본 강의 노트에서는 물리 기반 렌더링의 기본 사항을 다룹니다. 먼저 기본 물리학을 설명하고, 관련 수학적 모델을 소개한 후, 최종적으로 이러한 모델의 구현 방법을 다룹니다.
기본이 되는 물리 현상은 빛과 물질의 상호작용입니다. 이를 이해하려면 빛의 본질에 대한 이해가 필요합니다.
빛은 전자기파이며 기본적으로 횡파입니다.
빛은 파동이므로 파장으로 특정할 수 있습니다. 전자기 파장은 매우 넓은 범위를 포괄하지만, 여기서는 인간에게 가시적인 좁은 영역만 다룹니다.
물질이 빛에 미치는 영향은 굴절률이라는 속성으로 정의됩니다. 굴절률은 복소수입니다. 실수부는 물질이 빛의 속도에 미치는 영향(진공 대비 느려짐)을 나타내고, 허수부는 빛이 전파될 때 흡수되는지(다른 형태의 에너지로 변환되는지) 여부를 결정합니다.
굴절률은 빛의 파장에 따라 달라질 수 있습니다.
빛-물질 상호작용의 가장 간단한 형태는 빛이 **균질 매질(homogeneous medium)**을 통과하여 전파되는 경우입니다. 이는 굴절률이 균일한 물질 영역을 의미합니다(빛의 파장 규모 기준—가시광선의 경우 약 100나노미터보다 훨씬 작은 변화는 고려되지 않음).
그림 3: 물이나 유리와 같은 투명 매질 속의 빛(왼쪽)은 동일한 강도와 색상으로 직선으로 계속 전파됩니다(오른쪽).
균질 매질이 가시광선 스펙트럼에서 유의미한 **흡수율(absorptivity)**을 가진다면 통과하는 빛의 일정량을 흡수합니다. 빛이 이동한 거리가 멀수록 흡수량은 증가합니다. 그러나 빛의 방향은 변하지 않으며, 단지 강도만 변합니다(흡수율이 특정 파장에 선택적이라면 색상도 변할 수 있음)(그림 4 참조).
그림 4: 맑지만 흡수성이 있는 매질을 통과하는 빛(왼쪽)은 직선으로 계속 나아가지만 거리에 따라 강도를 잃습니다(그리고 색상이 변할 수 있음)(오른쪽).
그림 5: 물의 미세한 흡수율은 거리가 길어지면 유의미해집니다.
매질의 흡수율뿐만 아니라 **규모(scale)**도 중요합니다. 예를 들어, 물은 가시광선을 미세하게 흡수하며 특히 적색 영역에서 그렇습니다. 인치 단위의 규모에서는 무시할 만하지만(그림 3), 수 피트 이상의 거리에서는 상당히 중요해집니다(그림 5 참조).