Diffuse Reflection

Shading model 을 구성하는 요소 중에서 diffuse 요소에 대해서 살펴 보려고 합니다.

Wikipedia 를 보다 보니까 diffuse 의 정식 용어가 diffuse reflection 이라는 것을 처음 알았습니다.

Diffuse reflection 은 입사 광선^{incident ray} 이 specular reflection 의 경우 한 각으로만 반사^reflect하는 것과는 달리 많은 각으로 반사하는 것과 같은 표면^surface로부터의 반사광을 의미한다. 이상적으로 diffuse reflecting 을 수행한 표면은 그것을 둘러 싼 반구에 대한 모든 방향으로부터 같은 밝기^luminance를 가진다( Lambertian reflectance ).

석고 반죽과 같은 non-absorbing 가루나 종이와 같은 섬유나 흰 대리석과 같은 다결정질로 만들어진 표면은 매우 효율적으로 빛을 분산되게 반사한다. 많은 일반적인 재질들은 specular relfection 과 diffuse relfection 의 혼합을 보여 준다.

우리가 보는 거의 대부분의 개체들은 diffuse reflection 때문에 보이는 것이다. 표면으로부터의 산란광^{light scattering}은 물리적 관찰에 있어서 주요 mechanism 이다.

Diffuse and specular reflection from a glossy surface

Mechanism

단단한 표면으로부터의 diffuse reflection 은 우리가 생각하는 것과는 다르게 일반적으로 달리 표면의 거침때문에 생기는 것이 아니다 : 물론 평면은 specular reflection 을 내보내야 하지만, 그것이 diffuse reflection 을 없애는 것은 아니다. 우리는 흰 대리석 조각을 일부러 가루로 만들거나 광을 낼 수 있지만, 그것은 여전히 흰색이며, 결코 거울이 되지 않는다 : 단순히 말해 그것이 작은 specular reflection 을 제공하는 동안 남은 빛은 계속해서 분산되게 반사된다.

Diffuse reflection 을 제공하는 surface 에 의한 가장 일반적인 mechanism 은 정확히는 표면을 포함하지 않는다 : 거의 대부분의 빛은 표면 아래의 내부 scattering center 에 기인하며, Figure 1 에 설명되어 있다. 그림이 눈^snow이며, polygon 들이 자신의 ( 투명한 ) 얼음 결정이라고 가정하자. 충돌하는 광선이 첫 번째 입자에 의해서 부분적으로 반사되며, 일부는 그 안으로 들어간다는 것을 알 수 있다. 그리고 그것은 다시 두 번째 입자와의 접점에 의해 일부는 반사되고, 일부는 안으로 들어간다. 그리고 계속해서 그거싱 반복되는 식이다. 그것은 임의의 방향으로 "주로" 산란된 광선들의 집합을 생성하며, 같은 mechanism 을 통해 수많은 "이차" 산란 광선들을 생성하고, 그것은 "삼차" 산란 광선들을 생성하는 식이다. 이러한 모든 광선들은 표면에 도착해 임의의 방향으로 탈출할 때까지 흡수되지 않고 눈 결정들을 지나간다. 우리는 모든 방향으로 모든 빛을 돌려주는 결과를 얻게 되며, 우리는 눈이 희다고 말할 수 있게 되는 것이다. 그것은 눈이 투명한 개체( 눈 결정 )로 구성되었다는 사실에 기인한다.

Figure1 - General mechanism of diffuse reflection by a solid surface( refraction phenomena not represented )

단순함을 위해 여기에서 우리는 "reflections" 라고 이야기해 왔지만, 더 일반적으로 말하면 많은 재질들을 구성하는 작은 입자들 사이의 접점이 빛의 파장과 비교해 고르지 못한 크기를 가지고 있으며, 그래서 단일하게 반사된 광선이 아니라 diffuse light 가 각 접점 사이에서 발생하는 것이다. 뭐 같은 이야기이긴 하다.

이 mechanism 은 매우 일반적이다. 왜냐하면 거의 대부분의 일반 재질들은 서로 묶여 있는 "작은 것들"로 구성되어 있기 때문이다. Mineral 재질은 일반적으로 다결정질이다 : 우리는 작고 고르지 못한 모양을 가진 결함있는 결정으로 구성된 3-D mosaic 으로 그것들을 설명할 수 있다. 생체 재질은 섬유나 세포로 구성된다. 그리고 그것들은 (세포)막과 복잡한 내부 구조를 가진다. 그리고 불균등함이나 불완전함을 벗어날수 있는 각 접점들은 빛을 반사하거나 산란시키는데, 위의 mechanism 을 따른다.

아주 일부의 재질들은 위의 mechanism 을 따르지 않는다 : 빛이 들어가는 것을 허용하지 않는 금속들; 유리, ( 유체같이 확실한 형태가 없는 미세구조를 가진 ) 투명 plastic; 어떤 보석이나 소금 결정과 같은 단일 결정; 눈의 수정체^{lens of an eye}나 각막^cornea과 같은 것을 구성하는 얇은 조직들과 같은 특별한 재질들. 그러나 그것들의 표면이 반투명 유리^{frost glass}( figure2 )처럼 미세하게 거칠거나 안경처럼 그것들의 동차 구조^{homogeneous structure}가 악화된다면, 그것들은 분산되게 반사할 수도 있다.

Figure 2 - Diffuse reflection from an irregular surface

예를 들어 집에서 사용하는 유광 paint 의 경우 경우에 표면은 specular reflection 과 diffuse reflection 을 모두 나타내며, 반면에 무광 paint 는 거의 배타적으로 diffuse reflection 만을 제공한다.