빛에 대한 분석과 통찰
인간에게는 다섯가지의 감각기관이 존재합니다. 시각 / 청각 / 후각 / 촉각 / 미각 다섯가지의 오감중에서도 시각에 대한 의존도가 매우 높습니다. 당연한 말이겠지만 우리가 게임을 개발할 때에도 게임을 플레이 하는 유저가 오감을 인식할 수 있다는 전제를 두고 개발하는 것입니다. 플랫폼 마다 약간의 차이는 있겠지만 말이죠. 예를 들어 PC유저는 적어도 모니터와 스피커(시각과 청각), 여기에 콘솔 유저는 게임 패드를 통해 진동(촉각)을 느낄 수 있습니다.
인간의 시각은 망막으로 들어오는 광자가 원추 세포를 자극하여 빛을 인식합니다. 빛의 양에 따라 명도를 구분하고 파장의 길이에 따라 색을 구분 하는 것이지요. 빛이 가지고 있는 정보들을 종합하여 인간의 뇌가 공간과 물체를 해석합니다. 즉 현실에 존재하는 물리 법칙과 빛에 대한 정보를 게임을 플레이 하는 유저에게 충분히 납득 가능한 수준으로 제공하지 못한다면 유저에게 혼란이 와서 판단을 내리기 힘들게 되거나 위화감을 느끼고 몰입이 깨지게 됩니다. (NPR 계열 게임도 근본은 실제 물리에 대한 응용으로 출발합니다) 그래서 '유저에게 빛을 어떻게 보여줄까?' 에 대한 고민과 연구 결과인 라이팅 디자인이 중요한 것입니다.
완벽하게 게임 내에서 물리를 재현 할 수 있다면 더할 나위 없이 좋겠지만 하드웨어에 한계가 있기 때문에 게임 아티스트들은 여러가지 속임수를 사용합니다. 그리고 제한되고 편집된 정보만을 제공하여 유저의 행동을 예측하고 조종할 수 도 있지요. 이 부분은 나중에 자세하게 다루도록 하겠습니다.
빛은 무엇인가?
빛은 입자이면서 파동입니다. 파동이기 때문에 파장을 측정 할 수 있는데 우리의 눈은 400nm~700nm 정도의 빛을 감지 할 수 있습니다. 파장이 짧을수록 고에너지의 파랑색이고 파장이 길수록 저에너지의 빨강색입니다. 빨강색 바깥쪽의 빛은 적외선, 파랑색 바깥쪽의 빛은 자외선이라고 부르며 인간이 볼 수 없습니다.
우리가 어떤 물체를 관측 할 수 있는 이유는 빛이 물체에 반사 되어 우리 눈에 들어오기 때문입니다. 즉 빛을 발산하지 않거나 반사하지 않는다면 우리 눈에 보이지 않습니다.
(아놀드 렌더러와 마야를 사용했습니다)
다음과 같이 씬을 세팅해봅시다. 파란색 공이 빨간색 플랜 위에 있습니다. 이때, 빛이 빨간색이라면 어떻게 될까요?
왼쪽은 공이 빨강색일 때의 경우이며 오른쪽은 파랑색일 때의 경우입니다. 빛을 반사하지 않으니 까맣게 나오는 것입니다. 물론 이것은 렌더러에서 이상적인 상황을 구현 했을 때만 이렇게 됩니다. 현실에서는 정확하게 단일 파장 값을 분리해 낼 수 없는 스펙트럼이기 때문에 이론상으로만 가능한 것이지요.
하늘이 파랗고 노을이 붉은 것 역시 대기의 입자들에 빛이 부딪혀 반사가 반복(산란)되면서 빨강색과 파랑색중 어떤 것이 우리 눈에 도달하느냐에 따라 결정 된 것입니다. 정확한 원리는 '레일리 산란'을 검색해 보시기 바랍니다.
이제 우리는 물체에 빛이 반사 되어야 볼 수 있다는 것을 확실히 알았습니다. 또한 빛이 반사되는 방향에 따라 난반사와 정반사로 분류합니다.
난반사 계열
태양이나 조명같은 광원에서 직접 날아온 빛이 어디에도 튕기지 않고 바로 물체에 부딪혀서 처음으로 반사될 때 디퓨즈(Diffuse Reflection)라고 부릅니다. 물체 고유의 표면 질감과 색상을 나타냅니다.
어디선가 한 번 이상 다른 물체에 의해 반사된 빛이 물체에 다시 반사 될 경우 이것을 앰비언트(Ambient Reflection)라고 합니다. 주변의 환경이 반사되는 것입니다.
(하늘에 반사된 푸른 빛이 회색 아파트 외벽에 반사된 모습입니다)
(노을의 붉은 색이 구름에 반사된 모습입니다)
정반사 계열
표면에 반사된 빛의 입사각과 반사각이 같으면 정반사이며, 스펙큘러(Specular Reflection)라고 부릅니다. 앰비언트 같은 주변광이 다시 정반사되기 때문에 난반사와 어느정도 혼합되어 나타납니다.
(건물 외벽에 정반사된 주변, 유리는 빛이 일부는 투과하고 일부는 정반사, 금속 물질의 정반사)
(이상적인 정반사에 가까운 거울)
스펙큘러를 가진 물체의 표면 결에 따라 스펙큘러가 늘어나는 특징을 가지고 있습니다.
젖은 표면의 반사
물체 표면이 물에 젖으면 무슨 일이 일어날까요?
젖은 표면은 어두워집니다. 물이 정반사를 일으키는 만큼 물체 표면에 닿는 빛의 양이 줄어듭니다. 즉 스펙큘러가 높아지면 디퓨즈는 낮아지는 반비례 관계라는 것 입니다.
그 뿐만이 아닙니다. 물체 표면의 채도가 높아집니다. 물을 통과하고 물체 표면에 반사된 디퓨즈가 물의 표면에서 다시 반사되는 전반사(Internal Reflection)가 일어나기 때문입니다.
(전반사의 원리를 보여주는 자료)
물체 표면에 닿았던 디퓨즈가 전반사를 일으켜서 다시 물체 표면에 닿는 과정을 반복하다 물 밖으로 나가게 되니 반사될 때 마다 디퓨즈 색이 강해지는 것입니다.
광휘(Radiance)
스스로 빛을 내지 않는 오브젝트가 강한 디퓨즈를 받아 반사하여 마치 조명처럼 작동하는 것을 컬러 블리딩(Color Bleeding)이라고 부릅니다. 앰비언트와 같은 개념이지만 색이 묻어나온다는 표현이 적절할 정도로 매우 강한 앰비언트가 나타나는 경우입니다.