빛의 표현을 구현하는 쉐이더를 공부하면서 빛을 모른다는 것은 어불성설이다.
빛을 공부해보도록 할텐데, 상당히 원론적인 내용이 들어가 있으니 주의
빛의 성질은 산란, 흡수, 굴절, 투과, 반사가 있다.
빛이 물체를 만나면서 여러가지 방향으로 동시에 상호작용한다.
빛의 프로세스를 설명하자면 다음과 같다.
빛 → 표면에 닿음 → 반사 or 투과 → 투과했을 때 물체 내부에서 산란과 흡수 → 남은 빛들이 투과되어 바깥으로 빠져나감
광원에서 나온 본연 그대로의 빛을 입사광이라고 한다면 물체와 만났을 때 빛은 반사광, 흡수광, 투과광으로 변신한다.
즉, 입사광 = 반사광 + 흡수광 + 투과광이 된다.
에너지 보존 법칙에 의해 1의 분량의 입사광이 들어왔으면 반사,흡수,투과광도 합쳐서 1이 되어야 한다. 예시로, 1의 입사광 = 0.3반사광 + 0.4흡수광+0.3투과광 이라는 말이 된다.
색의 표현은 빛에 의해서도 좌우되지만, 물체의 특징에 의해서도 좌우된다.
빛의 색이 어떤지에 따라 물체의 색도 다르게 표현되고, 물체의 고유의 색, 특징이 어떤지에 따라 빛의 색도 다르게 표현된다.
만약 빛의 색이 하얀색이 아니라 노란색이다? 그럼 물체와 만나면서 반사된 색은 노란색으로 보일 것이다. 물체와 만나면서 흡수된 빛의 경우 물체의 겉은 노랗지만 물체 안쪽으로 들어가면서 어둡게 변해갈 것이다. 물체와 만나면서 투과된 빛은 물체의 고유의 색과 성질에 따라 어느 부분은 연한 노란색, 어느 부분은 짙은 노란색으로도 보일 것이다.
이처럼 빛의 색, 성질 그리고 물체의 색, 성질에 따라 표현되는 색만해도 수십가지로 표현된다.
즉, 빛과 물체는 서로 상호작용한다.
빛의 반사에 대한 기본적인 용어는 다음과 같다.
입사각
빛이 들어와서 반사되는 각도를 입사각이라고 한다. 당연히 이렇게 들어오는 빛은 입사광이라고 한다.
반사각
빛이 물체에 부딪쳐서 반사되는 각도를 반사각이라고 한다.
A는 난반사의 비율이 높다. 대충 90%정도?
B는 표면이 울퉁불퉁한데도 파란색 표면때문에 정반사의 비율이 높다.
빛과 물체의 상호작용 첫 단추는 바로 물체의 표면이다. 그래서 빛과 물체가 만났을 때 표면에서의 빛의 각도가 어떤지가 중요하다.
빛이 반사되는 방식을 크게 두 가지로 나눈다.
정반사 (Specular)
빛이 물체를 만났을 때 입사된 각도 그대로 반사되어 나갔을 경우 정반사라고 한다. 평평하고 매끄러운 표면을 만났을 때 주로 발생되는 반사이다.
이럴 때 입사각이나 반사각은 동일하고(스넬의 법칙), 빛은 본연의 모습을 유지한 채로 반사된다.
빛이 하얀색이라면, 정반사된 빛은 하얀색으로 보일 것이고, 사과모양을 하고 있는 빛이 정반사되면 사과모양이 뒤집어져서 보일 것이다.
거울이 정반사를 설명하기 쉬운 대표적인 물체다.
난반사 (Diffuse)
빛이 물체를 만났을 때 입사된 각도와 같지 않은 채로 반사되어 나갔을 경우 난반사라고 한다. 울퉁불퉁한 표면을 만났을 때 주로 발생되는 반사이다.
빛이 제멋대로 퍼져버리니 빛이 본연의 모습을 유지한채로 반사가 되지 않는다.
거울과 종이를 예시로 들어보면 이해가 빠를 것이다.
거울은 정반사가 커서 빛이 본연의 모습을 그대로 보여준다. 그래서 A라는 빛을 쏘면 A가 그대로 보인다. 그런데 종이는 표면이 울퉁불퉁하니까 본연의 모습을 잃어 A가 아니라 이것저것 섞인 알수없는 빛이 보일 것이다.
NO
물론 종이의 표면을 아주아주 매끄럽게 만들었다면 광택이 나서 A라는 빛을 쐈을 때 A가 보일 것이다. 하지만 거울처럼이 아니라, 광택이 나는 흰색 물체가 될 것이다.
왜일까?
거울과 종이의 물체 특성이 아예 다르기 때문이다. 아까 위에서 빛은 반사, 흡수, 투과가 동시에 일어난다고 했었다. 그래서 어떤 빛은 반사되고 어떤 빛은 흡수, 투과된다. 어찌저찌 하다가 빛이 물체를 투과를 했다. 그 때 빛이 바로 만나는 것은 그 물체의 특성과 색을 가지고 있는 물체의 전자다. 물체는 특성에 따라 전자의 구조 배열이 빼곡하고 단단하게 잡혀있거나 아니면 불규칙적, 느슨한 형태를 가지고 있다.
다시 설명하겠지만, 물체를 구성하는 전자는 각각 특정한 파장이 있어서, 자신과 같은 파장은 반사하고 그 외는 흡수를 해버린다. 물체 안으로 투과된 빛이 전자를 만나면 전자는 자신과 같은 파장만 빼고 나머지는 먹어버린다. 나머지를 뺏긴 빛은 다른 전자와 또 만나서 이리저리 반사되고 반사되고…를 반복하다가 어느 순간 표면 바깥으로 반사된다. 이 빛이 우리 눈에 들어오면 전자가 가진 파장이 보이게 되는 것이다.
즉, 물체의 표면만 난반사가 일어나는게 아니라 물체의 표면 아래에서도 난반사가 되고 있는 것이다.
이 것이 물체의 색이 보이는 기본 원리이며, 반사에 의해 색이 보인다는 뜻이다.
금속의 경우 이야기가 조금 다르다.
아까 전자는 특성에 따라 구조 배열이 다르다고 했다. 금속의 전자 구조 배열은 빼곡하고 단단하게 잡혀있다. 그래서 일반 물체와 마찬가지로 그런데 일반 물체와 다른 한 가지는 바로 금속이 겉 표면에 자유전자라는 것을 가지고 있다는 것이다. 자유전자는 다른 전자의 구조 배열처럼 붙들리지 않은 채 이리저리 자유롭게 움직이고 있다. 자유전자는 빛의 가시광선을 대부분 흡수하는 성질을 가지고 있고, 너무나 많아서 금속 안의 전자가 빛을 받지 못한다. 그래서 금속 내부는 거의 투과되지가 않는다.
그렇다고 자유전자가 가시광선을 모조리 흡수할 수 있는 것은 아닌데, 자유전자의 움직이는 속도에 따라 흡수할 수 있는 파장이 각각 다르다.
이 자유전자는 에너지를 받게 되면 들뜸 상태로 변하는데 들뜸 상태가 되자마자 거의 곧바로 흡수했던 에너지들을 다시 방출한다.
다시 말하지만, 반사하는게 아니고 흡수했다가 방출한다. 마치 광원처럼.
그래서 금속은 마치 빛이 나는 것처럼 반짝반짝 거린다.
자유전자는 이리저리 움직이고 있고, 이 움직이는 속도에 따라 흡수하는 파장이 다르다고 했다. 느리면 느릴수록 흡수하는 범위가 작아지고, 빠르면 빠를 수록 흡수하는 범위가 커진다.
그래서 하얀색으로 반짝 거리는 은은 자유전자가 가시광선을 거의 다 흡수할 만큼 빨라 빛을 흡수한 뒤 방출해서 태양처럼 반짝거리는 것이고, 금색으로 반짝 거리는 금은 자유전자가 노란색, 붉은색만 흡수할만큼만 빨라서 흡수하고 방출하니까 금색으로 반짝 거리는 것이다.
짧은 시간동안 들뜸상태를 유지하다가 다시 힘이 빠지는데 그 때 가지고 있던 에너지를 방출하며 기본 상태로 돌아온다.
그러면 에너지가 방출될 때 빛이나는 것처럼 반짝 거린다.
