만 바꾼다.
가시성은 밝기의 일부다
모델은 모든 광원 샘플에 같은 가중치를 준다. 실제 조명은 방출량, 거리, 표면 방향, 2차원 발광 면의 기하에도 좌우된다. 간접광은 가려진 영역을 밝힐 수 있고 여러 광원은 여러 그림자를 겹친다. 따라서 그림은 가시성 프로필로 읽어야 한다. 이 선 광원은 각각의 분리된 경계에서 거의 선형인 경사를 만든다. 원형이나 사각형 면광원은 선의 길이가 아닌 2차원 가시 면적이 달라지므로 전이 모양도 다를 수 있다.
카메라에는 노출, 톤 매핑, 샘플링도 더해진다. 어둡게 보이는 그림자에 물리적 빛이 전혀 없다는 뜻은 아니다. 사진의 부드러운 경계에는 초점 흐림이나 움직임도 기여할 수 있다. 이 실험은 날카로운 불투명 물체가 확장 광원을 일부 가리는 메커니즘만 분리한다.
그림자로 공간의 단서를 읽는다
경계는 광원의 겉보기 크기와 물체·표면 간격을 짐작하게 한다. 하지만 추가 정보 없이 둘 중 어느 것도 유일하게 결정하지는 못한다. 다른 배치가 비슷한 폭을 만들 수 있다. 전체 그림자 모양은 물체 윤곽과 받는 표면의 굽음에도 달려 있다.
간단한 장면을 그리거나 조명할 때 유용한 질문은 각 점에서 광원의 어느 부분이 보이는가다. 이 질문은 부드러운 전이를 구체적으로 설명하며, 검은 실루엣에 임의의 흐림을 칠한 것으로 생각하지 않게 한다. 경계는 이미 광선에 들어 있다.
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Physically Based Rendering: area lights ↗OpenStax: the ray aspect of light ↗공식 문서와 함께 읽으면 좋은 자료입니다.